Hliník je jedním z nejoblíbenějších kovů na světě. Je proslulý svou lehkostí, vysokým poměrem pevnosti k hmotnosti a odolností proti korozi. Jednou z nejdůležitějších vlastností hliníku, která je však diskutabilní, je to, že vede elektrický proud. Jak si tedy odpovědět na otázku: Je hliník vodičem elektrického proudu? Zde se dostáváme k odpovědi: ano, hliník může vést elektrický proud, ale ne tak dobře jako měď, která byla při vytváření elektrického systému nejčastěji voleným kovem. 

Tento článek pojednává o elektrické vodivosti hliníku, jeho použití v elektrotechnickém průmyslu a o výhodách a omezeních jeho použití v elektrotechnickém průmyslu.

Co znamená elektrická vodivost?

Nejprve se zamyslíme nad tím, co je to elektrická vodivost, a teprve poté řekneme, zda je hliník elektrický vodič, nebo ne. Schopnost materiálu propouštět elektrický proud se nazývá elektrická vodivost. Ta závisí na počtu volně se pohybujících elektronů v daném materiálu. Kovy mají obecně velmi volné elektrony, které mohou snadno proudit v rámci jejich atomové struktury, takže jsou dobrými vodiči.

Jednotkou měření elektrické vodivosti daného materiálu je siemens dělený metrem (S/m). Čím větší je odpor, tím menší je možnost průchodu elektrické energie. Vysoce vodivé materiály, jako je měď a hliník, nacházejí uplatnění v několika elektrických aplikacích, jako je napájení, přenos energie, vedení a obvody.

Vede hliník elektřinu?

Ano, hliník je mnohonásobně vodivější než měď. Hliník je považován za dobrý vodič, pokud se podíváme na vodivost kovů, ačkoli jeho elektrická vodivost je pouze asi 61 % mědi. To znamená, že mědí poteče při dané velikosti vodiče větší proud.

Přesto je hliník díky své relativně vysoké vodivosti použitelný ve většině elektrických aplikací, zejména tam, kde je rozhodující hmotnost a cena. Odpor hliníku není tak vysoký jako u mnoha jiných materiálů; to znamená, že hliník může také vést elektrický proud, ale s relativně menším odporem.

Jak hliník vyrábí elektřinu?

Elektřina se v hliníku šíří díky toku volných elektronů strukturou atomů. Tyto volné elektrony jsou jen slabě spojeny s atomy kovu a mohou se snadno pohybovat, jakmile je přítomno elektrické pole. Jakmile materiál umožní průchod elektronů, vytvoří se elektrický proud.

Hliník má také poměrně velké množství volných elektronů, což znamená, že je také slušným vodičem elektřiny, ale ne tak účinným jako měď. Je přibližně 61krát méně elektricky vodivý než měď, takže je o něco odolnější vůči toku elektronů.

Vodivost hliníku se snižuje také zvýšením teploty v důsledku zvýšené vibrace atomů v kovu, což zvyšuje odpor. Kromě toho se na povrchu hliníku vytvářejí nevodivé vrstvy oxidů, které mohou snižovat vodivost v místech spojů. Tato vznikající vrstva oxidu by měla být kontrolována, protože by zhoršovala dobrou vodivost, zejména v elektrických kontaktech.

Elektricky vodivé třídy hliníku 

Hliník je elektrický vodič a jeho vodivost závisí také na jakosti, protože různé jakosti obsahují různé čistoty a legující kovy. Souvislost mezi typem třídy hliníku a jeho vodivostí je nezbytná při výběru správného typu hliníku, který se hodí pro určité elektrické aplikace.

1. ČISTÝ hliník ( 1100 Grd )

Hliník třídy 1100 lze považovat za jeden z nejčistších hliníků s čistotou 99 % a vyšší. Tato čistota je vysoká, což vede k dobré elektrické vodivosti elektricky, a proto by se hodil v oblastech, které vyžadují elektrickou vodivost a výkon nejlépe, jako je elektroinstalace a připojení k elektřině.

• Elektrická vodivost: Přibližně 61 % mědi.
• Aplikace: Používá se v silových kabelových systémech, elektrických vodičích a dalších zařízeních, kde je nezbytná vysoká vodivost a nízký odpor.

