الألومنيوم هو أحد المعادن الشائعة في العالم. فهو مشهور بخفة وزنه، ونسبة قوته إلى وزنه العالية، ومقاومته للتآكل. ومع ذلك، فإن إحدى أهم خصائص الألومنيوم القابلة للنقاش هي أنه موصل للكهرباء. لذا، كيف تجيب عن السؤال: هل الألومنيوم موصل للكهرباء؟ هنا نصل إلى الإجابة: نعم, الألومنيوم توصيل الكهرباء، ولكن ليس مثل النحاس، الذي كان المعدن المفضل عند إنشاء نظام كهربائي. 

تناقش هذه الورقة التوصيلية الكهربائية للألومنيوم، واستخدامه في الصناعة الكهربائية، وفوائد وقيود استخدامه في الصناعة الكهربائية.

ماذا تعني الموصلية الكهربائية؟

سنتناول أولًا ماهية التوصيلية الكهربية قبل أن نحدد ما إذا كان الألومنيوم موصلًا كهربيًّا أم لا. تسمى قدرة المادة على السماح بمرور التيار الكهربي بالتوصيل الكهربي. ويعتمد ذلك على عدد الإلكترونات الحرة الحركة في تلك المادة. تحتوي الفلزات، بوجه عام، على إلكترونات حرة للغاية يمكن أن تتدفق بسهولة داخل بنيتها الذرية، ومن ثم فهي موصلات جيدة.

يمكن ملاحظة وحدة قياس التوصيلية الكهربية لمادة معينة بوحدة قياس التوصيل الكهربي لمادة معينة بوحدة سيمنز مقسومة على متر (S/m). كلما زادت المقاومة، قلت جدوى مرور الكهرباء من خلالها. تُستخدم المواد عالية التوصيل مثل النحاس والألومنيوم في العديد من التطبيقات الكهربائية مثل إمدادات الطاقة ونقل الطاقة والأسلاك والدوائر الكهربائية.

هل الألومنيوم موصل للكهرباء؟

نعم، الألومنيوم أكثر توصيلية من النحاس بعدة مرات. يُعتبر الألومنيوم موصِّلًا جيدًا عند النظر إلى توصيلية المعادن، على الرغم من أن توصيليته الكهربية تبلغ حوالي 61 في المائة فقط من النحاس. وهذا يعني أن النحاس يوفر تيارًا أكبر للتدفق خلال حجم معين من الأسلاك.

وبغض النظر عن ذلك، فإن حقيقة أن الألومنيوم يتمتع بموصلية عالية نسبيًا تجعله قابلًا للتطبيق في معظم التطبيقات الكهربائية، خاصةً عندما يكون الوزن والتكلفة من الاعتبارات الحاسمة. إن مقاومة الألومنيوم ليست عالية مثل مقاومة العديد من المواد الأخرى؛ أي أن الألومنيوم يمكنه أيضًا توصيل الكهرباء، ولكن بمقاومة أقل نسبيًا.

كيف يولد الألومنيوم الكهرباء؟

يتم توصيل الكهرباء في الألومنيوم بسبب تدفق الإلكترونات الحرة عبر بنية الذرات. ترتبط هذه الإلكترونات الحرة ارتباطاً ضعيفاً بذرات المعدن ويمكنها التحرك بسهولة بمجرد وجود مجال كهربائي. وعندما تسمح المادة للإلكترونات بالمرور عبرها، ينشأ تيار كهربائي.

ويمتلك الألومنيوم أيضًا كمية كبيرة من الإلكترونات الحرة، وهو ما يعني أنه موصل جيد للكهرباء أيضًا، لكنه ليس بكفاءة النحاس. فهو أقل توصيلًا للكهرباء بحوالي 61 مرة من النحاس، لذا فهو أكثر مقاومة لتدفق الإلكترونات بقليل.

تنخفض توصيلية الألومنيوم أيضًا بزيادة درجة الحرارة بسبب زيادة اهتزاز الذرات في المعدن، مما يزيد من المقاومة. علاوة على ذلك، تتكون طبقات من الأكسيد غير الموصلة على سطح الألومنيوم، وهذا قد يقلل من التوصيلية في أماكن صنع الوصلات. يجب التحكم في هذه الطبقة من الأكسيد المتكونة لأنها قد تضعف التوصيلية الجيدة، خاصةً في الوصلات الكهربائية.

درجات الألومنيوم الموصلة للكهرباء 

الألومنيوم موصل للكهرباء، ويعتمد مستوى توصيله للكهرباء أيضًا على درجة توصيله، حيث تحتوي الدرجات المختلفة على درجات نقاء مختلفة ومعادن السبائك. إن العلاقة بين نوع درجة الألومنيوم وموصلية الألومنيوم ضرورية عند اختيار النوع المناسب من الألومنيوم الذي يناسب تطبيقات كهربائية معينة.

