Conduttori e Isolanti

Perché il rame trasporta l’elettricità mentre la plastica la blocca?

Conduttori e isolanti sono materiali che si comportano in modo molto diverso nei confronti della corrente elettrica.

Un semplice caricabatterie del cellulare contiene entrambi questi materiali.

Se lo tagliassimo a metà, troveremmo due materiali completamente diversi.

All’interno ci sarebbe un sottile filo di rame.

All’esterno uno strato di plastica.

Il rame trasporta l’energia elettrica dalla presa al dispositivo.

La plastica, invece, impedisce che quella stessa energia raggiunga le nostre mani.

Eppure sia il rame sia la plastica sono costituiti da atomi contenenti protoni ed elettroni.

Perché allora si comportano in modo così diverso?

La risposta si trova nel modo in cui gli elettroni sono organizzati all’interno della materia.

Il segreto nascosto negli elettroni più esterni degli atomi

Per capire perché alcuni materiali conducono l’elettricità e altri no, dobbiamo fare un breve viaggio all’interno dell’atomo.

La risposta non dipende dal numero di elettroni presenti.

Dipende da quanto essi siano liberi di muoversi.

Tutto ruota attorno a una particolare categoria di elettroni: quelli più esterni.

Ogni materiale è formato da atomi. Gli atomi, a loro volta, sono costituiti da un nucleo positivo, formato da protoni e neutroni, e da elettroni negativi che si trovano attorno al nucleo.

Gli elettroni più esterni sono detti elettroni di valenza. Essi determinano molte proprietà elettriche dei materiali.

In alcuni materiali questi elettroni sono debolmente legati agli atomi e possono muoversi con una certa libertà. In altri materiali, invece, sono fortemente legati e non riescono a spostarsi facilmente.

Che cosa sono i conduttori?

I conduttori sono materiali nei quali le cariche elettriche possono muoversi facilmente.

I principali conduttori sono i metalli, come:

• rame;
• alluminio;
• argento;
• oro;
• ferro.

Nei metalli alcuni elettroni non appartengono rigidamente a un singolo atomo, ma possono muoversi all’interno del materiale. Per questo motivo vengono spesso chiamati elettroni liberi.

Perché il rame conduce? Il mare di elettroni

Se osservassimo un filo di rame con un microscopio straordinariamente potente, vedremmo miliardi di atomi disposti in una struttura ordinata chiamata reticolo cristallino.

La vera particolarità dei metalli, però, non è la disposizione degli atomi.

Il segreto si trova nei loro elettroni più esterni.

Negli atomi di rame questi elettroni sono trattenuti relativamente debolmente.

Quando molti atomi si uniscono per formare il metallo, gli elettroni di valenza non appartengono più a un singolo atomo ma diventano condivisi dall’intero materiale.

Immagina una grande piazza piena di persone.

Se ogni persona fosse legata alla propria sedia, nessuno potrebbe spostarsi.

Ora immagina invece una piazza completamente libera.

Basta una piccola spinta e molte persone iniziano immediatamente a muoversi.

Questo è ciò che accade nei metalli.

Gli elettroni sono già pronti a muoversi.

Serve soltanto una forza che li metta in moto.

Questa forza è generata dal campo elettrico prodotto da una differenza di potenziale.

Che cosa sono gli isolanti?

Gli isolanti sono materiali nei quali le cariche elettriche non possono muoversi liberamente.

Sono esempi di isolanti:

• plastica;
• gomma;
• vetro;
• ceramica;
• legno secco;
• aria secca.

Negli isolanti gli elettroni sono fortemente legati agli atomi o alle molecole. Per questo motivo non riescono a spostarsi liberamente da una parte all’altra del materiale.

Conduttori e isolanti: differenze e confronto

Proprietà	Conduttori	Isolanti
Movimento delle cariche	Facile	Molto difficile
Elettroni liberi	Presenti	Assenti o quasi
Esempi	Rame, alluminio, argento	Plastica, vetro, gomma
Uso pratico	Fili elettrici	Rivestimenti protettivi

La resistività elettrica: ogni materiale si oppone in modo diverso alla corrente

Non tutti i conduttori conducono allo stesso modo.