2. Hliníková slitina 1350

Hliníková slitina 1350 je další hliník s vysokou čistotou, pouze je kombinován s nepatrným množstvím mědi, která zvyšuje jeho pevnost i další vlastnosti. Tato třída je vodivá o stupeň níže, než má hliník třídy 1100, ale poskytuje dobrý výkon i v elektrických funkcích.

• Elektrická vodivost: Přibližně 61 % vodivosti mědi, která je jako hliník třídy 1100.
• Aplikace: Je široce používán v drátech, vodičích a transformátorech, zejména ve vysokonapěťových elektrických systémech.

3. Slitina hliníku 6063

Hliník třídy 6063 je středně pevná slitina a obvykle se používá pro konstrukční účely, jako jsou výlisky a rámy. Obsahuje více legujících materiálů, jako je hořčík a křemík, které zvyšují její mechanickou pevnost, a proto je méně elektricky vodivá než hliník třídy 1100 a 1350.

• Elektrická vodivost: Vodivost mědi je o 50-55 % nižší, což je dáno dalšími legujícími účinky prvků.
• Aplikace: Používá se hlavně v architektonických výliscích, okenních rámech a leteckých komponentech. Ačkoli není tak vodivý jako čistší druhy, nachází určité využití v oblastech, kde je důležitá spíše pevnost a tvarovatelnost než vodivost.

4. Hliníková slitina 1050

Hliníková slitina 1050 je také vysoce čistý hliník, jen s tím rozdílem, že obsahuje nepatrný podíl železa, a proto je její vodivost nižší než u hliníku třídy 1100. Má však dobrou elektrickou vodivost pro různé aplikace.

• Elektrická vodivost: Míra elektrické vodivosti je 99,76 % mědi, což odpovídá třídě 1100.
• Aplikace: Elektrické kabely, vodiče a konektory pro baterie, u nichž je rozhodující vysoká vodivost, ale u nichž citovaná mechanická pevnost nepředstavuje zásadní problém.

5. Hliník Aloy 6061

Oblíbenost této hliníkové slitiny třídy 6061 spočívá v jejích dobrých mechanických vlastnostech a univerzálnosti. Aby byla pevná, je legována hořčíkem a křemíkem, což způsobuje mírnou ztrátu vodivosti.

-Elektrická vodivost: přibližně 45-50 % vodivosti mědi.

Použití: Tam, kde není důležitá elektrická vodivost, ale pevnost a odolnost proti korozi.

Má povrchová úprava hliníku vliv na elektrickou vodivost?

Elektrická vodivost hliníku může být výrazně ovlivněna povrchovou úpravou hliníku, která je dána tím, jakou povrchovou úpravu na kov naneseme. Vodivost hliníku lze měnit různými povrchovými úpravami: tvorbou oxidové vrstvy, eloxováním, povlakováním, leštěním atd.

1. Tvorba oxidové vrstvy

Za přítomnosti vzduchu, například při oxidaci, se na hliníku tvoří tenká vrstva oxidů (Al 2 O 3 ). Ačkoli tato vrstva oxidů poskytuje ochranný kryt proti korozi, není vodivá. To znamená, že tato vrstva oxidu na místě, kde je připojen elektrický proud, může zvýšit odpor, a tím ohrozit celkovou vodivost hliníku. Účinnost elektrických činností při vysokém výkonu může být kvůli existenci této oxidové vrstvy ztracena. Aby bylo dosaženo dobré vodivosti, musí být taková vrstva oxidu v místech kontaktu odstraněna nebo omezena, nebo se dodávají povrchové úpravy, které zamezují usazování oxidu.

2. Eloxování

V případě hliníku je eloxování proces, jehož cílem je záměrné zesílení vrstvy oxidu. Ačkoli se tím zvyšuje odolnost proti korozi a zlepšuje estetická úprava povrchu, eloxování dále zvyšuje izolační schopnost povrchu. Tím se značně snižuje vodivost hliníku, takže je nevhodný pro aplikace, které zahrnují použití elektrického proudu. V některých aplikacích, například v těch, které mají estetický význam, se však anodický povlak neodstraňuje kvůli ochrannému účinku, což představuje velkou hrozbu. Eloxování nemůže být optimální ve vodivých aplikacích, pokud se neplánuje účelné odstranění oxidové vrstvy v místech připojení.