1. ألومنيوم نقي (1100 جرام)

يمكن اعتبار الألومنيوم من الدرجة 1100 أحد أنقى الألومنيوم بمستوى نقاء يصل إلى 99 في المائة وما فوق. وهذا النقاء عالٍ، مما يؤدي إلى توصيل كهربائي جيد من الناحية الكهربائية، ومن ثم فهو جيد في المجالات التي تتطلب توصيلًا كهربائيًا وأداءً أفضل، مثل الأسلاك والتوصيلات الكهربائية.

• التوصيل الكهربائي: حوالي 61 في المائة من النحاس.
• التطبيقات: يُستخدم في أنظمة كابلات الطاقة والموصلات الكهربائية وغيرها من الأجهزة التي تكون فيها الموصلية العالية والمقاومة المنخفضة ضرورية.

2. سبائك الألومنيوم 1350

سبائك الألومنيوم 1350 هي سبائك ألومنيوم أخرى عالية النقاء، إلا أنها مدمجة بكميات دقيقة من النحاس لتعزيز قوتها بالإضافة إلى خصائص أخرى. هذه الدرجة موصلة للكهرباء بدرجة أقل من الألومنيوم من الدرجة 1100، ولكنها تعطي أداءً جيدًا في الوظائف الكهربائية أيضًا.

• التوصيل الكهربائي: حوالي 61 في المائة من موصلية النحاس، الذي يشبه الألومنيوم بدرجة 1100.
• التطبيقات: ويستخدم على نطاق واسع في الأسلاك والموصلات والمحولات، خاصة في الأنظمة الكهربائية ذات الجهد العالي.

3. سبائك الألومنيوم 6063

الألومنيوم درجة 6063 هو سبيكة متوسطة القوة ويستخدم عادةً للأغراض الإنشائية مثل البثق والإطارات. وتحتوي على مواد أكثر من السبائك مثل المغنيسيوم والسيليكون، والتي تضيف إلى القوة الميكانيكية، مما يجعلها أقل توصيلاً للكهرباء من الألومنيوم من الدرجة 1100 و1350.

• التوصيل الكهربائي: تنخفض موصلية النحاس بنسبة 50-55 في المائة، مع وجود تأثيرات إضافية من السبائك للعناصر.
• التطبيقات: ويُستخدم بشكل أساسي في البثق المعماري وإطارات النوافذ والمكونات الفضائية. على الرغم من أنه ليس موصلًا مثل الدرجات الأنقى، إلا أنه يجد بعض الاستخدامات في المجالات التي تكون فيها القوة وقابلية التشكيل بدلاً من التوصيل ذات أهمية.

4. سبائك الألومنيوم 1050

سبائك الألومنيوم 1050 هي أيضًا ألومنيوم عالي النقاء، إلا أنها تحتوي على نسبة طفيفة من الحديد؛ ومن ثم، فإن توصيلها أقل من الألومنيوم من الدرجة 1100. ومع ذلك، فهي جيدة في توصيلها الكهربائي لمختلف التطبيقات.

• التوصيل الكهربائي: يبلغ معدل التوصيل الكهربائي 99.76 % من النحاس، أي ما يعادل 1100 درجة من النحاس.
• التطبيقات: الكابلات الكهربائية، والأسلاك، وموصلات البطاريات التي تكون فيها الموصلية العالية هي العامل، ولكن القوة الميكانيكية المذكورة ليست مشكلة رئيسية.

5. ألومنيوم ألوي 6061

ما يجعل سبائك الألومنيوم من الدرجة 6061 شائعة هو خصائصها الميكانيكية الجيدة وتعدد استخداماتها. ولجعلها قوية، يتم خلطها بالمغنيسيوم والسيليكون، مما يتسبب في خسارة معتدلة في التوصيل.

-الموصلية الكهربائية: ما يقرب من 45-50 في المائة من موصلية النحاس.

الاستخدام: يجب أن يوجد عادةً في الأجزاء الهيكلية وقطع غيار السيارات والمعدات المستخدمة في أعالي البحار، حيث لا تكون الموصلية الكهربائية ذات أهمية كبيرة، ولكن القوة ومقاومة التآكل هي الأهم.