Il rame, per esempio, conduce molto meglio del ferro. Il vetro, invece, si oppone enormemente al passaggio della corrente.

Per descrivere questa proprietà si usa una grandezza fisica chiamata resistività elettrica, indicata con la lettera greca ρ.

La resistività misura quanto un materiale si oppone al passaggio della corrente elettrica.

La resistenza di un filo dipende non solo dal materiale, ma anche dalla sua forma.

dove:

• R è la resistenza elettrica;
• ρ è la resistività del materiale;
• L è la lunghezza del filo;
• S è la sezione del filo.

Questa formula ci dice una cosa molto intuitiva: un filo più lungo oppone maggiore resistenza, mentre un filo più spesso oppone minore resistenza.

Per questo motivo i cavi che devono trasportare correnti elevate hanno una sezione maggiore.

Confronto tra le resistività di alcuni materiali

La resistività varia enormemente da un materiale all’altro.

I metalli possiedono valori molto piccoli e sono quindi ottimi conduttori, mentre gli isolanti presentano valori enormemente maggiori.

Materiale	Resistività ρ (Ω·m)	Comportamento
Argento	1,59 × 10-8	Ottimo conduttore
Rame	1,68 × 10-8	Ottimo conduttore
Oro	2,44 × 10-8	Ottimo conduttore
Alluminio	2,82 × 10-8	Buon conduttore
Ferro	1,0 × 10-7	Conduttore
Grafite	3,5 × 10-5	Conduttore non metallico
Vetro	1010 – 1014	Isolante
Gomma	1013 – 1016	Ottimo isolante

Perché i fili elettrici hanno una parte metallica e una parte isolante?

Un filo elettrico è formato generalmente da un nucleo metallico, spesso di rame, rivestito da plastica o gomma.

Il rame serve a far passare la corrente elettrica, perché è un ottimo conduttore. Il rivestimento esterno serve invece a impedire il contatto diretto con il metallo e a proteggere le persone da possibili scosse elettriche.

Applicazioni pratiche

La distinzione tra conduttori e isolanti è fondamentale in moltissime applicazioni:

• impianti elettrici domestici;
• cavi elettrici;
• circuiti elettronici;
• isolatori delle linee ad alta tensione;
• dispositivi di protezione;
• schermature elettromagnetiche;
• touchscreen e sensori capacitivi.

I materiali nella vita quotidiana

Ogni oggetto elettrico che usiamo ogni giorno è progettato combinando sapientemente materiali conduttori e materiali isolanti.

Il conduttore permette alla corrente di passare dove serve.

L’isolante impedisce alla corrente di arrivare dove sarebbe pericolosa.

Oggetto	Parte conduttrice	Parte isolante
Cavo elettrico	Rame interno	Rivestimento in plastica
Presa di corrente	Contatti metallici	Corpo in materiale plastico
Cacciavite isolato	Punta in acciaio	Manico isolante
Linea ad alta tensione	Cavi metallici	Isolatori in vetro o ceramica
Smartphone	Circuiti metallici microscopici	Vetro, plastiche e strati isolanti interni

Esistono anche i cattivi conduttori

Non tutti i materiali possono essere classificati semplicemente come conduttori o isolanti perfetti.

Esistono infatti sostanze che lasciano passare la corrente elettrica, ma con una certa difficoltà.

Questi materiali vengono talvolta chiamati cattivi conduttori.

Sono esempi di cattivi conduttori:

• acqua di rubinetto;
• corpo umano;
• terreno umido;
• grafite;
• soluzioni saline.

La loro conducibilità dipende spesso dalla presenza di ioni o di impurità.

Esperimento guidato: quali materiali conducono l’elettricità?

Un semplice esperimento permette di distinguere facilmente i materiali conduttori da quelli isolanti.

