Proprietati electrice fundamentale ale materialelor

v Conductivitatea electrica

v Dependenta de temperatura

v Clasificarea materialelor

Conductivitatea

Conductivitatea electrica (numita și conductibilitatea electrica specifica) este marimea fizica prin care se caracterizeaza capacitatea unui material de a permite transportul sarcinilor electrice atunci cind este plasat intr-un cimp electric. Simbolul folosit pentru aceasta marime este de obicei σ (litera greceasca sigma), iar unitatea de masura este siemens pe metru (S·m⁻¹). Marimea inversa conductivitații este rezistivitatea electrica, cu simbolul ρ (litera greceasca ro) și unitatea de masura ohm metru (Ω·m).

Conductivitatea electrica a unui material se definește ca raportul dintre densitatea curentului electric J produs prin plasarea materialului in cimpul electric E:

Exista materiale la care conductivitatea electrica este anizotropa --- marimea și orientarea vectorului J depinde de marimea și orientarea vectorului E ---, caz in care conductivitatea electrica trebuie exprimata printr-un tensor de rangul 2 (o matrice 3×3). O asemenea proprietate o au de exemplu materialele cu o structura stratificata, cum ar fi unele roci sedimentare; in cazul lor conductivitatea in planul straturilor poate fi diferita de conductivitatea pe direcția perpendiculara.

In cimpuri electrice alternative conductivitatea electrica se exprima printr-un numar complex (sau un tensor de numere complexe daca materialul este anizotrop), numitadmitivitate electrica. In acest caz partea reala a admitivitații se numește conductivitate iar cea imaginara susceptivitate. Similar, conductanței ii corespunde in cimp alternativ marimea numita admitanța, care este inversa impedanței electrice.

Dependenta de temperatura

La majoritatea materialelor conductivitatea electrica depinde mult de temperatura. Astfel, in cazul celor mai multe metale, conductivitatea scade cu temperatura, iar in cazul semiconductorilor conductivitatea crește cu temperatura. Pe intervale de temperatura mici in general aceasta dependența se poate aproxima printr-o relație liniara.

La temperaturi foarte joase, apropiate de 0 K, unele materiale prezinta fenomenul cuantic de supraconducție, in care conductivitatea are valoare infinita (rezistivitatea este exact zero). In aceste materiale curentul electric poate curge la infinit. Fiecare material supraconductor are propria sa temperatura critica sub care prezinta aceste proprietați; unele materiale precum cuprul și argintul pastreaza totuși o conductivitate finita chiar și la temperaturi foarte apropiate de zero absolut. Altele in schimb ramin supraconductoare pina la temperaturi relativ inalte, astfel incit pot fi utilizate și la temperatura de fierbere a azotului lichid (77 K); primul material de acest gen studiat a fost oxidul de ytriu bariu și cupru (YBa2Cu3O7, prescurtat YBCO).

Clasificarea materialelor

Corpul sau materialul care conduce curentul electric se numește conductor electric; metalele sint buni conductori electrici, iar dintre acestea conductivitatea cea mai mare o are argintul (63,0·106 S·m−1), urmat la mica distanța de cupru (59,6·106 S·m−1). De asemenea plasma (gaz ionizat) este in general un bun sau foarte bun conductor electric --- in multe cazuri conductivitatea plasmei se poate considera infinita. Tot in clasa conductorilor intra și unele lichide care conțin mulți ioni, de exemplu apa sarata conduce curentul electric cu atit mai bine cu cit concentrația de sare este mai mare.

Un corp sau material care nu permite in mod semnificativ trecerea sarcinilor electrice se numește izolator (de exemplu sticla, vidul, apa deionizata etc.).

O valoare a conductivitații electrice intre cea a conductorilor și cea a izolatorilor o au semiconductorii. Adesea conductivitatea semiconductorilor poate fi ajustata in limite largi, atit permanent prin procesul de fabricație, de obicei prin dopare, cit și dinamic prin aplicarea unor cimpuri electrice exterioare, prin variația temperaturii, priniluminare, prin expunere la radiație ionizanta etc.

