Conduttori elettrici e isolanti elettrici

I materiali e le sostanze si classificano, in prima istanza, in conduttori elettrici e in isolanti elettrici a seconda della loro propensione a trasferire o a trattenere le cariche elettriche che acquisiscono. I materiali conduttori in particolare possono trattenere la carica elettrica nel caso in cui siano isolati e non a contatto con altri conduttori.

 

Dopo aver presentato il concetto di carica elettrica, e averne studiato la natura microscopica, siamo pronti per una prima analisi del comportamento dei vari materiali nei confronti delle cariche elettriche. In questa lezione daremo le definizioni di conduttore e isolante elettrico e spiegheremo come e perché i materiali possono condurre o trattenere una carica elettrica quando la acquisiscono.

 

Parliamo di prima analisi perché la realtà sa essere molto complessa. ;) Per avere un'idea completa della classificazione dei materiali a fronte dei fenomeni elettrici servono infatti svariate nozioni e leggi; come sempre nello studio della Fisica è necessario procedere per passi.

 

Conduttori e isolanti elettrici

 

Come abbiamo visto in più contesti ogni materiale ha il proprio modo di comportarsi, basti pensare alla Dinamica o alla Termodinamica. A seconda dei fenomeni fisici che si studiano capita non di rado di imbattersi in formule in cui compaiono parametri caratteristici dei materiali, e relative tabelle che forniscono i valori del parametro al variare dei materiali. Per citare due esempi possiamo richiamare il coefficiente di dilatazione termica e le proprietà elastiche dei solidi descritte dal modulo di Young.

 

Anche quando si parla di elettricità i materiali possono manifestare diversi comportamenti. Si tende perciò a raggrupparli in due grandi categorie: i conduttori elettrici e gli isolanti elettrici.

 

Per introdurre le nozioni di conduttore e isolante nel contesto dei fenomeni elettrici partiamo da un semplice esperimento. Se strofiniamo con un panno un pezzo di ambra, di bachelite o di vetro, compare su di esso una carica elettrica e nel contempo una carica di segno opposto sul panno. L'effetto risultante è una forza elettrica attrattiva tra il panno e l'oggetto strofinato.

 

D'altro canto se teniamo in mano un'asta di metallo e la strofiniamo, osserviamo che su di essa non si deposita alcuna carica. Se però reggiamo l'asta di metallo con dei guanti di gomma e la strofiniamo, ecco che su di essa compare della carica; in questo caso il metallo sembra comportarsi come la bachelite o il vetro.

 

A cosa sono dovuti i diversi comportamenti dei materiali che abbiamo considerato, e ancora: perché il metallo si comporta in modi diversi a seconda del contesto?

 

Comportamento di conduttori elettrici e isolanti elettrici

 

Chiamiamo conduttori elettrici quei materiali che possono essere attraversati da cariche elettriche, ossia in cui le cariche possono muoversi. Sono esempi di conduttori i metalli e l'acqua di mare.

 

Chiamiamo invece isolanti elettrici i materiali in cui le cariche non sono libere di muoversi. Sono esempi di isolanti i materiali plastici, la ceramica, la gomma, l'ambra, il vetro, la bachelite e l'aria.

 

Alla luce di queste definizioni proviamo a capire il diverso comportamento dei materiali che abbiamo considerato nel nostro esperimento.

 

 

Cosa succede nei conduttori elettrici

 

Se teniamo in mano un'asta di metallo e la strofiniamo, gli elettroni che l'asta acquisisce o perde non rimangono su di essa e si scaricano a terra attraversando il corpo di chi regge l'asta. Il metallo infatti non ha una grande capacità di trattenere le cariche, e quando viene messo a contatto con un altro conduttore come il corpo umano tende a trasferirle.

 

Poiché a seguito dello strofinio l'asta ha cariche in eccesso, queste tendono a spostarsi verso un altro conduttore elettrico (il corpo umano) e poi ancora verso il terreno, anch'esso conduttore e neutro. Ecco che allora le cariche che abbiamo trasferito all'asta con il panno sono andate perse non nel senso che sono scomparse nel nulla, ma semplicemente perché non le troviamo più laddove si erano accumulate.

 

In sintesi se un conduttore elettrico acquisisce carica elettrica ed è a contatto con un altro conduttore, tenderà a trasferire tale carica all'altro conduttore.

