I vari materiali si distinguono tra conduttori e isolanti sulla base di quanta resistenza oppongono al movimento delle cariche elettriche attraverso di loro.
Dal punto di vista microscopico questa proprietà è legata alla disponibilità di portatori di carica liberi di muoversi all’interno del materiale, cioè di particelle elettricamente cariche che possano attraversare il materiale senza incontrare ostacoli. Qualsiasi fenomeno di corrente elettrica e di conseguente trasferimento di carica può essere spiegato con la migrazione dei portatori da una parte all’altra del corpo conduttore.
In un metallo, esempio emblematico di materiale conduttore, ogni atomo mette a disposizione i propri elettroni esterni per condividerli con tutti gli altri. Questo fa sì che, da una parte, i nuclei vengano tenuti insieme da una specie di “colla elettronica”, mantenendo stabili le proprie posizioni secondo una spaziatura regolare; d’altro canto gli elettroni non sono vincolati a rimanere vicini all’atomo cui originariamente appartenevano e possono funzionare da portatori.
Tuttavia questa non è l’unica possibilità. Nei semiconduttori, come il silicio, i legami tra gli atomi sono covalenti, il che significa che gli elettroni che ne sono responsabili sono strettamente localizzati tra un atomo e l’altro e non sono in genere liberi di muoversi. La situazione cambia quando si alza la temperatura, cioè quando gli atomi acquistano agitazione termica. Può accadere allora che alcuni elettroni vengano “sbalzati” dalla loro sede naturale e si rendano disponibili alla conduzione. Il posto vacante lasciato dall’elettrone che prende il nome di lacuna non rimane però passivamente immobile: dotata di carica positiva a causa dello sbilanciamento delle cariche, la lacuna può venire occupata dall’elettrone di un legame vicino e propagarsi come un portatore di carica positiva come indicato nella figura qui sotto.
Come si vede, i portatori di carica hanno entrambi i segni, positivo e negativo, cosa che nei normali conduttori non succede.
Non si tratta dell’unico caso in cui i portatori di carica hanno entrambi i segni. A differenza di quanto comunemente si pensa l’acqua pura è uno scarsissimo conduttore elettrico: quello che rende pericolosi gli elettrodomestici in prossimità dell’acqua del rubinetto sono i sali disciolti in quest’ultima. Quando un sale si dissolve in soluzione subisce un processo noto come dissociazione elettrolitica che lo separa in coppie di ioni (cioè particelle dotate di carica elettrica). Nel caso del cloruro di sodio, il comune sale da cucina la reazione è la seguente:$$ \text{Na}\text{Cl} \ \longrightarrow \ \text{Na}^+ + \text{Cl}^-$$I due ioni prendono il nome di elettroliti e agisono da portatori di carica. Anche l’acqua pura subisce un processo di dissociazione elettrolitica:$$ \text{H}_2\text{O} \ \longrightarrow \ \text{H}^+ + \text{O}\text{H}^-$$In questo caso però il numero di molecole che subiscono la reazione è così piccolo da non avere praticamente effetto.
Crediti immagini:
Prof. Marcello Carlà http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Semiconduttore_intrinseco.png
