Se un filo metallico e un materiale isolante di dimensioni comparabili vengono collegati alla stessa sorgente, la loro risposta è molto diversa. Nel metallo il passaggio della corrente è favorito; nell’isolante, nelle normali condizioni, le cariche non riescono a muoversi con la stessa facilità. La differenza nasce dalla struttura elettronica dei materiali.
Il campo elettrico mette in moto cariche già mobili
La tensione applicata ai capi del filo genera un campo elettrico. Nel metallo sono presenti elettroni di valenza delocalizzati, cioè non vincolati a un solo atomo: possono spostarsi attraverso il solido. Il campo imprime a questo movimento una direzione preferenziale, producendo un flusso netto di carica e quindi una corrente elettrica.
Un modello essenziale descrive il metallo come un reticolo di ioni positivi circondato da elettroni delocalizzati. Gli ioni occupano posizioni ordinate nella struttura cristallina, mentre una parte degli elettroni può attraversare il reticolo. La sorgente non deve quindi liberare da zero ogni portatore di carica: trova già nel materiale elettroni capaci di rispondere al campo.
Perché gli elettroni sono delocalizzati
In un atomo isolato gli elettroni possono occupare livelli energetici distinti. Quando un numero enorme di atomi forma un cristallo metallico, le distanze tra gli atomi diventano molto piccole e i loro orbitali si sovrappongono. I livelli dei singoli atomi si trasformano così in insiemi molto fitti di stati energetici, chiamati bande.
Nei metalli la banda di valenza e quella di conduzione sono adiacenti, con un divario energetico praticamente assente nel modello didattico. Gli elettroni trovano quindi stati disponibili attraverso i quali rispondere al campo elettrico. Le bande non sono due zone fisiche separate all’interno del filo: rappresentano insiemi di energie che gli elettroni possono assumere.
In un isolante il divario tra le bande è invece molto maggiore. Nelle condizioni ordinarie gli elettroni non dispongono dell’energia necessaria per raggiungere stati che consentano il trasporto di carica. È questa differenza strutturale, illustrata anche nel modello dei conduttori elettronici, a spiegare perché lo stesso campo produca risposte tanto diverse.
Buona conduzione non significa resistenza nulla
Gli elettroni mobili non attraversano il metallo senza incontrare opposizione. Il parametro che descrive questa caratteristica è la resistività, indicata con ρ: più è bassa, più il materiale si presta al passaggio della corrente. La conduttività esprime la proprietà complementare, cioè la facilità con cui il materiale conduce.
Il rame, per esempio, ha a 20 °C una resistività indicata pari a 1,68 × 10−8 Ω·m. Il valore riguarda precisamente il rame a quella temperatura e non può essere esteso indistintamente a tutti i metalli o a condizioni differenti.
La resistenza misurata in un filo dipende anche dalla sua geometria. Per un conduttore omogeneo vale la relazione R = ρL/A, dove L è la lunghezza e A l’area della sezione. A parità di materiale, un filo più lungo oppone quindi maggiore resistenza, mentre una sezione più ampia la riduce.
Anche la temperatura conta. In generale, quando un metallo si scalda, le vibrazioni del reticolo diventano più intense e disturbano maggiormente il movimento ordinato degli elettroni. La conduttività tende così a diminuire. La resistenza reale nasce dunque sia dalla proprietà intrinseca del materiale sia dalle condizioni e dalla forma del conduttore.
La struttura fisica guida la scelta del metallo
Rame, argento e alluminio possono essere impiegati come conduttori perché la loro struttura metallica offre elettroni delocalizzati capaci di trasportare carica. La scelta applicativa, però, non si esaurisce nella distinzione tra conduttore e isolante: bisogna considerare la resistività del metallo nelle condizioni operative, la temperatura, la lunghezza del percorso e la sezione disponibile.
Un buon conduttore è quindi un materiale nel quale il campo elettrico può orientare con facilità cariche mobili, non un materiale privo di resistenza. È proprio questa combinazione tra mobilità elettronica e resistività misurabile a determinare quale metallo sia più adatto a uno specifico conduttore.
