Aluminium er et af de mest populære metaller i verden. Det er berygtet for at være let, have et højt styrke/vægt-forhold og være korrosionsbestandigt. Men en af de vigtigste egenskaber ved aluminium, der kan diskuteres, er, at det leder elektricitet. Hvordan besvarer man derfor spørgsmålet: Er aluminium en elektrisk leder? Det er her, vi kommer til svaret: ja, aluminium kan lede elektricitet, men ikke så godt som kobber, som har været det foretrukne metal, når man skulle skabe et elektrisk system. 

I denne artikel diskuteres aluminiums elektriske ledningsevne, brugen af aluminium i den elektriske industri samt fordele og begrænsninger ved at bruge aluminium i den elektriske industri.

Hvad betyder elektrisk ledningsevne?

Vi vil først se på, hvad elektrisk ledningsevne er, før vi siger, om aluminium er en elektrisk leder eller ej. Et materiales evne til at tillade elektrisk strøm kaldes elektrisk ledningsevne. Den afhænger af antallet af frit bevægelige elektroner i det pågældende materiale. Metaller har generelt meget frie elektroner, som let kan flyde inden for deres atomare struktur, så de er gode ledere.

Måleenheden for den elektriske ledningsevne i et givet materiale angives i siemens divideret med meter (S/m). Jo større modstand, jo mindre er muligheden for, at elektriciteten kan passere igennem. Meget ledende materialer som kobber og aluminium bruges i flere elektriske anvendelser som f.eks. strømforsyning, kraftoverførsel, ledninger og kredsløb.

Kan aluminium lede elektricitet?

Ja, aluminium er mange gange mere ledende end kobber. Aluminium betragtes som en god leder, når man ser på metallers ledningsevne, selv om dets elektriske ledningsevne kun er omkring 61 procent af kobber. Det betyder, at kobber vil give en større strøm gennem en given størrelse ledning.

På trods af dette gør det faktum, at aluminium har en relativt høj ledningsevne, det anvendeligt i de fleste elektriske applikationer, især hvor vægt og omkostninger er kritiske overvejelser. Aluminiums resistivitet er ikke så høj som mange andre materialers; det vil sige, at aluminium også kan lede elektricitet, men med relativt mindre modstand.

Hvordan leder aluminium elektricitet?

Elektricitet ledes i et aluminium på grund af strømmen af frie elektroner gennem atomernes struktur. Disse frie elektroner er kun svagt forbundet med metallets atomer og kan let bevæge sig, når der er et elektrisk felt til stede. Når materialet tillader elektronerne at passere gennem det, skabes der en elektrisk strøm.

Aluminium har også en ret stor mængde frie elektroner, hvilket betyder, at det også er en god leder af elektricitet, men ikke så effektiv som kobber. Det er cirka 61 gange mindre elektrisk ledende end kobber, så det er lidt mere modstandsdygtigt over for strømmen af elektroner.

Ledningsevnen i aluminium nedsættes også ved en temperaturstigning på grund af den øgede vibration af atomer i metallet, hvilket øger modstanden. Desuden udvikles der oxidlag med ikke-ledende egenskaber på overfladen af aluminium, og det kan nedsætte ledningsevnen, hvor der laves samlinger. Dette oxidlag, der dannes, bør kontrolleres, fordi det vil forringe den gode ledningsevne, især i elektriske kontakter.

Elektrisk ledende aluminiumskvaliteter 

Aluminium er en elektrisk leder, og dets ledningsevne afhænger også af kvaliteten, da forskellige kvaliteter indeholder forskellige renheder og legeringsmetaller. Sammenhængen mellem typen af aluminiumskvalitet og dens ledningsevne er afgørende, når man skal vælge den rigtige type aluminium, der passer til bestemte elektriske anvendelser.

1. RENT aluminium (1100 grd)

Aluminiumklasse 1100 kan betragtes som en af de reneste aluminiumtyper med en renhedsgrad på 99 procent og derover. Denne høje renhed fører til god elektrisk ledningsevne, og derfor er den god i områder, hvor der er behov for god elektrisk ledningsevne og ydeevne, som f.eks. ledninger og tilslutninger til elektricitet.