Materiale occorrente

• una pila da 4,5 V;
• una piccola lampadina;
• due fili elettrici;
• una graffetta metallica;
• una moneta;
• un cucchiaino metallico;
• una matita (mina di grafite);
• un pezzo di legno secco;
• un pezzo di gomma;
• un pezzo di plastica.

Procedura

Costruisci un semplice circuito formato da pila, lampadina e fili.

Inserisci di volta in volta il materiale da esaminare tra le due estremità del circuito.

Se la lampadina si accende significa che il materiale permette il passaggio della corrente elettrica.

Se invece la lampadina rimane spenta, il materiale è isolante oppure conduce molto poco.

Il segreto nascosto nelle bande di energia

A livello atomico, la differenza tra conduttori, isolanti e semiconduttori può essere compresa grazie alla teoria delle bande di energia.

Negli atomi isolati gli elettroni possono occupare soltanto determinati livelli energetici.

Quando però miliardi di atomi si uniscono per formare un solido, questi livelli energetici si trasformano in bande.

Le due bande più importanti sono:

• banda di valenza, occupata dagli elettroni legati agli atomi;
• banda di conduzione, nella quale gli elettroni possono muoversi liberamente attraverso il materiale.

Tra queste due bande può esistere una regione proibita, detta gap energetico, nella quale gli elettroni non possono trovarsi.

Conduttori

Nei metalli la banda di valenza e quella di conduzione si sovrappongono oppure sono molto vicine.

Per questo motivo gli elettroni possono muoversi facilmente e la corrente elettrica può circolare senza difficoltà.

Isolanti

Negli isolanti il gap energetico è molto ampio.

Gli elettroni rimangono quindi confinati nella banda di valenza e non riescono a raggiungere la banda di conduzione.

Semiconduttori

Nei semiconduttori il gap energetico è relativamente piccolo.

Una piccola quantità di energia, fornita dal calore, dalla luce o dal drogaggio, può permettere agli elettroni di passare nella banda di conduzione.

I semiconduttori: i materiali che hanno cambiato il mondo

Tra i conduttori e gli isolanti esiste una categoria di materiali dalle proprietà davvero straordinarie: i semiconduttori.

A prima vista essi sembrano comportarsi quasi come isolanti, perché in condizioni normali lasciano passare la corrente elettrica molto meno dei metalli. Tuttavia, la loro capacità di condurre può essere modificata variando la temperatura, illuminandoli con la luce oppure introducendo piccolissime quantità di altri elementi chimici mediante un processo chiamato drogaggio.

Questa caratteristica rende i semiconduttori materiali unici, capaci di comportarsi in maniera diversa a seconda delle condizioni.

Il semiconduttore più importante è il silicio, uno degli elementi più abbondanti presenti sulla Terra. Dal silicio vengono realizzati i componenti fondamentali dell’elettronica moderna.

Grazie alle straordinarie proprietà di questo materiale è stato possibile costruire i transistor, minuscoli dispositivi in grado di funzionare come interruttori elettronici estremamente veloci.

I transistor rappresentano una delle invenzioni più importanti della storia dell’umanità.

Milioni, e oggi addirittura miliardi, di transistor possono essere integrati all’interno di un singolo microchip, dando origine ai microprocessori che controllano i computer, gli smartphone, le automobili, i satelliti, i sistemi di telecomunicazione e moltissimi altri dispositivi.

Anche i pannelli fotovoltaici sfruttano le proprietà dei semiconduttori per trasformare direttamente l’energia luminosa del Sole in energia elettrica.

In altre parole, gran parte della tecnologia moderna esiste grazie a questi materiali apparentemente semplici, ma dotati di proprietà straordinarie.

I superconduttori: quando la resistenza elettrica scompare

Esiste una categoria di materiali ancora più sorprendente dei semiconduttori: i superconduttori.

Quando vengono portati a temperature estremamente basse, alcuni materiali acquistano proprietà straordinarie e la loro resistenza elettrica diventa praticamente nulla.

