La fusione dei conduttori elettrici

Vorrei sapere se durante la fusione del materiale conduttore nei conduttori elettrici si addizionano o si sottraggono elementi gassosi per variarne le caratteristiche meccaniche o elettriche, come si varia per esempio, la percentuale di carbonio nella fabbricazione degli acciai.
Elena Masotti
15 novembre 2004
I conduttori sono materiali metallici con formazione cristallina dove gli elettroni non sono vincolati alla struttura atomica (banda di valenza ≡ banda di conduzione) ma sono liberi di muoversi nella struttura formando un gas elettronico che avvolge gli atomi.
In presenza di un campo elettrico, essi vengono posti in movimento (corrente elettrica). Il moto delle cariche è frenato dagli urti tra questi e la struttura cristallina del conduttore. Questo fenomeno microscopico viene riassunto nel concetto macroscopico di resistenza elettrica.

Per poter confrontare conduttori diversi si fa riferimento al concetto di resistività [r = W mm2/m], definita come resistenza di un elemento avente lunghezza di un metro e sezione di un millimetro quadrato.
Per un metallo, il valore della resistività è tanto minore quanto più elevata è la sua purezza. La presenza di altri metalli o gas disciolti costituiscono un elemento di disordine della struttura microscopiche ostacola il moto degli elettroni. In particolare, tra i conduttori vengono largamente utilizzati il rame e l'alluminio.
Ambedue questi materiali vengono ottenuti sfruttando processi elettrolitici che garantiscono la massima purezza dei conduttori ottenuti. Per il rame utilizzato come conduttore elettrico si raggiunge il 99% di purezza.
Per realizzare fili o piattine conduttrici, il rame o l'alluminio elettrolitico viene trafilato accompagnando la trafilatura con un processo di ricottura (bassa resistività ma basse caratteristiche meccaniche) o rincrudito (maggiore resistività con migliori caratteristiche meccaniche).
La presenza di 0.02 - 0.05% di ossigeno sotto forma di ossidulo di rame (rame Tough Pitch) facilita la lavorabilità a caldo, migliora la conducibilità perchè l'ossigeno si combina con le impurezze formando composti insolubili nel rame. Si hanno così i tipi: Tough Pitch elettrolitico (Cu-ETP); Tough Pitch raffinato a fuoco ad alta conducibilità elettrica (Cu-FRHC).
Il rame tipo “oxigen free” si ottiene fondendo i catodi in forni ad induzione con atmosfera inerte o riducente. È necessario usare questo tipo di rame in tutte le applicazioni dove è prevista la presenza di idrogeno (ad esempio, nel raffreddamento di grandi generatori elettrici) il quale potrebbe diffondere nel rame ed, in presenza di alta temperatura, formare acqua ad alta pressione con conseguente infragilimento del metallo. Il rame ottenuto presenta la minore resistività possibile (r = 0.017241 W mm2/m a 20°C) che si pone pari al 100% IACS. La scala IACS (International Annealed Copper Standard) è una scala comparativa della conducibilità elettrica (l'inverso della resistività) adottata internazionalmente.

Il raggiungimento delle migliori prestazioni del rame va a scapito delle sue caratteristiche meccaniche. Per fare fronte a questo problema si usano leghe di rame (rame basso-legato con meno dell'1% di altri metalli; a titolo elevato con più dell'1% di altri metalli; leghe del rame vere e proprie). Ciò incrementa la resistività del rame rendendola, ad un certo punto, comparabile con quella dell'alluminio (r = 0.0265 W mm2/m a 20°C). Anche nel caso dell'alluminio si usano leghe per migliorare le sue caratteristiche meccaniche. Data la già elevata resistività, nel caso dell'alluminio non vengono praticati processi di degassazione o quant'altro.

Alfredo Contin Dipartimento di Elettrotecnica, Elettronica e Informatica, Università di Trieste

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