• Elektrisk ledningsevne: Cirka 61 procent af kobberets.
• Applikationer: Det bruges i strømkabelsystemer, elektriske ledere og andre enheder, hvor høj ledningsevne og lav modstand er afgørende.

2. Aluminiumslegering 1350

Aluminiumslegering 1350 er endnu en aluminiumslegering med høj renhed, men den er kombineret med små mængder kobber for at forbedre dens styrke og andre egenskaber. Denne kvalitet er ledende på et lidt lavere niveau end aluminium af 1100-kvalitet, men giver langt hen ad vejen også god ydeevne i elektriske funktioner.

• Elektrisk ledningsevne: Omkring 61 procent af ledningsevnen for kobber, som er som aluminium i klasse 1100.
• Applikationer: Det bruges i vid udstrækning i ledninger, ledere og transformatorer, især i elektriske højspændingssystemer.

3. 6063 aluminiumslegering

Aluminiumkvalitet 6063 er en mellemstærk legering og bruges normalt til strukturelle formål som f.eks. profiler og rammer. Den har flere legeringsmaterialer som magnesium og silicium, som øger den mekaniske styrke og dermed gør den mindre elektrisk ledende end 1100- og 1350-aluminium.

• Elektrisk ledningsevne: Kobbers ledningsevne er 50-55 procent lavere med yderligere legeringseffekter af grundstofferne.
• Applikationer: Det anvendes hovedsageligt i arkitektoniske ekstruktioner, vinduesrammer og komponenter til rumfart. Selvom det ikke er så ledende som de renere kvaliteter, finder det nogle anvendelser på områder, hvor styrke og formbarhed snarere end ledningsevne er vigtig.

4. Aluminiumslegering 1050

Aluminiumslegering 1050 er også aluminium med høj renhed, bortset fra at den har en lille tilstedeværelse af jern; derfor er dens ledningsevne mindre end for aluminium af 1100-kvalitet. Den har dog en god elektrisk ledningsevne til forskellige anvendelser.

• Elektrisk ledningsevne: Den elektriske ledningsevne er 99,76 % af kobber, hvilket svarer til 1100-kvalitet.
• Applikationer: Elektriske kabler, ledninger og batteriforbindelser, hvor høj ledningsevne er en faktor, men hvor den nævnte mekaniske styrke ikke er et stort problem.

5. Aloy 6061 aluminium

Det, der gør denne 6061-aluminiumslegering populær, er dens gode mekaniske egenskaber og alsidighed. For at gøre den stærk er den legeret med magnesium og silicium, hvilket medfører et moderat tab af ledningsevne.

-Elektrisk ledningsevne: ca. 45-50 procent af kobberets ledningsevne.

Anvendelse: Bør ofte findes i konstruktionsdele, bildele og udstyr, der bruges på åbent hav, hvor elektrisk ledningsevne ikke har stor betydning, men hvor styrke og korrosionsbestandighed har.

Påvirkes den elektriske ledningsevne af aluminiumsbehandling?

Aluminiums elektriske ledningsevne kan i høj grad påvirkes af aluminiumsfinishen, og den bestemmes af den finish, man anvender på metallet. Aluminiums ledende egenskaber kan ændres med forskellige overfladebehandlinger: dannelse af oxidlag, anodisering, belægning, polering osv.

1. Dannelse af oxidlag

I nærvær af luft, f.eks. gennem oxidationsprocessen, danner aluminium et tyndt lag af oxider (Al 2 O 3 ). Selv om dette oxidlag beskytter mod korrosion, er det ikke ledende. Det betyder, at denne oxidfilm på det punkt, hvor elektriciteten er tilsluttet, kan øge modstanden og dermed kompromittere aluminiums samlede ledningsevne. Effektiviteten af elektriske aktiviteter ved høj ydeevne kan gå tabt på grund af eksistensen af dette oxidlag. For at opnå god ledningsevne skal et sådant oxidlag elimineres eller begrænses på kontaktsteder, eller der leveres overfladebehandlinger for at undgå oxidaflejring.