 

 

Cosa succede negli isolanti elettrici

 

Se strofiniamo un pezzo di bachelite o di vetro, le cariche rimangono sul corpo in quanto esso è in grado di trattenerle. Siamo in presenza di materiali isolanti: anche se reggiamo con le mani un pezzo di vetro, le cariche in eccesso non si trasferiscono su di noi e rimangono accumulate su di esso.

 

Nei materiali isolanti la carica elettrica acquisita viene quindi trattenuta e non viene trasferita, indipendentemente dagli altri corpi con cui l'isolante è a contatto.

 

 

Cosa succede nei conduttori quando vengono isolati

 

Nel caso dell'asta di metallo e dei guanti di gomma abbiamo visto che un conduttore elettrico può comportarsi come un isolante e trattenere la carica elettrica, a patto però che esso sia isolato.

 

In altri termini se un conduttore elettrico viene messo a contatto non con un altro conduttore su cui può scaricarsi, ma con un isolante che non permette alla carica accumulata sul conduttore di disperdersi, allora il conduttore tratterrà la carica.

 

Ecco peché l'asta rimane carica se la elettrizziamo sorreggendola con un guanto di gomma: quest'ultimo, in quanto isolante, impedisce alle cariche di trasferirsi dall'asta al nostro corpo.

 

Perché conduttori e isolanti elettrici si comportano diversamente

 

Il diverso comportamento di conduttori e isolanti elettrici va ricercato nella struttura microscopica dei diversi materiali.

 

- Nei conduttori elettrici alcuni elettroni atomici, quelli che si trovano nelle regioni più lontane dai rispettivi nuclei, hanno un legame debole con i relativi nuclei. Tali elettroni, detti di conduzione, sono liberi di muoversi all'interno della struttura cristallina del materiale.

 

- Negli isolanti elettrici gli elettroni hanno legami molto più forti con i rispettivi nuclei ed è molto più difficile che se ne possano allontanare. Questo è il motivo per cui gli isolanti tendono a trattenere le cariche elettriche.

 

Anticipazioni: conduttività, resistività, semiconduttori, superconduttori, rottura del dielettrico

 

Da notare che in questo frangente stiamo effettuando un'analisi puramente qualitativa. Com'è facilmente intuibile la classificazione dei materiali e delle sostanze è più complessa rispetto a come l'abbiamo trattata qui. Lo scopo delle primissime lezioni del corso di Elettrostatica, d'altronde, è quello di gettare le basi per lo sviluppo della teoria; il quadro completo verrà disegnato man mano che studieremo le varie leggi fisiche. Nulla però ci vieta di dare qualche anticipazione... ;)

 

- Esistono due grandezze, la conduttività e la resistività, che permettono di misurare quanto un materiale è conduttore o isolante.

 

- Nella realtà la distinzione tra conduttori e isolanti non è così netta come sembra. In natura esistono infatti materiali, detti semiconduttori, che manifestano proprietà a cavallo tra quelle tipiche dei conduttori e quelle degli isolanti. D'altro canto esistono pure materiali che sono ottimi conduttori elettrici, e che non a caso vengono detti superconduttori;

 

- Anche gli isolanti in determinate condizioni possono condurre elettricità, come vedremo quando affronteremo il fenomeno di rottura del dielettrico.

 

Tabella: isolanti elettrici e conduttori elettrici

 

Concludiamo con un elenco esemplificativo ma non esaustivo di materiali, sostanze e corpi conduttori o isolanti.

 

Conduttori elettrici

Acqua di mare, acqua non pura, corpo umano, metalli (alluminio, argento, cromo, ferro, iridio, nichel, piombo, oro, platino, rame, tungsteno, zinco, ...) e leghe metalliche, Terra

Isolanti elettrici

Acqua pura (distillata), aria, carta, ceramica, gomma, legno, mica, paraffina, plastica, polietilene, polimeri, polistirolo, porcellana, olio minerale

Semiconduttori

Silicio, germanio, arseniuro di gallio

 

 


 

Ci fermiamo qui. Nelle lezioni successive analizzeremo i vari modi in cui un corpo può elettrizzarsi, vale a dire acquisire carica elettrica, e ci occuperemo dei fenomeni di:

 

- elettrizzazione per strofinio

 

- elettrizzazione per contatto

 

- elettrizzazione per induzione

 

- polarizzazione elettrica

 

Nel frattempo per qualsiasi dubbio o domanda potete servirvi della barra di ricerca interna e scegliere tra migliaia di esercizi svolti presenti su YM. :)

 

 

Buon proseguimento su YouMath,

Alessandro Catania (Alex)

 

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