In queste condizioni la corrente elettrica può circolare senza dissipare energia sotto forma di calore.

Grazie a questa proprietà è possibile generare correnti molto intense e campi magnetici estremamente potenti.

I superconduttori trovano applicazione in numerosi settori della scienza e della tecnologia.

Alcune applicazioni dei superconduttori

• risonanza magnetica (RMN);
• acceleratori di particelle;
• treni a levitazione magnetica (Maglev);
• reattori sperimentali per la fusione nucleare;
• strumenti scientifici ad altissima sensibilità.

La polarizzazione degli isolanti

Anche se negli isolanti le cariche non possono muoversi liberamente attraverso tutto il materiale, esse possono comunque spostarsi leggermente all’interno degli atomi o delle molecole.

Quando un isolante viene posto in un campo elettrico, le cariche positive e negative possono separarsi di pochissimo. Questo fenomeno si chiama polarizzazione.

Il materiale rimane complessivamente neutro, ma al suo interno si formano tanti piccoli dipoli elettrici.

Conduttori in equilibrio elettrostatico

Un conduttore si dice in equilibrio elettrostatico quando le cariche al suo interno non si muovono più in modo ordinato.

In questa situazione valgono alcune proprietà fondamentali:

• il campo elettrico all’interno del conduttore è nullo;
• le cariche in eccesso si distribuiscono sulla superficie esterna;
• il potenziale elettrico è lo stesso in tutti i punti del conduttore;
• il campo elettrico sulla superficie è perpendicolare alla superficie stessa.

La gabbia di Faraday

Una delle conseguenze più sorprendenti delle proprietà dei conduttori in equilibrio elettrostatico è la cosiddetta gabbia di Faraday, un principio scoperto dal fisico inglese Michael Faraday nel XIX secolo.

Una gabbia di Faraday è una struttura conduttrice che protegge il suo interno dai campi elettrici esterni.

Quando un campo elettrico agisce su un conduttore, le cariche elettriche si distribuiscono rapidamente sulla sua superficie esterna.

Di conseguenza, all’interno del conduttore il campo elettrico risulta praticamente nullo.

Questo significa che tutto ciò che si trova all’interno della struttura rimane protetto dalle azioni dei campi elettrici esterni.

In altre parole, la corrente elettrica rimane confinata sulla superficie esterna e non penetra nella regione interna.

Questo fenomeno, apparentemente semplice, è alla base di numerose applicazioni tecnologiche e rappresenta una delle più importanti conseguenze delle proprietà dei conduttori.

Applicazioni della gabbia di Faraday

Il principio della gabbia di Faraday trova applicazione in moltissimi ambiti della vita quotidiana e della tecnologia moderna.

🚗 L’automobile durante un temporale

Quando un’automobile viene colpita da un fulmine, la corrente elettrica scorre principalmente sulla carrozzeria metallica e si distribuisce sulla superficie esterna.

Per questo motivo, gli occupanti risultano generalmente protetti. La carrozzeria dell’automobile si comporta infatti come una grande gabbia di Faraday.

✈️ Gli aerei e i fulmini

Gli aerei vengono colpiti dai fulmini abbastanza frequentemente.

La fusoliera metallica permette però alle cariche elettriche di scorrere sulla superficie esterna, proteggendo passeggeri e apparecchiature di bordo.

📺 Il forno a microonde

La rete metallica presente sullo sportello del forno a microonde impedisce alle onde elettromagnetiche di uscire verso l’esterno.

In questo modo il cibo può essere riscaldato in sicurezza, mentre chi si trova all’esterno rimane protetto.

⚡ Perché gli uccelli non prendono la scossa sui cavi dell’alta tensione?

Un uccello appoggiato su un singolo filo dell’alta tensione si trova con entrambe le zampe praticamente allo stesso potenziale elettrico.

Non esiste quindi una differenza di potenziale significativa attraverso il suo corpo e la corrente non ha motivo di attraversarlo.

Il pericolo nascerebbe se l’animale toccasse contemporaneamente due fili a tensione diversa oppure un filo e il terreno.