2. Anodisering

Når der er tale om aluminium, er anodisering en proces, der bevidst har til formål at gøre oxidfilmen tykkere. Selv om det øger korrosionsbestandigheden og forbedrer overfladens æstetiske finish, gør anodisering overfladen mere isolerende. Det reducerer aluminiums ledningsevne betydeligt, hvilket gør det uegnet til anvendelser, der involverer brug af elektrisk strøm. Men i visse anvendelser, f.eks. dem med æstetisk betydning, fjernes den anodiske belægning ikke på grund af den beskyttende effekt, hvilket er en stor trussel. Anodisering kan ikke være optimal i ledende applikationer, medmindre der planlægges en målrettet fjernelse af oxidlaget ved forbindelsespunkterne.

3. Belægninger og maling

Aluminium er belagt og malet for at give ekstra beskyttelse mod de miljømæssige elementer og forbedre udseendet. Men langt de fleste belægninger (især normal maling) er isolerende og danner barrierer for elektrisk ledningsevne. Belægninger har den effekt, at de reducerer metallets elektriske ledningsevne med en stor margin i de tilfælde, hvor belægningen er påført. Når det gælder aluminium i elektriske systemer, skal man huske, at de dele, der er i elektrisk kontakt med, ikke bør være belagt, eller at det i særlige tilfælde kan være ønskeligt at bruge ledende belægning i bestemte situationer.

4. Polering af overflader

En af de efterbehandlingsmetoder, der bruges, er overfladepolering for at få en ren og glat overflade af aluminium. Mekanisk set er polering i forbindelse med elektrisk ledningsevne den proces, der forbedrer egenskaberne med hensyn til elektrisk ledningsevne for at give en renere kontaktoverflade. Poleret aluminiumsoverflade giver større effektivitet i den elektriske forbindelse, sænker modstanden og forbedrer ydeevnen i elektriske systemer. Men når der poleres for meget, kan det føre til tab af materiale, hvilket kan være et problem for aluminiumets integritet og størrelse i nogle anvendelser. Derfor skal polering kun bruges til at opnå den ønskelige balance mellem ledningsevne og materialets styrke.

Hvorfor bruges aluminium i elektricitet?

Selv om kobber er elektrisk ledende i forhold til aluminium, har det ikke fået den elektriske industri til at slippe for at bruge aluminium. Årsagerne til dette er:

1. Omkostningseffektivitet

En billigere pris er en af de største fordele ved at anvende aluminium i elektronik. I modsætning til kobber er aluminium billigere; faktisk er prisen ca. en tredjedel af prisen på kobber. Denne overkommelige faktor gør aluminium til en god mulighed, når det gælder elektriske installationer i stor skala, fordi der er brug for en stor mængde materiale.

2. Letvægt

Aluminium er også meget let sammenlignet med kobber, og densiteten er cirka en tredjedel af kobber. Det er det, der gør det velegnet i områder, hvor vægten er et problem, som f.eks. i luftledninger til kraftoverførsel. Transportomkostningerne er lavere på grund af aluminiums lette vægt, og installationen af samme bliver nem.

3. Modstandsdygtighed over for korrosion

Når aluminium er i fri luft, udvikler det også naturligt en tynd, beskyttende oxidbelægning, som dækker overfladen. Denne oxidfilm fungerer som et tætningsmiddel, der ikke kan oxideres yderligere, og derfor er aluminium et ekstremt korrosionsbestandigt materiale. Det er en fordel, især for elektriske systemer, der befinder sig udendørs, da vejrfaktorer og luftfugtighed let kan korrodere andre metaller som f.eks. kobber.

4. Styrke-til-vægt-forhold

Aluminium har et godt styrke-til-vægt-forhold, hvilket betyder, at selvom det er let, kan det tilbyde stor strukturel styrke. Dette aspekt gør aluminium til et smukt valg i næsten alle elektriske anliggender som kabler, transmissionslinjer og endda ved konstruktion af elektrisk udstyr.

Styrken af aluminium og kobber sammenlignet: Elektrisk ledningsevne

Som nævnt ovenfor er den elektriske konduktiviteten af aluminium er cirka 61 procent af kobber. Ikke desto mindre er forskellen i ledningsevne ikke så stor, som det kan se ud til. I forbindelse med mange store anvendelser, f.eks. kraftoverførsel, opvejer besparelserne i omkostninger og vægt, som aluminium giver, den lidt lavere ledningsevne. Når det er sagt, vil kobber stadig være den bedste leder, når det drejer sig om høj elektrisk ydeevne.