هل تتأثر الموصلية الكهربائية بتشطيب الألومنيوم؟

قد تتأثر الموصلية الكهربائية للألومنيوم إلى حد كبير بتشطيب الألومنيوم، ويتم تحديد ذلك من خلال التشطيب الذي يطبقه المرء على المعدن. يمكن تغيير الخاصية الموصلة للألومنيوم بمعالجات سطحية مختلفة: تشكيل طبقة الأكسيد، والأكسدة، والطلاء، والتلميع، وما إلى ذلك.

1. تكوين طبقة الأكسيد

في وجود الهواء، كما هو الحال من خلال عملية الأكسدة، يشكل الألومنيوم طبقة رقيقة من الأكاسيد (Al 2 O 3). وعلى الرغم من أن طبقة الأكسيد هذه توفر غطاءً واقياً للتآكل، إلا أنها ليست موصلة للكهرباء. ويعني ذلك أن طبقة الأكسيد هذه على نقطة توصيل الكهرباء يمكن أن ترفع المقاومة، مما يؤثر على التوصيلية الكلية للألومنيوم. يمكن أن تفقد كفاءة الأنشطة الكهربائية بأداء عالٍ بسبب وجود طبقة الأكسيد هذه. ولتحقيق توصيلية جيدة، يجب التخلص من طبقة الأكسيد هذه أو الحد منها في مواقع التلامس، أو توفير معالجات سطحية لتجنب ترسب الأكسيد.

2. الطلاء بأكسيد الألومنيوم

عندما يتعلق الأمر بالألومنيوم، فإن عملية الأنودة هي عملية تهدف إلى جعل طبقة الأكسيد أكثر سمكًا بشكل متعمد. وعلى الرغم من أنها تعزز من مقاومة التآكل وتحسّن من المظهر الجمالي للسطح، إلا أن عملية الأنودة تجعل السطح أكثر عزلًا. وهذا يقلل إلى حد كبير من توصيلية الألومنيوم مما يجعله غير مناسب للتطبيقات التي تنطوي على استخدام التيار الكهربائي. ولكن في بعض التطبيقات، مثل تلك التطبيقات ذات الأهمية الجمالية، لا تتم إزالة الطلاء الأنوديك بسبب التأثير الوقائي، وهو ما يمثل تهديدًا كبيرًا. لا يمكن أن تكون عملية الأنودة مثالية في التطبيقات الموصلة للكهرباء ما لم يتم التخطيط لإزالة طبقة الأكسيد بشكل هادف عند نقاط التوصيل.

3. الطلاءات والدهانات

يتم طلاء وطلاء الألومنيوم لتوفير حماية إضافية ضد العوامل البيئية وتحسين المظهر الخارجي. ومع ذلك، فإن الغالبية العظمى من الطلاءات (خاصةً الطلاء العادي) تكون عازلة وتشكل حواجز توصيل كهربائي. وللطلاءات تأثير في تقليل التوصيل الكهربائي للمعدن بهامش كبير في الحالات التي يتم فيها تطبيق الطلاء. في حالة استخدام الألومنيوم في تطبيقات الأنظمة الكهربائية، يجب أن نتذكر أن الأجزاء التي يتم بها تلامس كهربائي يجب ألا تكون مطلية أو في حالات خاصة، قد يكون من المستحسن استخدام طلاء موصل في حالات معينة.

4. تلميع السطح

إحدى طرق التشطيب المستخدمة هي تلميع السطح من أجل الحصول على سطح نظيف وأملس من الألومنيوم. ومن الناحية الميكانيكية، فإن التلميع في حالة التوصيل الكهربائي هو العملية التي تعمل على تحسين الخاصية من حيث التوصيل الكهربائي لتوفير سطح تلامس أنظف. يتيح سطح الألومنيوم المصقول كفاءة أكبر في التوصيل الكهربائي، ويقلل من المقاومة ويعزز الأداء في الأنظمة الكهربائية. ولكن عندما يتم التلميع أكثر من اللازم، يمكن أن يؤدي ذلك إلى فقدان المواد، مما قد يمثل مشكلة بالنسبة لسلامة الألومنيوم وحجمه في بعض التطبيقات. وبالتالي، يجب استخدام التلميع فقط لتحقيق التوازن المرغوب فيه بين التوصيلية وقوة المادة.

لماذا يُستخدم الألومنيوم في الكهرباء؟

على الرغم من أن النحاس موصل للكهرباء مقارنةً بالألومنيوم، إلا أن ذلك لم يدفع الصناعة الكهربائية إلى الهروب من استخدام الألومنيوم. وأسباب ذلك هي:

1. الفعالية من حيث التكلفة

يعد السعر الأرخص أحد المزايا الرئيسية لاستخدام الألومنيوم في الإلكترونيات. وعلى عكس النحاس، فإن الألومنيوم أرخص؛ ففي الواقع، يبلغ سعره حوالي ثلث تكلفة النحاس. عامل القدرة على تحمل التكاليف هذا يجعل الألومنيوم خيارًا رائعًا عندما يتعلق الأمر بالتركيبات الكهربائية واسعة النطاق لأن هناك حاجة إلى كمية وافرة من المواد.

