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I materiali usati in Elettronica ed elettrotecnica si dividono in :
Le principali caratteristiche elettriche dei materiali sono:
Resistività ρ = esprime la capacità di un materiale di opporsi al passaggio della corrente quando è sottoposto ad una differenza di potenziale.
Il suo valore è influenzato dalla temperatura e la relazione che lega la resistività alla resistenza è: ρ=R*A/L
A=area della superficie
L= lunghezza
εr= C/Co
Il suo valore è sempre >=1 e rappresenta ,quindi, la proprietà del materiale ad immagazzinare energia elettrostatica.
La rigidità dielettrica rappresenta il rapporto tra la tensione di scarica e lo spessore del materiale. Si esprime in KV/cm e indica il massimo campo elettrico che può essere sopportato dal materiale senza che si manifesti la scarica. Diminuisce all'aumentare della temperatura.
I valori dell'angolo di perdita dipendono dalla temperatura e dalla frequenza.
Effetto pelle. In corrente alternata , la corrente relativa a un generico conduttore non si distribuisce uniformemente nella sezione del conduttore stesso , come avviene in continua, ma tende prevalentemente in superficie.
Sono materiali che offrono poca resistenza al passaggio di corrente; sono utilizzati per la costruzione delle parti attive di apparecchiature elettroniche , elettriche ed elettromeccaniche.
Sono materiali che impediscono il passaggio della corrente elettrica e sono divise in diverse categorie a seconda della loro struttura e delle loro proprietà. Possono trovarsi nello stato gassoso, liquido o solido.
Le materie plastiche ,dette anche resine sintetiche, si suddividono in :
Gli Elastomeri sono sostanze gommose che possono essere allungate fino ad almeno il doppio della loro lunghezza a riposo e poi tornare nelle loro condizioni iniziali. Sono usate per guarnizioni, elementi ammortizzanti, rivestimenti di cavi, ecc. e si distinguono in gomme naturali e sintetiche.
La Carta viene utilizzata per l'isolamento dei cavi ad alta tensione e come dielettrico nei condensatori. Le sue proprietà dielettriche sono discrete e il suo valore di rigidità dielettrica può essere aumentato impregnandola con oli e miscele.
Il Vetro oltre ad essere un buon isolante , è anche impermeabile ed inattaccabile dagli acidi. La sua conducibilità è piuttosto bassa.
La Mica , costituita da silicati di alluminio e potassio, presenta buone caratteristiche meccaniche ed elettriche anche con tensioni elevate e alte frequenze. Usata , sotto forma di sottili lamelle , come dielettrico nei condensatori è l'elemento base per la realizzazioni delle micaniti e del micalex.
I materiali ceramici sono utilizzati per la costruzione di isolatori, morsetti , supporti di resistenze, come dielettrico nei condensatori ed alcuni esempi sono la porcellana, i composti del titanio e del berillio, la steatite, l' allumina. Le loro caratteristiche sono:
Tra gli isolanti gassosi ricordiamo l'azoto e l'anidride carbonica usati , sotto pressione, come isolanti nei cavi elettrici ad alta tensione ed in alcuni tipi di relè.
Gli isolanti liquidi sono principalmente oli, minerali e sintetici.
Gli oli di tipo fluido sono utilizzati nei trasformatori per dissipare il calore prodotto e negli interruttori di potenza .Gli oli di tipo viscoso sono invece impegnati per impregnare la carta usata come isolante nei cavi elettrici o come dielettrico nei condensatori.
I Semiconduttori
I semiconduttori hanno un comportamento intermedio fra quello dei conduttori e quello degli isolanti. I principali semiconduttori sono : il silicio (Si) , il germanio (Ge) e l' arseniuro di gallio (GaAs).
