7.1 Semiconduttori
I semiconduttori sono materiali che mostrano proprietà elettriche intermedie tra i conduttori e gli isolanti. Questi materiali sono fondamentali nella tecnologia moderna, utilizzati in dispositivi elettronici come diodi, transistor, circuiti integrati, e in molte altre applicazioni.
Caratteristiche principali dei semiconduttori:
Conduzione elettrica: I semiconduttori conducono elettricità meglio degli isolanti ma non così efficientemente come i conduttori metallici. La loro conducibilità può essere aumentata o diminuita variando la temperatura o aggiungendo impurità (dopaggio).
Gap energetico: I semiconduttori hanno un gap energetico tra la banda di valenza e la banda di conduzione che è di dimensioni intermedie rispetto a quelli dei conduttori (piccolo o assente) e degli isolanti (grande). Questo gap rappresenta l'energia richiesta per spostare un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione.
Dopaggio: L'aggiunta di impurità a un semiconduttore, nota come dopaggio, può modificare le sue proprietà elettriche. Ci sono due tipi principali di dopaggio:
Dopaggio del tipo N: Si ottiene aggiungendo impurità pentavalenti (con cinque elettroni di valenza) che forniscono elettroni aggiuntivi alla struttura cristallina, aumentando così la conducibilità.
Dopaggio del tipo P: Si ottiene aggiungendo impurità trivalenti (con tre elettroni di valenza) che creano vuoti o "lacune" nella struttura cristallina, aumentando la mobilità delle lacune.
Applicazioni: I semiconduttori sono ampiamente utilizzati nell'elettronica e nelle tecnologie informatiche. Sono alla base di dispositivi quali transistor, diodi, circuiti integrati e sensori. Inoltre, trovano impiego anche in fotovoltaico per la produzione di energia solare e nei dispositivi a stato solido per l'illuminazione.
Esempi di materiali semiconduttori comuni includono il silicio (Si) e il germanio (Ge), ma esistono anche altri materiali semiconduttori, compresi quelli a base di composti di gallio, arseniuro di gallio, fosfuro di indio e altri composti.
La capacità di controllare la conducibilità dei semiconduttori li rende fondamentali per lo sviluppo di dispositivi elettronici avanzati e per una vasta gamma di applicazioni tecnologiche.
7.2 Materiali magnetici
I materiali magnetici sono sostanze che mostrano proprietà magnetiche. Queste sostanze sono caratterizzate dalla presenza di domini magnetici, regioni microscopiche in cui gli spin degli elettroni sono allineati in una direzione comune, generando un campo magnetico.
Ci sono diversi tipi di materiali magnetici, ognuno con caratteristiche specifiche:
Ferromagnetici: Questi materiali mantengono una forte magnetizzazione anche in assenza di un campo magnetico esterno. Mostrano una notevole interazione tra i domini magnetici, che possono allinearsi spontaneamente. Esempi includono il ferro, il nichel, il cobalto e le leghe magnetiche come l'acciaio.
Ferrimagnetici: Sono simili ai ferromagnetici ma mostrano domini magnetici con orientamenti opposti che si compensano parzialmente, producendo un momento magnetico netto. Esempi sono l'ossido di ferro magnetico (magnetite) e l'ematite.
Antiferromagnetici: In questi materiali, gli spin degli elettroni all'interno dei domini si dispongono in modo tale che i loro momenti magnetici si annullino a vicenda, portando a una netta assenza di magnetizzazione macroscopica. Tuttavia, presentano una notevole interazione tra i domini magnetici. L'ossido di manganese (MnO) è un esempio di materiale antiferromagnetico.
Ferromagnetici debole: Questi materiali mostrano una debole magnetizzazione, che si mantiene solo in presenza di un campo magnetico esterno. Il cromo è un esempio di materiale ferromagnetico debole.
Materiali magnetici permanenti: Sono materiali con proprietà magnetiche che persistono nel tempo, utilizzati per creare magneti permanenti. Leghe come l'Alnico e certe leghe a base di terre rare (ad esempio il neodimio-ferro-boro) rientrano in questa categoria.
Materiali magnetici blandi: Questi materiali possono essere magnetizzati e demagnetizzati facilmente e sono spesso utilizzati in applicazioni in cui è richiesta una bassa coercività, come trasformatori e induttori. Il ferro dolce è un esempio di materiale magnetico morbido.
I materiali magnetici hanno una vasta gamma di applicazioni, dalla produzione di magneti permanenti per l'industria elettronica all'uso in dispositivi di memorizzazione dati come dischi rigidi e nastri magnetici. La comprensione delle proprietà magnetiche di questi materiali è fondamentale per lo sviluppo e l'applicazione delle tecnologie moderne.
7.3 Materiali superconduttori.
I materiali superconduttori sono una classe speciale di materiali che, al di sotto di una temperatura critica specifica (nota come temperatura di transizione superconduttiva), perdono completamente la loro resistenza elettrica e mostrano altre proprietà magnetiche uniche. Le proprietà dei materiali superconduttori possono essere riassunte nei seguenti punti:
Assenza di resistenza elettrica: Quando un materiale diventa superconduttore, la sua resistenza elettrica diminuisce drasticamente fino a diventare nulla. Ciò significa che non vi è alcuna dissipazione di energia sotto la temperatura critica, consentendo il flusso di corrente senza alcuna perdita di energia per effetto Joule.
Espulsione del campo magnetico: Quando un materiale diventa superconduttore, espelle completamente un campo magnetico applicato al suo interno, un fenomeno noto come effetto Meissner. Ciò porta alla formazione di campi magnetici che circondano il materiale superconduttore, creando un effetto di "levitazione magnetica" quando un magnete viene avvicinato al materiale.
Effetto di gap energetico: I superconduttori presentano un gap energetico nella loro struttura elettronica al di sotto della temperatura critica, che impedisce la presenza di stati elettronici nel gap energetico. Questo gap è responsabile della perdita di resistenza elettrica a temperature basse.
Correnti critiche: Oltre alla temperatura critica, i superconduttori hanno una corrente critica massima al di sopra della quale perdono la loro proprietà superconduttrice. Questo limite di corrente varia a seconda del materiale e delle sue caratteristiche.
Diversi tipi di superconduttori: Esistono due tipi principali di superconduttori: i superconduttori convenzionali (ad esempio, il piombo, lo stagno) che operano a temperature molto basse (vicine allo zero assoluto) e i superconduttori ad alta temperatura critica, scoperti più recentemente, che possono superare temperature di transizione più elevate (anche sopra i 100 K), consentendo applicazioni più pratiche.
Gli sviluppi nella ricerca sui superconduttori hanno portato a numerosi utilizzi pratici in settori come la medicina (ad esempio, apparecchiature di risonanza magnetica nucleare), la produzione di dispositivi elettronici ad alte prestazioni, il trasporto di corrente elettrica senza perdite e molte altre applicazioni innovative.
Nonostante i notevoli progressi nella ricerca sui superconduttori, la comprensione completa di molti aspetti di questi materiali rimane ancora oggetto di studio attivo da parte della comunità scientifica.
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