Elettroni di conduzione
Che cosa sono gli elettroni di conduzione?
Un filo metallico è un ottimo conduttore di corrente in quanto esso può essere liberamente attraversato dalle cariche elettriche. Questa proprietà è spiegata dal fatto che un metallo è costituito da un reticolo in cui sono presenti gli atomi come ioni positivi tenuti legati da una nube di elettroni che sono condivisi dagli atomi, così detto mare di elettroni.
È proprio attraverso questo reticolo cristallino che gli elettroni della nube elettronica condivisa possono spostarsi e pertanto possono attraversare l'intero volume del conduttore generando una corrente elettrica.
Quando il conduttore è sottoposto a una differenza di potenziale al suo interno si genera un campo elettrico che obbliga gli elettroni a muoversi verso il polo positivo: gli elettroni che attraversano il conduttore generando la corrente elettrica sono detti elettroni di conduzione.
Pertanto al moto disordinato di agitazione termica degli elettroni si sovrappone un molto ordinato ma molto più lento degli elettroni di conduzione che si muovono verso i punti a potenziale maggiore. Le traiettorie seguite dagli elettroni di conduzione non sono precise e rettilinee ma seguono un moto di insieme ordinato verso il polo positivo.
La velocità degli elettroni di conduzione all'interno del conduttore
La velocità media con cui si sposta questa nuvola di elettroni all'interno del conduttore è detta velocità di deriva indicata solitamente col simbolo VD. Ovviamente se nel metallo non è presente un campo elettrico, come succede quando il metallo è in equilibrio elettrostatico e non è sottoposto a una differenza di potenziale, la velocità media è nulla e quindi anche l'intensità di corrente risulta nulla.
Se invece nel filo metallico è applicata una ddp e quindi c'è un campo elettrico si può dimostrare che esisterà una relazione fra l'intensità di corrente elettrica che attraversa il conduttore e la velocità di deriva degli elettroni di conduzione.
In particolare l'intensità di corrente elettrica sarà data dal numero n di elettroni di conduzione per unità di volume moltiplicata per la carica elementare e per la velocità di deriva per l'area trasversale A del conduttore:
i =n ∙ e ∙ VD ∙ A
Ora il numero di elettroni di conduzione per unità di volume è diverso da metallo a metallo; ad esempio nel rame n vale circa 8,4∙1028 elettroni di conduzione per ogni metro cubo di materiale.
La velocità di deriva che si può ricavare dalla formula sopra riportata risulta molto bassa dell'ordine di 10-5 m/s.
Per un valore tipico di corrente pari a 1,0 A che scorre in un filo di rame di sezione pari a 1 mm2 (10-6 m2) si ottiene una velocità di deriva pari a:
In un'ora gli elettroni percorrono in media circa 30 cm di conduttore quindi la velocità di deriva rappresenta una velocità piccolissima rispetto a quella di agitazione termica che invece è dell'ordine di 105 m/s.
Allora come è possibile che accendendo un interruttore ad esempio istantaneamente si accende la luce? Se gli elettroni sono così lenti a scorrere nel conduttore come è possibile che gli effetti del passaggio di corrente sono istantanei?
In realtà ciò che si trasmette ad altissima velocità quasi istantaneamente attraverso il reticolo del metallo è il campo elettrico, per cui gli elettroni istantaneamente si mettono in movimento alla chiusura del circuito.
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