Materiali impiegati in elettrotecnica

L’elettrotecnica classifica i vari materiali impiegati in base alle loro attitudini nei confronti dei fenomeni elettrici e magnetici. Per quanto concerne la conducibilità elettrica, i corpi sono suddivisi in conduttori o isolanti (o dielettrici).
Questa classificazione si fonda sul diverso comportamento dei materiali sotto l’azione dei campi elettrici. Infatti, a differenza di quanto avviene nei dielettrici, una differenza di potenziale applicata fra due punti di un corpo conduttore origina uno spostamento di cariche elettriche tendente ad annullarla. Nei dielettrici, invece, una differenza di potenziale applicata tra due zone superficiali dello stesso corpo genera uno stato di polarizzazione dielettrica che non implica un vero e proprio trasporto di cariche.
I conduttori metallici (esistono anche conduttori di “seconda classe”, come gli elettroliti) mostrano una correlazione tra conducibilità termica e conducibilità elettrica espressa, nei metalli, dalla legge di Wiedemann–Franz:
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Ciò è rilevante pensando all’effetto Joule: se ad un’elevata conducibilità elettrica non corrispondesse una sufficiente conducibilità termica, l’innalzamento di temperatura limiterebbe lo sfruttamento del materiale.
Negli impianti industriali i materiali più usati come conduttori sono, tra i metalli, il rame e l’alluminio e, tra i non metallici, il carbone e la grafite.
Per le linee elettriche e gli avvolgimenti delle macchine è particolarmente indicato il rame, “in concorrenza” con l’alluminio. Anche l’alluminio è valido: la sua resistività, superiore a quella del rame (circa il doppio), è compensata dal più basso peso specifico e dal costo minore. A parità di resistenza, un conduttore di alluminio ha una sezione pressoché doppia di uno di rame, ma pesa circa il 40% in meno e quindi può costare meno.
Il vantaggio del minor peso è sensibile soprattutto per le linee sospese, nelle quali il peso del conduttore grava sui sostegni. Per linee aeree lunghe si impiegano corde di alluminio con anima d’acciaio (per gli sforzi meccanici). Nelle macchine elettriche, sostituire il rame con l’alluminio può essere penalizzante per gli ingombri: la maggiore sezione richiesta dall’alluminio riduce la compattezza, spesso prioritaria per i costruttori.
Carbone e grafite sono impiegati in molte parti di macchine e apparecchi elettrici come conduttori (es. spazzole striscianti): la loro relativa morbidezza limita l’usura rispetto al contatto metallo–metallo.
L’argento, più “nobile” del rame e meno soggetto agli agenti esterni, ha impieghi limitati per l’elevato costo.
Nel progettare macchine o impianti, è utile avere tabelle con diametri, sezioni, pesi, conduttività, ecc. Un esempio è riportato nella Tabella 1 (valori tipici; resistenza a 20 °C).

Ritornando al confronto fra materiali conduttori e isolanti, ricordiamo che tutti i corpi sono più o meno conduttori: non vi è un limite netto di separazione della resistività tra conduttori e isolanti; esiste una gamma continua di valori, dai migliori conduttori ai migliori dielettrici.
I conduttori ideali avrebbero resistività nulla e i dielettrici ideali resistività infinita. Nella realtà, anche nei dielettrici sottoposti a campo elettrico, oltre alla polarizzazione, è presente (in minima parte) la conduzione.
Le differenze di resistività derivano dalla struttura atomico–molecolare. Nei metalli (eccetto carbone ed elettroliti) la resistività aumenta con la temperatura; in molti dielettrici la tendenza è opposta.
La funzione degli isolanti è complementare a quella dei conduttori: senza materiali ad altissima resistività (isolanti) non si potrebbero costruire macchine/apparecchi né linee elettriche.
Poiché gli isolanti tollerano peggio il riscaldamento rispetto ai conduttori, la potenza ricavabile da una macchina è spesso limitata dalla sollecitazione termica sugli isolanti. Da qui la suddivisione in classi di isolamento: a ciascuna classe corrisponde una sovratemperatura ammissibile. Vedi Tabella 2. In letteratura moderna si trovano anche le temperature di classe (IEC/CEI 60085), riportate in Tabella 2-bis, che si ottengono sommando alla temperatura ambiente la sovratemperatura ammessa.

Per i fenomeni magnetici, i materiali sono detti diamagnetici quando hanno permeabilità relativa minore di 1, paramagnetici quando hanno permeabilità poco maggiore di 1. L’effetto magnetico è debole in entrambi i casi.
Spiccate attitudini magnetiche hanno il ferro e le sue leghe (e, in misura minore, nichel e cobalto): materiali ferromagnetici, che oltre a magnetizzarsi molto conservano parte del magnetismo (isteresi). Nella costruzione di macchine/apparati elettrici si usano materiali massici e laminati.
I materiali massicci (ferro, acciaio fuso o fucinato, ghisa) si usano solo con flussi magnetici sostanzialmente costanti; per flussi variabili si impiegano lamierini sottili (tipicamente 0,5 o 0,35 mm) per limitare le perdite per correnti parassite di Foucault. I lamierini possono essere ordinari o speciali.
Alla prima categoria appartengono i lamierini normali e quelli al silicio (tenore variabile). Un parametro chiave è la cifra di perdita (W/kg a 50 Hz per un’ampiezza di induzione specificata), che misura le perdite (isteresi + parassite).
Essa è definita come la potenza totale assorbita di 1 kg di materiale magnetico (lamierini) sottoposto a magnetizzazione ciclica simmetrica con induzione variabile sinusoidalmente alla frequenza di 50 Hz e con l’ampiezza di 1 Wb/m²
Alcuni valori esemplificativi sono riportati nella Tabella 3.

Oltre a questi, si usano anche lamierini non legati (spessore tipico 0,5 mm; in alcuni casi 1–2 mm). Pur avendo cifra di perdita più alta (2 ÷ 3,6 W/kg), sono diffusi nei circuiti magnetici delle macchine elettriche rotanti per la maggiore lavorabilità e permeabilità rispetto ai lamierini al silicio.
Alla seconda categoria (lamierini speciali) appartengono i lamierini a cristalli orientati (GO, particolarmente adatti ai trasformatori, con perdite minime lungo la direzione di laminazione e forniti in rotoli) e quelli ad alta permeabilità iniziale (leghe Fe–Ni con eventuali aggiunte di Mn, Co, Cr, Cu, Mo) che raggiungono permeabilità elevate alle basse induzioni (in alcuni tipi μ_r ≈ 80.000).
Formati commerciali tipici dei lamierini: 1000×2000, 800×1600, 800×3200 mm.

Conclusioni. La scelta dei materiali in elettrotecnica nasce dall’equilibrio tra proprietà elettriche, termiche e meccaniche, costi e lavorabilità. Rame, alluminio, isolanti di classe adeguata e lamierini a bassa perdita consentono prestazioni elevate e affidabilità nel tempo.