2. خفيف الوزن

كما أن الألومنيوم خفيف جدًا مقارنةً بالنحاس، وتبلغ كثافته ثلث النحاس تقريبًا. وهذا ما يجعله مناسبًا في المناطق التي يمثل فيها الوزن مشكلة كما هو الحال في خطوط نقل الطاقة العلوية. كما أن تكلفة النقل أقل بسبب خفة وزن الألومنيوم ويصبح تركيبه سهلاً.

3. مقاومة التآكل

عندما يكون الألمنيوم في الهواء الطلق، يكوّن الألمنيوم بشكل طبيعي طبقة رقيقة من الأكسيد الواقي تغطي السطح. يعمل غشاء الأكسيد هذا بمثابة مادة مانعة للتسرب لا يمكن أن تتأكسد بشكل أكبر، وبالتالي فإن الألمنيوم مادة مقاومة للتآكل بشكل كبير. وهذا أمر مفيد، خاصة للأنظمة الكهربائية الموجودة في الهواء الطلق، حيث يمكن أن تتسبب عوامل الطقس والرطوبة في تآكل المعادن الأخرى مثل النحاس بسهولة.

4. نسبة القوة إلى الوزن

يمتاز الألومنيوم بنسبة قوة إلى وزن كبيرة، مما يعني أنه على الرغم من خفة وزنه، إلا أنه يمكن أن يوفر قوة هيكلية كبيرة. هذا الجانب يجعل الألومنيوم خيارًا رائعًا في جميع الأمور الكهربائية تقريبًا مثل الكابلات وخطوط النقل وحتى عند إنشاء المعدات الكهربائية.

مقارنة قوة الألومنيوم والنحاس: التوصيل الكهربائي

كما ذُكر أعلاه، فإن المشاركة الكهربائيةتبلغ التوصيلية الحثية للألومنيوم 61 في المائة تقريبًا من النحاس. ومع ذلك، فإن فرق التوصيلية ليس كبيرًا كما قد يبدو. ففي حالة العديد من التطبيقات واسعة النطاق، على سبيل المثال نقل الطاقة، فإن التوفير في التكلفة والوزن الذي يوفره الألومنيوم يعوض انخفاض التوصيلية قليلاً. ومع ذلك، عندما يتعلق الأمر بالأداء الكهربائي العالي، سيظل النحاس هو الموصل الأفضل.

مقارنة بين الألومنيوم والنحاس:

على الرغم من أن النحاس أكثر توصيلًا للكهرباء، إلا أن التفاوت في الأداء عادةً ما يتم تفسيره من خلال إعداد كابل ألومنيوم أكبر مقطع عرضي لحمل نفس الكمية من الكهرباء في كابل نحاسي ذي مقطع عرضي أصغر. ولهذا السبب عادةً ما تستخدم أسلاك نقل الطاقة العلوية وغيرها من التركيبات الكهربائية واسعة النطاق كابلات الألومنيوم.

مقارنة الألومنيوم بالموصلات الأخرى

عند مقارنة الألومنيوم بالموصلات الكهربائية الأخرى مثل النحاس والفضة، يُقال إن أداءه مُرضٍ في كثير من الأحيان، ولكن لا يُستخدم بشكل جيد في نظام عالي الأداء.

استخدامات الألومنيوم في الكهرباء

يُستخدم الألومنيوم في منتجات كهربائية متنوعة للغاية، خاصةً عندما تكون تلك الميزات المذكورة مفيدة: التكلفة المنخفضة والكثافة المنخفضة ومقاومة التآكل.

1. خطوط نقل الطاقة

الاستخدام الأكثر شيوعًا للألومنيوم هو في خطوط نقل الطاقة الكهربائية، حيث أن وزنه المنخفض وقيمته العالية في التوصيل تجعله مناسبًا لنقل الكهرباء لمسافات طويلة. كما أن استخدام خطوط الطاقة التي تتكون من الألومنيوم أرخص في مدها وصيانتها مقارنةً بالنحاس، ونظراً لخفة وزنها فإنه يسهل التعامل معها من حيث تركيب الخطوط.

