Ti sei mai chiesto per quale ragione i metalli sono degli ottimi conduttori elettrici? In particolare: perché argento, rame e oro sono così richiesti non solo in gioielleria, ma anche nell’ambito dei materiali conduttori per la realizzazione di impianti elettrici? La spiegazione tecnica di questo fenomeno sta proprio nella loro struttura atomica.
La struttura atomica dei metalli: il mare di elettroni
Nei metalli, che sono dei conduttori, gli elettroni non sono strettamente legati al nucleo dei rispettivi atomi, e dunque sono abbastanza liberi di muoversi e di creare un flusso di corrente. I materiali conduttori sono generalmente caratterizzanti, quindi, dalla presenza di elettroni liberi, ovvero particelle elementari leggere che passano da un atomo all’altro, si spostano, e contribuiscono con il loro movimento a generare la corrente elettrica.
Gli elettroni non orbitano attorno ai rispettivi nuclei atomici, ma si muovono liberamente andando a formare il cosiddetto "mare di elettroni" che orbita attorno ai nuclei atomici carichi positivamente degli ioni di metallo interagenti.
Si considerano ottimi esempi di materiali conduttori l’argento, il rame, l’oro, l’alluminio, lo zinco, il cromo, l’iridio, il tungsteno, il nichel, il ferro, il platino e il piombo. Forse già lo sapevi, ma ci sono anche altri materiali conduttori che non sono necessariamente corpi metallici. Alcuni esempi? L’acqua, e di conseguenza anche il corpo umano è un ottimo conduttore! I migliori conduttori sono quelli che, a un buon prezzo, riescono a condurre una buona quantità di elettricità, come per esempio il rame e l’alluminio.
La presenza di questi elettroni "liberi" favorisce la circolazione e la formazione di corrente elettrica. Dunque questi materiali vengono adoperati regolarmente per la loro capacità di condurre l’elettricità dove può rendersi utile.
Non tutti i conduttori sono uguali, dunque: per esempio, il ferro conduce sei volte in meno dell’argento, che è il miglior conduttore al mondo, ma è troppo costoso per poter essere impiegato comunemente nei cavi elettrici.
I superconduttori
Alcune sostanze, come per esempio alcuni metalli, nel momento in cui vengono portati a temperature molto basse diventano cosiddetti superconduttori – ovvero conduttori "perfetti". La loro bassa resistenza alla corrente elettrica si riduce ancora, e non è più misurabile. Questi superconduttori sono perfetti per trasportare l’energia elettrica evitando dispersioni. Alcuni esempi: l’argento e l’alluminio.
I semiconduttori
Probabilmente hai già sentito parlare dei semiconduttori: sono elementi chimici, come per esempio il silicio, che presentano proprietà intermedie tra conduttori e isolanti. I semiconduttori vengono impiegati per fabbricare i transistor e i circuiti elettronici che usiamo regolarmente per i nostri computer e gli smartphone.
E i materiali isolanti, invece?
Al contrario dei conduttori elettrici, i materiali isolanti hanno una struttura atomica diversa, in cui gli elettroni sono vincolati a rimanere fermi in un unico posto, confinati sul loro atomo di appartenenza. Questi elettroni dunque non possono assolutamente sposarsi. La corrente elettrica qui non passa e, al contrario, si disperde.
In virtù di questo principio fisico, gli isolanti per eccellenza sono il legno, il vetro, l’aria e la carta, ma anche la plastica. Quarzo e porcellana sono considerati ottimi materiali isolanti, per esempio, e vengono regolarmente impiegati.