҉ Materiale electroizolante

Materialele electroizolante prezinta o rezistivitate electrica ρ cu valori cuprinse intre 10⁸ și 10¹⁸ [Ω cm]. Oricare dintre proprietațile electrice și neelectrice ale materialelor electroizolante poate servi drept criteriu de clasificare a acestor. S-au impus totuși criteriile cu caracter general cum sunt: natura chimica, starea de agregare, stabilitatea termica, forma și caracteristica esențiala a materialelor componente la care se mai adauga eventual, starea finala și transformarile necesare pentru obținerea produsului finit. Astfel, dupa natura lor chimica, materialele electroizolante se pot clasifica in materiale organice, anorganice și siliconice. Materialele de natura organica prezinta proprietați electroizolante foarte bune, avand insa o rezistența redusa la solicitarile termice și mecanice. Materialele de natura anorganica (marmura, azbestul etc.) au o comportare inversa materialelor organice. Materialele de natura siliconica imbina in mod favorabil cele mai bune proprietați ale materialelor organice și anorganice. Luand in considerare starea de agregare a materialelor electroizolante vom distinge materiale: solide, lichide și gazoase. Folosind drept criteriu de clasificare stabilitatea termica, materialele electroizolante se impart in clase de izolație și au caracteristica comuna temperatura maxima la care pot fi utilizate timp indelungat. Pentru determinarea stabilitații termice, pe langa temperatura, se pot utiliza și marimi electrice (constante de material) ca de exemplu scaderea rigiditații dielectrice cu creșterea temperaturii, marimi fizice sau marimi mecanice. O clasa de izolație cuprinde materialele care au o stabilitate termica comparabila, la o temperatura de serviciu data. Clasificarea materialelor in clase de izolație este in prezent nesatisfacatoare deoarece se refera la grupe de materiale ce pot intra in constituția unui sistem de izolație, dar nu ofera posibilitatea alegerii unui material pentru condițiile impuse de un anumit scop sau loc de utilizare. Ca urmare este cautat un alt criteriu de clasificare a materialelor adoptat de CEI (Comisia Electronica Internaționala). Aceasta clasificare cuprinde in fiecare grupa materiale de aceeași forma și stare finala, care necesita pentru utilizare același mod de prelucrare. Din punctul de vedere al proprietaților lor electrice, materialele semiconductoare se situeaza intre materialele conductoare și materialele electroizolante.

҉  Materiale semiconductoare

Materialele semiconductoare au o rezistivitate electrica ρ cuprinsa in intervalul (10^-3÷10¹⁰)[Ω cm]. Caracteristicile de baza ale materialelor semiconductoare sunt urmatoarele: - rezistivitatea materialelor semiconductoare variaza neliniar cu temperatura; rezistivitatea lor scade odata cu creșterea temperaturii; -prin suprafața de contact intre 2 semiconductori sau un semiconductor cu un metal, conducția electrica este unilaterala; -natura purtatorilor de sarcina dintr-un semiconductor depinde de natura impuritaților existente in semiconductor. Materialele semiconductoare se pot clasifica, la randul lor, dupa mai multe criterii. Astfel dupa gradul de puritate distingem: - Semiconductori intriseci. Aceștia sunt perfect puri și au o rețea cristalina perfect simetrica; - Semiconductori extrinseci. Aceștia sunt impurificați și natura conductibilitații lor depinde de natura impuritaților. Dupa felul impuritaților pe care le conțin, semiconductorii extrinseci pot fi: donori, daca impuritatea are valența mai mare decat cea a semiconductorului; acceptori, daca impuritatea are valența mai mica decat cea a semiconductorului.