2. الأسلاك / الكابلات الكهربائية

تُستخدم أسلاك الألومنيوم بشكل شائع في الإنشاءات السكنية والتجارية، خاصةً في الدوائر ذات الأحمال الكهربائية ذات القدرات المنخفضة والمتوسطة المستوى. لا يزال من الممكن استخدام الأسلاك النحاسية في الدوائر الكهربائية عالية الأداء، ولكن يمكن استخدام الألومنيوم في التركيبات الكبيرة حيث تلعب التكلفة والوزن دوراً حيوياً.

3. أسلاك التأريض

تُصنع أسلاك التأريض أيضًا من الألومنيوم، نظرًا للحاجة إلى توفير مسار آمن يمكن أن يتدفق فيه التيار الكهربائي في حالة حدوث عطل. يلعب التأريض دورًا أساسيًا في التبديد الآمن لأي تيار كهربائي زائد على الأرض حتى لا تتضرر أي معدات وتقل فرص حدوث حرائق كهربائية.

4. المحركات والأجهزة الكهربائية

تحتوي المحركات والمحولات الكهربائية على الألومنيوم الذي يشكل مادة اللف. ويتميز هذا المعدن بخفة وزنه وقوته النسبية وتوصيله الجيد، مما يجعله خياراً رائعاً إلى حد كبير عند استخدامه في مجموعة واسعة من التطبيقات الصناعية والتجارية

مشاكل وحلول لمشاكل توصيل الألومنيوم

وبقدر ما يعد الألومنيوم موصلًا مناسبًا، فإنه ينطوي أيضًا على بعض المشكلات التي يجب حلها عند استخدامه كموصل في نظام كهربائي.

1. مقاومة أعلى

أكبر عيوب الألومنيوم هو أنه موصل للكهرباء أكثر من النحاس. وهذا يعني أنه عندما يتدفق تيار متساوٍ، يحدث المزيد من الحرارة وانخفاض في الفولتية في أسلاك الألومنيوم. وهذا، في حالات قليلة، يستلزم استخدام موصلات ألومنيوم أكبر حجمًا لتقديم نفس أداء الأسلاك النحاسية.

2. مشاكل التوصيل والأكسدة

يتأكسد الألومنيوم بسهولة، وخاصة الوصلات. فمن ناحية، عندما يكون الألومنيوم مغطى بطبقة أكسيد، يكون مقاومًا للتآكل؛ ومن ناحية أخرى، يمكن أن تكون طبقة الأكسيد نفسها عازلًا كهربائيًا، مما يخلق مقاومة أعلى، ويعزل الوصلات. وقد يتسبب ذلك في ارتفاع درجة الحرارة وحدوث خلل وفي أسوأ الحالات حدوث عطل كهربائي. في محاولة للحد من ذلك، أثناء التركيب، يجب أن يُطلب اهتمام خاص أثناء التركيب بحيث يتم إجراء التوصيلات الصحيحة وعدم حدوث تآكل في الوصلات.

3. القوة الميكانيكية

على الرغم من أن الألومنيوم يتمتع بنسبة قوة إلى كتلة ممتازة، إلا أنه لا يزال أقل قوة من النحاس وقد يكون عرضة للتلف الميكانيكي، خاصة في ظروف الإجهاد العالي/الاهتزاز. في التطبيقات عالية الإجهاد، عادةً ما يتم تدعيم أسلاك الألومنيوم بالفولاذ أو مواد أخرى.

الخاتمة

ومع ذلك، يمكن استنتاج أن الألومنيوم موصل للكهرباء بالفعل، ولكنه أيضًا مادة شائعة الاستخدام في الصناعة الكهربائية بسبب توصيله الجيد للكهرباء واقتصادياته وخفة وزنه ومقاومته للتآكل. على الرغم من أنه ليس موصلاً للكهرباء مثل النحاس، إلا أنه رخيص بما فيه الكفاية ويمتلك خصائص مفيدة أخرى، وبالتالي يمكن استخدامه كبديل للنحاس في معظم التطبيقات الكهربائية.

ألومنيوم عمليًا بشكل خاص في المساعي واسعة النطاق مثل نقل الطاقة والأسلاك الكهربائية، حيث تفوق مزايا السعر والوزن إلى حد كبير الميل إلى انخفاض التوصيل. ومع ذلك، فإن التحديات التي يجب أن يضعها المهندسون والكهربائيون في الاعتبار عند تصميم الأنظمة الكهربائية القائمة على الألومنيوم ووضعها تتمثل في زيادة مقاومتها وأكسدتها.

ومع ذلك، فإن الألومنيوم مادة حيوية مستخدمة في صناعة الكهرباء، وسيزداد استخدامه نظرًا للطلب على البنى التحتية الكهربائية الأكثر كفاءة وبأسعار معقولة في جميع أنحاء العالم.