📡 La schermatura elettromagnetica

Cavi schermati, sale schermate e contenitori metallici vengono utilizzati per proteggere strumenti elettronici e dispositivi sensibili dalle interferenze elettromagnetiche.

Lo sapevi che? Perché alcuni muli morivano mentre altri animali sopravvivevano?

Nelle zone montane dell’Appennino, e in particolare in alcune aree dell’Aquilano, si verificò per anni un fenomeno apparentemente misterioso.

Animali diversi attraversavano normalmente certe zone vicine a linee elettriche e tralicci.

Pecore.

Cani.

Volpi.

Tutto sembrava normale.

Eppure, in alcune circostanze, i muli morivano improvvisamente.

Come era possibile?

Un mistero che sembrava inspiegabile

Gli animali non toccavano direttamente i cavi elettrici.

Non c’erano fili scoperti all’altezza del loro corpo.

Non si osservavano scintille.

Eppure alcuni muli venivano folgorati.

Per anni il fenomeno apparve difficile da interpretare.

Sembrava quasi che l’elettricità agisse in maniera misteriosa.

La scoperta

Studiando il problema si comprese che il pericolo non proveniva dal contatto diretto con una linea elettrica.

Il problema era la presenza di differenze di potenziale nel terreno.

In alcune situazioni una corrente dispersa poteva creare zone del suolo a tensioni leggermente diverse.

Quando il mulo appoggiava le zampe anteriori e posteriori in due punti del terreno separati da una certa distanza, tra le zampe poteva esistere una differenza di potenziale sufficiente a far circolare corrente attraverso il corpo.

Il suo organismo diventava così una sorta di conduttore che chiudeva il circuito.

L’elettricità, quindi, non attraversava l’animale perché esso toccava direttamente un cavo elettrico, ma perché le sue zampe si trovavano in punti del terreno aventi potenziali differenti.

Perché proprio i muli?

La spiegazione è sorprendentemente semplice.

I muli possiedono un passo relativamente lungo.

Maggiore è la distanza tra le zampe, maggiore può essere la differenza di potenziale tra i punti del terreno con cui esse sono in contatto.

Di conseguenza aumenta anche la corrente elettrica che può attraversare il corpo dell’animale.

Animali più piccoli, con zampe molto più vicine tra loro, risultavano spesso meno esposti al fenomeno.

In altre parole, non era il mulo in sé ad essere più vulnerabile, ma la maggiore distanza tra i punti di contatto con il terreno.

Paradossalmente, proprio le caratteristiche che rendono il mulo un animale forte e adatto ai percorsi montani potevano trasformarlo, in particolari circostanze, in una vittima della tensione di passo.

Lo stesso problema può verificarsi con i fulmini

La tensione di passo non riguarda soltanto gli animali.

Lo stesso fenomeno può verificarsi quando un fulmine colpisce il terreno.

In seguito all’impatto, la corrente elettrica si disperde radialmente nel suolo, dando origine a zone che si trovano a potenziali elettrici differenti.

Di conseguenza, due punti del terreno anche relativamente vicini possono trovarsi a tensioni diverse.

Una persona o un animale che si trovi nelle vicinanze del punto di impatto può quindi essere attraversato da corrente elettrica anche senza essere stato colpito direttamente dal fulmine.

Per questo motivo, durante un temporale, è importante allontanarsi con cautela dal punto in cui è caduto un fulmine ed evitare di correre a grandi falcate, poiché una maggiore distanza tra i piedi può aumentare la differenza di potenziale e quindi la corrente che attraversa il corpo.

🧠 Mini Quiz

▶ Mostra la soluzione

 

La risposta corretta è C) Il cavallo.

La corrente attraversa un corpo quando esiste una differenza di potenziale tra due punti.

Poiché il cavallo ha una distanza molto maggiore tra gli arti anteriori e quelli posteriori, la differenza di potenziale tra i punti del terreno può essere più elevata.

Di conseguenza, anche la corrente che attraversa il suo corpo può essere maggiore.