3. Nátěry a barvy

Hliník je opatřen povrchovou úpravou a nátěrem, který poskytuje dodatečnou ochranu proti okolním vlivům a zlepšuje vzhled. Převážná většina nátěrů (zejména běžných barev) je však izolační a tvoří bariéry elektrické vodivosti. V případech, kdy je nátěr nanesen, má za následek snížení elektrické vodivosti kovu s velkým rozdílem. V případě použití hliníku v elektrických systémech je třeba mít na paměti, že části, s nimiž dochází k elektrickému kontaktu, by neměly být opatřeny nátěrem, nebo ve zvláštních případech může být v určitých situacích žádoucí použít vodivý nátěr.

4. Leštění povrchu

Jednou z metod povrchové úpravy, která se používá, je leštění povrchu, aby byl povrch hliníku čistý a hladký. Z mechanického hlediska je leštění v případě elektrické vodivosti proces, který zlepšuje vlastnost z hlediska elektrické vodivosti, aby nabídl čistší kontaktní plochu. Leštěný hliníkový povrch umožňuje větší účinnost elektrického spojení, snižuje odpor a zvyšuje výkon v elektrických systémech. Pokud je však leštění prováděno v příliš velké míře, může vést ke ztrátě materiálu, což může být v některých aplikacích problém pro celistvost a velikost hliníku. Leštění se proto má používat pouze k dosažení žádoucí rovnováhy mezi vodivostí a pevností materiálu.

Proč se hliník používá v elektřině?

Přestože je měď ve srovnání s hliníkem elektricky vodivější, nevedlo to elektrotechnický průmysl k tomu, aby se vyhnul používání hliníku. Příčiny tohoto stavu jsou následující:

1. Nákladová efektivita

Levnější cena je jednou z hlavních výhod použití hliníku v elektronice. Na rozdíl od mědi je hliník levnější; jeho cena je ve skutečnosti přibližně třetinová oproti mědi. Díky tomuto faktoru cenové dostupnosti bude hliník skvělou volbou, pokud jde o rozsáhlé elektroinstalace, protože je zapotřebí dostatečné množství materiálu.

2. Lehké

Hliník je v porovnání s mědí také velmi lehký a jeho hustota je přibližně třetinová oproti mědi. Díky tomu je vhodný v oblastech, kde je hmotnost problémem, jako je například nadzemní vedení pro přenos elektrické energie. Náklady na přepravu jsou díky nízké hmotnosti hliníku nižší a instalace je snadnější.

3. Odolnost proti korozi

Na vzduchu se na hliníku přirozeně vytváří tenká ochranná vrstva oxidu, která pokrývá jeho povrch. Tato oxidová vrstva slouží jako tmel, který nemůže dále oxidovat, a hliník je tak mimořádně odolný proti korozi. To je výhodné zejména pro elektrické systémy, které jsou umístěny venku, protože povětrnostní vlivy a vlhkost mohou snadno způsobit korozi jiných kovů, například mědi.

4. Poměr pevnosti k hmotnosti

Hliník má skvělý poměr pevnosti k hmotnosti, což znamená, že ačkoli je lehký, může nabídnout velkou konstrukční pevnost. Díky tomuto aspektu je hliník krásnou volbou téměř ve všech elektrotechnických záležitostech, jako jsou kabely, přenosová vedení a dokonce i při konstrukci elektrických zařízení.

Srovnání pevnosti hliníku a mědi: Elektrická vodivost

Jak již bylo uvedeno výše, elektrická konduktivita hliníku je přibližně 61 % mědi. Přesto není rozdíl ve vodivosti tak velký, jak by se mohlo zdát. V případě mnoha rozsáhlých aplikací, např. přenosu energie, vyvažuje úspora nákladů a hmotnosti, kterou hliník poskytuje, jeho mírně sníženou vodivost. Pokud jde o vysoký elektrický výkon, je měď stále lepším vodičem.

Srovnání hliníku a mědi:

Ačkoli je měď vodivější, rozdíl ve výkonu se obvykle vysvětluje tím, že hliníkový kabel o větším průřezu přenese stejné množství elektřiny měděným kabelem o menším průřezu. Proto se v nadzemních vedeních pro přenos elektrické energie a jiných rozsáhlých elektrických instalacích obvykle používají hliníkové kabely.

Srovnání hliníku s jinými vodiči

Pokud jde o porovnání hliníku s jinými elektrickými vodiči, jako je měď a stříbro, jeho výkony jsou prý mnohokrát uspokojivé, ale ne dobře použitelné ve vysoce výkonném systému.