Negli atomi di Si e di Ge il livello energetico più esterno contiene quattro elettroni e per raggiungere l'ottetto elettronico , tende ad acquistarne altri quattro. Ogni atomo di SI o di Ge mette in compartecipazione i suoi quattro elettroni più esterni formando quattro legami covalenti come si può vedere nella struttura cristallina in cui ogni atomo si lega (mediante i quattro legami covalenti) con altri quattro atomi uguali.
I semiconduttori sono caratterizzati dall'avere una banda proibita relativamente stretta e, già a temperatura ambiente, un certo numero di elettroni salta dalla banda di valenza a quella di conduzione.
Quando un elettrone si libera passando nella banda di conduzione lascia un posto vuoto definito buco o lacuna, che verrà occupato prima o poi da un altro elettrone che passa nelle vicinanze, ripristinando così il legame covalente. Per cui:
In un semiconduttore si ha una continua generazione di coppie elettrone libero - lacuna e contemporaneamente la ricombinazione.
Il numero di coppie può :
La concentrazione delle coppie elettrone-lacune aumenta con l'aumentare della temperatura in quanto la generazione predomina sulla ricombinazione al crescere della temperatura.
Ma l'aumento della generazione fa aumentare anche la ricombinazione per cui si arriva ad un nuovo stato di equilibrio caratterizzato però da una maggiore concentrazione di coppie
Analogamente se facciamo diminuire la temperatura il nuovo stato di equilibrio avrà un minore numero di coppie elettrone-lacune.
L'elettrone libero e la lacuna vengono definiti portatori di carica e possono muoversi all'interno del materiale trasportando con sé la carica elettrica posseduta. (qe=- 1,6 -19 C; qp=+1,6-19 C).
Se l'elettrone si sposta in un senso andando ad occupare posti vuoti , le lacune si postano in senso opposto.
La resistività di un semiconduttore è legata alla concentrazione dei portatori di carica, sia elettroni liberi che lacune; in particolare essa diminuisce con l'aumentare di dette concentrazioni ossia con l'aumentare della temperatura a differenza dei conduttori in cui la resistività aumenta.
Infine, con il termine drogaggio intendiamo l'operazione di aumento della concentrazione di elettroni liberi (drogaggio di tipo n) o delle lacune (drogaggio di tipo p), causando in tal modo una forte diminuzione della resistività del semiconduttore.
Si definisce permeabilità magnetica il rapporto
B B=induzione magnetica
μ=-------
H H=campo magnetico
Essa costituisce un indice delle proprietà magnetiche di un materiale.
Si parlerà di permeabilità relativa
μ μ0=permeabilità del vuoto 4π10-7 [H/m]
μr =-----
μ0
I materiali magnetici si dividono in:
(rame, oro,piombo,argento,ecc..)
(alluminio,tungsteno,titanio,ecc)
μ non è costante ma dipende dalla temperatura e dalle sollecitazioni esterne. Oltre un certo punto (punto di Curie), il materiale perde le sue proprietà e diventa paramagnetico.
(acciaio,leghe ferro-nichel,ferro, Permalloy,ecc)
La curva di prima magnetizzazione e il ciclo di isteresi descrivono il comportamento dei materiali ferromagnetici in quanto forniscono l'andamento dell'induzione B in funzione del campo magnetico H applicato.
Curva di prima magnetizzazione
La curva di prima magnetizzazione indica che per bassi valori di H il materiale, inizialmente smagnetizzato, presenta un'alta inerzia a magnetizzarsi e la permeabilità iniziale μi è relativamente bassa. Al crescere di H , la magnetizzazione si fa più pronta e irreversibile ed il valore di μ cresce fino ad un valore μmax . Per valori di H più elevati , il materiale è completamente ,magnetizzato (zona di saturazione). Raggiunto il valore di saturazione Bs, B cresce linearmente secondo il prodotto μ0H.
Dal ciclo di isteresi si nota invece che , dopo che B ha raggiunto il valore Bs, facendo diminuire H, la curva segue un andamento diverso da quello precedente. In particolare, per il valore di H=0 (campo magnetico nullo) l'induzione non è nulla ma si mantiene ad un valore Br detto induzione residua. Per annullare l'induzione , occorre applicare un campo magnetico negativo, ovvero con direzione opposta al precedente, detto campo coercitvo Hc.