҉  Materiale conductoare

Materialele conductoare au o rezistivitate care nu depașește 10^-5÷10^-3[Ω cm]. Dupa natura conductibilitații electrice materialele conductoare se pot clasifica in:

Materiale conductoare de ordinul I. Aceste materiale prezinta o conductibilitate de natura electronica, rezistivitatea lor crește odata cu creșterea temperaturii, iar sub acțiunea curentului electric ele nu sufera modificari de structura. Materialele conductoare de ordinul I sunt metale in stare solida și lichida. Daca luam in considerare valoarea conductivitații lor, materialele conductoare de ordinul I se pot imparți in:

--materiale de mare conductivitate, cum sunt: Ag, Cu, Al, Fe, Zn, PB, Sn etc. --materiale de mare rezistivitate, care sunt formate de obicei din aliaje și se utilizeaza pentru rezistențe electrice, elemente de incalzire electrica, instrumente de masura etc.

Materiale conductoare de ordinul II. Aceste materiale prezinta o conductibilitatea de natura ionica, rezistivitatea lor scade odata cu creșterea temperaturii, iar sub acțiunea curentului electric ele sufera transformari chimice. Din categoria materialelor conductoare de ordinul II fac parte sarurile in stare solida sau lichida, soluțiile bazice sau acide, soluțiile de saruri (deci toți electroliții).

Dispozitive electrice pasive

1.   Capacitatea electrica reprezinta proprietatea corpurilor conductoare de a acumula o sarcina electric ape ele iar dispozitivul care exploateaza aceasta capacitate se numeste condensator.

Un condensator este un dispozitiv electric pasiv ce inmagazineaza energie sub forma unui camp electric intre doua armaturi incarcate cu o sarcina electrica egala, dar de semn opus. Acesta mai este cunoscut si sub denumirea de capacitor. Unitatea de masura, in sistemul internațional, pentru capacitatea electrica este faradul (notat F).

2. Rezistenta electrica. Rezistorul  ( orice conductor sau semiconductor se opune trecerii curentului prin el datorita ciocnirilor purtatorilor electrici liberi cu reteaua cristalina

Dupa materialul folosit, se realizeaza: rezistoare din metale sau aliaje metalice (fire sau benzi); rezistoare peliculare cu carbon, (pelicule depuse pe un suport izolat); rezistoare cu pelicula de metal-oxid; rezistoare cu lichid, bazate pe rezistența unui strat de lichid intre doua placi metalice cufundate in lichid.

Un rezistor variabil este un rezistor a carui rezistența electrica poate fi ajustata prin deplasarea mecanica a unui contact (cursor) electric intermediar; cel mai adesea rezistoarele de acest tip au trei terminale: capetele rezistorului (intre care rezistența este maxima și constanta) și conexiunea la contactul mobil(cursor). Daca contactul mobil nu face punct comun cu unul din capete, atunci uzual se vorbește despre 'un potențiometru', care este un divizor variabil de tensiune.

3. Inductanta. Bobina este lagata de proprietatea de autoinductie a circuitelor electrice.

O bobina este un dispozitiv electric pasiv folosit in circuitele electrice pentru inductanța sa.

Bobina se realizeaza prin infașurarea unui conductor (in general cupru) pe un miez. Acest miez poate fi feromagnetic, in acest caz bobina avand inductanța mare, sau poate fi neferomagnetic, sau chiar sa lipseasca (miezul fiind aer), in acest caz bobina avand inductanța scazuta. In curent alternativ o bobina prezinta o reactanța inductiva, dependenta de frecvența curentului alternativ.

Proprietatea caracteristica bobinei este inductanța (masurata in henry, H) care este o marime fizica egala cu raportul dintre fluxul magnetic stabilit printr-un circuit de curentul care trece prin el și intensitatea curentului respectiv. O variație a curentului produce o variație a fluxului magnetic care la randul sau produce forța electromotoare ce incearca sa se opuna variației curentului.