Analisi storica
Lo scienziato inglese Stephen Gray, al termine dei suoi esperimenti sull'elettrizzazione
per contatto e per induzione, enuncia, nel 1729, il concetto di materiali
isolanti e conduttori, la cui esatta terminologia sarà però
introdotta più tardi, nel 1740, dal francese Jean Théophile
Desaguiliers.
Ulteriori accurati studi sui materiali isolanti e conduttori vengono svolti,
verso nel 1759, dal matematico tedesco Ulrich Theodor Aepinus.
La classificazione dei materiali in isolanti e conduttori è data
dalla loro maggiore o minore capacità di "condurre" l'elettricità.
I materiali che trasmettono meglio l'elettricità sono i materiali
"conduttori", come i metalli, ma anche il carbone, o il nostro
stesso corpo, mentre i materiali isolanti non possono trasmetterla, ma solo
trattenerla.
Oggi sappiamo che i materiali isolanti, come le resine, lo zolfo, il vetro,
la seta, la gommalacca, la mica, e loro composti, o gli oli, non trasmettono
l'elettricità perché i nuclei e gli elettroni dei loro atomi
non possono variare il loro stato di equilibrio elettrico.
Negli atomi delle sostanze metalliche sono presenti i cosiddetti "elettroni
liberi", ossia elettroni che si muovono indipendentemente uno dall'altro
sulla superficie del metallo. Questi elettroni liberi si muovono poco nei
materiali isolanti, e invece molto velocemente nei materiali conduttori,
come i metalli; ad esempio in ogni atomo dei metalli alcalini vi è
un elettrone libero, nell'atomo dell'alluminio ve ne sono invece tre, essendo
l'alluminio un buon conduttore, e così via.
Materiali bivalenti.
Ultimamente si stanno studiando dei materiali che sono contemporaneamente isolanti e conduttori. E' stata fornita da alcuni scienziati americani del dipartimento di energia del Brookhaven National Laboratory la prima prova sperimentale che alcuni materiali, formati da piani metallici, si comportano allo stesso tempo sia come conduttori di elettricità che come isolanti. Tale comportamento ambivalente si manifesta a seconda che gli elettroni scorrano nella direzione dei piani o in quella ad essa perpendicolare. Si tratta di una questione su cui da anni si interrogano i fisici, in quanto essa rappresenta una contraddizione rispetto al comportamento tipico dei conduttori di elettricità, nei quali la capacità di trasportare corrente elettrica non dipende usualmente dalla direzione. I materiali che sono sia conduttori che isolanti rappresentano anche un oggetto di studio di primaria importanza nelle ricerche sui superconduttori, i materiali che conducono elettricità senza perdita di energia. A gettare nuova luce sul problema è stato un gruppo internazionale di fisici guidati da Tonica Valla del Brookhaven. I ricercatori sono riusciti a verificare in laboratorio alcune ipotesi teoriche sulle ragioni che rendono alcuni materiali sia conduttori che isolanti.
Secondo le speculazioni più accreditate, i motivi vanno cercati nel modo in cui gli elettroni che scorrono nei piani metallici interagiscono fra di loro. Se l'interazione è molto forte gli elettroni perdono la loro individualità e si muovono collettivamente modificando in tal modo le proprietà di conducibilità del materiale. Fino ad ora nessuno era mai riuscito a mettere in evidenza il passaggio da un regime in cui è prevalente il comportamento individuale a quello in cui formano un gruppo compatto. Valla e i suoi colleghi hanno usato a tal scopo un laser superintenso in grado di generare luce ultravioletta grazie al quale sono riusciti a studiare l'interazione tra gli elettroni a seconda della temperatura. Come riportato su Nature, i risultati dell'esperimento costituiscono la prima dimostrazione del fatto che l'intensità dell'interazione tra gli elettroni influenza il loro comportamento.
Verifiche sperimentali
Una lampadina è collegata con fili di rame in un circuito aperto. Se si chiude il circuito con oggetti diversi si osserva che la lampadina si accende solo nel caso di determinati oggetti. Si può utilizzare l’accensione o meno della lampadina per classificare gli oggetti usati per la chiusura del circuito come conduttori (che permettono l’accensione) o isolanti (che impediscono l’accensione).