Un passero, invece, appoggia entrambe le zampe molto vicine tra loro e si trova praticamente allo stesso potenziale.

Cosa ci insegna questa storia?

La vicenda dei muli dell’Appennino ci mostra ancora una volta una delle idee più importanti dell’elettricità.

Non è sufficiente conoscere il valore assoluto della tensione.

Ciò che conta realmente è la differenza di potenziale tra due punti del corpo.

È proprio questa differenza di potenziale che può mettere in movimento le cariche elettriche e permettere il passaggio della corrente.

Per questo motivo un animale con le zampe molto distanti può risultare più esposto rispetto a un animale più piccolo.

Ed è per la stessa ragione che gli uccelli possono posarsi tranquillamente su un filo dell’alta tensione senza subire danni: entrambe le zampe si trovano praticamente allo stesso potenziale elettrico.

La storia dei muli rappresenta quindi un esempio straordinario di come un fenomeno apparentemente misterioso possa essere spiegato grazie alle leggi della fisica.

Tabella delle osservazioni

Materiale	Lampadina	Conclusione
Moneta	Accesa	Conduttore
Graffetta	Accesa	Conduttore
Gomma	Spenta	Isolante
Legno secco	Spenta	Isolante

Collegamento con l’induzione elettrostatica

Lo studio dei conduttori e degli isolanti è essenziale per comprendere il fenomeno dell’induzione elettrostatica.

Nei conduttori, infatti, gli elettroni liberi possono spostarsi facilmente quando si avvicina un corpo carico.

Negli isolanti, invece, le cariche non possono muoversi liberamente, ma possono polarizzarsi leggermente.

In sintesi

• I conduttori permettono il movimento delle cariche elettriche.
• Gli isolanti ostacolano il movimento delle cariche.
• Nei metalli sono presenti elettroni liberi.
• Nei materiali isolanti gli elettroni sono fortemente legati.
• I semiconduttori hanno proprietà intermedie e sono fondamentali nell’elettronica.
• Gli isolanti possono polarizzarsi in presenza di un campo elettrico.
• Nei conduttori in equilibrio elettrostatico il campo interno è nullo.
• I superconduttori, a temperature molto basse, possono presentare resistenza elettrica praticamente nulla.

Dai fili di rame all’Intelligenza Artificiale

A prima vista, distinguere un conduttore da un isolante potrebbe sembrare una semplice curiosità scientifica.

In realtà, dietro questa distinzione si nasconde uno dei principi fondamentali della fisica della materia e una delle chiavi che hanno permesso all’umanità di costruire il mondo tecnologico moderno.

Nei metalli gli elettroni possono muoversi liberamente e trasportare energia elettrica.

Negli isolanti, invece, gli elettroni sono fortemente legati agli atomi e ostacolano il passaggio della corrente.

Tra questi due estremi si collocano i semiconduttori, materiali straordinari che hanno reso possibile la nascita dei transistor, dei circuiti integrati e dei microprocessori.
Grazie ai semiconduttori è stato possibile costruire computer sempre più potenti, smartphone, satelliti, sistemi di telecomunicazione, robot, automobili elettriche e una quantità immensa di dispositivi che fanno ormai parte della nostra vita quotidiana.

Anche le moderne reti neurali artificiali e i sistemi di Intelligenza Artificiale, capaci di elaborare enormi quantità di dati e di svolgere compiti sempre più complessi, esistono grazie a miliardi di transistor che lavorano in perfetta sincronia all’interno dei microprocessori.

Tutto questo nasce da una domanda apparentemente semplice:

Perché il rame conduce l’elettricità mentre la plastica la blocca?

La risposta a questa domanda ci conduce in un viaggio straordinario, che parte dagli elettroni e arriva fino alle tecnologie più avanzate mai realizzate dall’uomo.

Comprendere il comportamento delle cariche elettriche nella materia significa, in fondo, comprendere uno dei linguaggi fondamentali con cui è scritto il mondo moderno.