La conducibilità elettrica è una grandezza fisica che descrive la capacità delle sostanze di condurre corrente elettrica. In elettrotecnica, la conducibilità elettrica è rappresentata dal simbolo greco sigma. L'unità SI derivata per la conducibilità elettrica è rappresentata in Siemens per metro (S/m).
La capacità di condurre elettricità dipende da vari fattori. Ad esempio, gli elettroni mobili presenti nel materiale o la geometria del componente. Fondamentalmente, la conducibilità elettrica aumenta con il numero di elettroni in movimento nel materiale. Le sostanze solide o granulari hanno quindi conducibilità diverse.
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Nell'ingegneria elettrica, la conducibilità elettrica svolge un ruolo importante. Il motivo è che la maggior parte dei materiali utilizzati ha un'ottima conducibilità elettrica. Alcune applicazioni includono il collegamento di vari componenti elettronici su un circuito stampato realizzato con materiali ad alta conduttività o l'utilizzo di materiali non elettricamente conduttivi come isolanti o resistenze.
In quali aree la conducibilità elettrica svolge un ruolo importante?
La conducibilità elettrica viene utilizzata in vari settori industriali e in diverse branche. Esempi tipici di applicazioni in cui i materiali utilizzati vengono testati per la loro conducibilità elettrica sono:
- Produzione di circuiti stampati (PCB): Misurazione della conducibilità elettrica del rame galvanizzato
- Prova della capacità di scarica dei componenti: comunemente eseguita nella costruzione di aeromobili per garantire la funzionalità in caso di stress del materiale, come ad esempio un fulmine.
- Verifica della conducibilità elettrica degli isolanti, ad esempio per le linee elettriche.
La conducibilità elettrica può essere utilizzata anche per il controllo della qualità, in quanto consente di trarre conclusioni sulle proprietà dei materiali. In questo modo è possibile determinare se un materiale è adatto all'uso previsto.
Ogni materiale ha una conducibilità elettrica specifica, che può variare entro un certo intervallo. Combinando diversi materiali in leghe metalliche, si crea una conduttività elettrica specifica per questo gruppo di elementi.
La misurazione della conduttività elettrica consente di determinare il materiale presente. Questa misura è utilizzata in vari settori industriali per l'identificazione dei materiali. Le applicazioni possibili sono, tra le altre, le seguenti:
- Ispezione delle merci in arrivo negli stabilimenti di produzione per verificare la qualità del materiale consegnato
- Zecca per garantire l'utilizzo della lega di materiale corretta
- Gioiellieri e produttori di gioielli, per distinguere la qualità dell'oro usato
- Cantieri di riciclaggio, per separare materiali come rame, ottone, alluminio o titanio.
Come si misura la conducibilità elettrica?
Misura della conducibilità con il metodo di van der Pauw
Il metodo di misurazione di Van der Pauw è una tecnica per misurare facilmente la conduttività elettrica. In questo caso, si registra la caduta di tensione di una corrente impressa definita. Il sistema di misura determina inoltre anche la resistenza elettrica, che può essere convertita in conduttività elettrica con spessori di strato noti.
Metodo di Van der Pauw
Il materiale viene messo a contatto con quattro perni. Questa fase è la più soggetta a errori poiché la qualità del contatto è decisiva per la misurazione. Il raggiungimento di questa qualità dipende dalla presenza di eventuali sporcizie o irregolarità della superficie e dall'usura delle punte di contatto.
Nelle applicazioni in serie è quindi difficile misurare la conduttività elettrica con questo metodo.
Misura a correnti parassite della conducibilità elettrica
Le correnti parassite generano campi magnetici alternati nei materiali conduttori, che agiscono in direzione opposta al campo primario introdotto. Questa interazione può essere misurata da induttori secondari. I materiali conduttivi hanno un effetto sull'ampiezza e sulla fase del campo secondario a causa della formazione di correnti parassite.
Lo sfasamento tra il campo primario e quello secondario può essere utilizzato come misura della conduttività elettrica. Calibrando lo sfasamento in relazione alla conduttività, è possibile utilizzare un misuratore di correnti parassite per misurare la conduttività elettrica.
Uno dei grandi vantaggi delle misure a correnti parassite è che sono prive di contatto. Pertanto si tratta di una tecnica non distruttiva. In altre parole, la qualità della superficie rimane inalterata.
La distanza della sonda a correnti parassite dalla superficie di misura ha una grande influenza sull'accuratezza della misura. Per questo motivo, gli strumenti di misura a correnti parassite disponibili sul mercato hanno solitamente la funzione di misurare la distanza tra la sonda e l'oggetto.
La conduttività dipende fortemente dalla temperatura. Se la temperatura dell'oggetto in esame differisce da quella della sonda di misura, la curva di calibrazione per la determinazione della conduttività elettrica non è più accurata. Pertanto, la testa del sensore deve essere accoppiata termicamente con il componente da testare per ottenere un livello di temperatura uniforme e una misura esatta.
Un'altra sfida è la misurazione della conducibilità su una superficie curva, ad esempio un'onda. Se il diametro della testa della sonda è significativamente più grande del raggio della superficie da esaminare, è difficile eseguire la misura. A tale scopo, uno strumento di misura a correnti parassite può essere calibrato su diversi raggi: è fondamentale utilizzare il raggio richiesto.
La formazione delle correnti parassite e del campo alternato secondario da esse generato dipende anche dalla frequenza utilizzata. Le correnti parassite si formano solo da poche centinaia di cuori fino a diversi kilohertz. Più alta è la frequenza utilizzata, più grandi diventano le correnti parassite. Per misurare strati molto sottili sono quindi necessarie frequenze molto elevate, fino a un megahertz. Per questo motivo, la calibrazione dello strumento di misura delle correnti parassite deve essere effettuata a diverse frequenze. A frequenze e conducibilità elettriche molto elevate, i requisiti dell'hardware di misura aumentano notevolmente, poiché la sensibilità, cioè l'effetto superficiale, è molto ridotto.
Un grande vantaggio degli strumenti a correnti parassite è la possibilità di eseguire test di serie automatizzati direttamente nella linea di produzione: grazie a sequenze di misura rapide e a questo metodo senza contatto, le misure possono essere eseguite con un'elevata riproducibilità.
La soluzione di FOERSTER per la misurazione della conducibilità elettrica
Con il SIGMATEST, FOERSTER ha a disposizione uno strumento di misura consolidato e affidabile per la misurazione della conducibilità elettrica. Il SIGMATEST è ad esempio approvato per molte applicazioni di manutenzione nell'aviazione. Nell'industria, viene utilizzato per il controllo di qualità dei prodotti di fabbricazione, per testare le combinazioni di materiali e per la selezione di metalli, leghe o materiali riciclabili. La determinazione del danno termico e l'ispezione in-process nella produzione e nella lavorazione in metallurgia sono ulteriori campi di applicazione.
Cinque diverse frequenze di test e una precisione di misura molto elevata caratterizzano questo dispositivo di misura portatile. Anche alla frequenza elevata di 960 kHz il dispositivo raggiunge una precisione di misura molto elevata. In questo modo è possibile misurare con precisione anche materiali molto sottili. Inoltre, il dispositivo di misura può normalizzare automaticamente il valore misurato della conduttività elettrica a 20°C grazie alla compensazione di temperatura incorporata
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