Použití hliníku v elektřině

Hliník nachází uplatnění ve velmi rozmanitých elektrotechnických výrobcích, zejména tam, kde jsou zmíněné vlastnosti výhodné: nízká cena, nízká hustota a odolnost proti korozi.

1. Přenosové vedení elektrické energie

Nejčastěji se hliník používá v nadzemních elektrických vedeních, kde je díky své nízké hmotnosti a vysoké vodivosti vhodný pro přenos elektrické energie na velké vzdálenosti. Použití elektrického vedení tvořeného hliníkem je ve srovnání s mědí levnější na pokládku a údržbu a díky nízké hmotnosti se s ním snadno manipuluje, pokud jde o instalaci vedení.

2. Elektrické rozvody / kabely

Hliníkové rozvody se běžně používají v bytové a komerční výstavbě, zejména v obvodech s nízkou a střední kapacitou elektrické zátěže. Měděné vodiče lze stále používat v obvodech s vysokým výkonem, ale hliník lze použít ve velkých instalacích, kde hrají zásadní roli náklady a hmotnost.

3. Uzemňovací vodiče

Uzemňovací vodiče jsou rovněž vyrobeny z hliníku, protože je třeba zajistit bezpečnou cestu, kterou může v případě poruchy protékat elektrický proud. Uzemnění hraje zásadní roli při bezpečném odvádění jakéhokoli nadměrného elektrického proudu na zem, aby nedošlo k poškození zařízení a aby se minimalizovala možnost vzniku požáru elektrického zařízení.

4. Elektrické motory a přístroje

Elektromotory a transformátory mají jako materiál vinutí hliník. Tento kov je lehký, poměrně pevný a má dobrou vodivost, což z něj činí značně skvělou volbu při použití v rozsáhlé škále průmyslových a komerčních aplikací.

Problémy a řešení problémů s vodivostí hliníku

Hliník je sice vhodným vodičem, ale při jeho použití jako vodiče v elektrickém systému je třeba vyřešit určité problémy.

1. Vyšší odolnost

Největší nevýhodou hliníku je, že je elektricky vodivější než měď. To znamená, že při průchodu stejného proudu dochází k většímu zahřívání a poklesu napětí v hliníkovém vodiči. To ,v několika případech, vyžaduje použití větších hliníkových vodičů, aby bylo dosaženo stejného výkonu jako u měděných vodičů.

2. Problémy s připojením a oxidací

Hliník snadno oxiduje, zejména spoje. Když je hliník pokryt vrstvou oxidu, je na jedné straně odolný proti korozi, na druhé straně se vrstva oxidu může sama o sobě vrstvit jako elektrický izolátor, vytváří vyšší odpor a izoluje spoje. To může způsobit přehřátí, špatné fungování a v nejhorším případě i elektrickou poruchu. Ve snaze omezit tento jev je třeba při instalaci věnovat zvláštní pozornost tomu, aby byly provedeny správné spoje a aby na spojích nemohlo dojít ke korozi.

3. Mechanická pevnost

Přestože má hliník vynikající poměr pevnosti k hmotnosti, je stále méně robustní než měď a může být náchylný k mechanickému poškození, zejména v podmínkách vysokého namáhání a vibrací. V aplikacích s vysokým namáháním jsou hliníkové vodiče obvykle vyztuženy ocelí nebo jinými materiály.

Závěr

Lze však konstatovat, že hliník skutečně vede elektrický proud, ale je také běžně používaným materiálem v elektrotechnickém průmyslu díky své dobré vodivosti, hospodárnosti, nízké hmotnosti a odolnosti proti korozi. Přestože není tak vodivý jako měď, je dostatečně levný a má další výhodné vlastnosti, a proto může být použit jako alternativa k mědi ve většině elektrotechnických aplikací.

Hliník je praktický zejména u rozsáhlých projektů, jako je přenos energie a elektrické rozvody, kde cenové a hmotnostní výhody výrazně převažují nad tendencí k nižší vodivosti. Nicméně jeho problémy, které by měli inženýři a elektrikáři vzít v úvahu při navrhování a pokládání elektrických systémů na bázi hliníku, jsou jeho zvýšená odolnost a oxidace.

Hliník je nicméně důležitým materiálem používaným v elektrotechnickém průmyslu a jeho využití bude jen stoupat, protože po celém světě jsou požadovány účinnější a cenově dostupnější elektrické infrastruktury.