Continuando a rendere sempre più negativo H, si arriva anche in questo caso alla saturazione (-Bs) del materiale.
Il ritorno dalla saturazione negativa a quella positiva avviene con un percorso sostanzialmente simmetrico al precedente. L'area del ciclo di isteresi indica l'energia assorbita dal materiale e dissipata in calore in un ciclo completo di magnetizzazione. Conviene quindi , che il ciclo di isteresi sia il più stretto possibile e la curva di prima magnetizzazione la più ripida possibile (valori di μi e μmax elevati).
Nei materiali magnetici soggetti a campi variabili, le perdite sono imputabili oltre che all'isteresi, anche alle correnti parassite indotte nei materiali stessi. Per limitare queste correnti , i nuclei dei trasformatori vengono realizzati in lamierini sottili elettricamente isolati fra di loro.
I materiali ferromagnetici possono essere suddivisi in:
I materiali ferromagnetici dolci hanno un ciclo di isteresi stretto e basso valore di Hc e vengono usati per realizzare relè, nuclei dei trasformatori, ecc. Ricordiamo.
Ferro. Ad elevato grado di purezza presenta alta permeabilità, ciclo di isteresi stretto, buone caratteristiche magnetiche. La presenza di impurità fa decadere le proprietà magnetiche e ne determina l'invecchiamento.
Acciai al silicio. Presentano resistività più elevata di quella del ferro, ciclo di isteresi molto stretto e sono esenti dal fenomeno dell'invecchiamento.
Leghe ferro-nichel. Presentano ciclo di isteresi molto stretto, alta permeabilità e resistività. Per le basse perdite sono usate nel campo delle alte frequenze. Tra le varie leghe ricordiamo il Permalloy,il Mumetal, il Super permalloy.
Ferriti.Hanno buone proprietà magnetiche e resistività molto elevata. Sono costituiti da ossidi di ferro e metalli come Zinco, Cobalto, Nichel .
I materiali ferromagnetici duri vengono usati per la realizzazione di magneti permanenti. Sono caratterizzati da elevati valori di induzione residua Br e del campo coercitivo Hc. Il tratto più significativo del loro ciclo di isteresi è la curva di demagnetizzazione, compresa nel secondo quadrante del ciclo di isteresi. Il prodotto BH rappresenta l'energia per unità di volume immagazzinata nel magnete . Il valor massimo di Bhmax costituisce un indice di qualità dei magneti permanenti.
Ricordiamo particolari acciai ad alto contenuto di cobalto e carbonio, le ferriti dure (ferroxdure) e alcune leghe quali l'Alnico, il Cunife e il Cunico.
IL LED o Diodo Emettitore di Luce
Il LED (Light Emitting Diode ) è un dispositivo usato frequentemente per la visualizzazione dello stato di una variabile logica nel caso che essa sia rappresentata da un livello di tensione . Questo componente può essere polarizzato direttamente o inversamente.
Quando è polarizzato direttamente emette luce; quando è polarizzato inversamente oppure non è polarizzato non emette luce.
I principali parametri di un LED sono :
Calcolo della resistenza di protezione
Se la tensione utilizzata per polarizzarlo è superiore ad 1 volt è opportuno limtare la corrente inserendo una resistenza in serie di valore determinato dalla relazione.
Vcc-Vf
R=---------------
If
Ad es. se:
Vcc=5V ( tensione con cui viene polarizzato il diodo LED),
Vf=1,7V (tensione ai capi del diodo LED,)
If=10 mA (corrente max diretta che il diodo LED può sopportare )
R=360 ohm
Fonte: http://www.istitutobartolo.it/public/didattica/tdp/I%20materiali.doc
Sito web da visitare: http://www.istitutobartolo.ithttp://www.istitutobartolo.it
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