En sammenligning af aluminium og kobber:

Selv om kobber er mere ledende, forklares forskellen i ydeevne normalt ved at sætte et aluminiumskabel med større tværsnit op til at transportere den samme mængde elektricitet i et kobberkabel med mindre tværsnit. Det er grunden til, at luftledninger og andre store elektriske installationer normalt bruger aluminiumskabler.

Sammenligning af aluminium med andre ledere

Når man sammenligner aluminium med andre elektriske ledere som kobber og sølv, siges det, at dets ydeevne mange gange er tilfredsstillende, men at det ikke kan bruges i et højtydende system.

Anvendelser af aluminium i elektricitet

Aluminium anvendes i mange forskellige elektriske produkter, især hvor de nævnte egenskaber er fordelagtige: lave omkostninger, lav massefylde og korrosionsbestandighed.

1. Kraftoverførselsledninger

Den mest almindelige anvendelse af aluminium er i luftledninger, hvor dets lave vægt og høje ledningsevne gør det velegnet til transmission af elektricitet over lange afstande. El-ledninger af aluminium er billigere at lægge og vedligeholde sammenlignet med kobber, og på grund af deres lave vægt er de nemme at håndtere i forbindelse med installationen af ledningerne.

2. Elektriske ledninger/kabler

Ledninger af aluminium bruges ofte i bolig- og erhvervsbyggeri, især i kredsløb med lav og moderat kapacitet af elektriske belastninger. Kobbertråd kan stadig bruges i højtydende kredsløb, men aluminium kan anvendes i store installationer, hvor omkostninger og vægt spiller en afgørende rolle.

3. Ledninger til jordforbindelse

Jordledninger er også lavet af aluminium, da der er behov for at skabe en sikker vej, hvor den elektriske strøm kan flyde i tilfælde af en fejl. Jordforbindelse spiller en grundlæggende rolle i den sikre afledning af enhver overdreven elektrisk strøm til jorden, så intet udstyr beskadiges, og risikoen for elektriske brande minimeres.

4. Elektriske motorer og apparater

Elektriske motorer og transformatorer har aluminium som viklingsmateriale. Metallet er let, relativt stærkt og har en god ledningsevne, hvilket gør det til en meget god mulighed, når det anvendes til en lang række industrielle og kommercielle applikationer.

Problemer og løsninger på problemer med aluminiums ledningsevne

Selv om aluminium er en god leder, er der også visse problemer, der skal løses, når det anvendes som leder i et elektrisk system.

1. Højere modstand

Den største ulempe ved aluminium er, at det er mere elektrisk ledende end kobber. Det betyder, at når der flyder lige meget strøm, opstår der mere varme og et fald i spændingen i aluminiumstråden. Det gør det i nogle få tilfælde nødvendigt at bruge større aluminiumsledere for at opnå samme ydelse som kobbertråde.

2. Problemer med tilslutning og oxidering

Aluminium bliver let oxideret, især i samlingerne. Når aluminium er dækket af et oxidlag, er det på den ene side korrosionsbestandigt; på den anden side kan oxidlaget lægge sig som en elektrisk isolator, der skaber højere modstand og isolerer samlingerne. Det kan føre til overophedning, funktionsfejl og i værste fald elektrisk svigt. I et forsøg på at dæmme op for dette skal man under installationen være særlig opmærksom på, at de rigtige forbindelser bliver lavet, og at der ikke kan opstå korrosion i samlingerne.

3. Mekanisk styrke

Selv om aluminium har et fremragende forhold mellem styrke og masse, er det stadig mindre robust end kobber og kan være modtageligt for mekaniske skader, især under høje belastninger og vibrationer. I applikationer med høj belastning er aluminiumstrådene normalt forstærket med stål eller andre materialer.

Konklusion

Det kan dog konkluderes, at aluminium faktisk leder elektricitet, men det er også et almindeligt anvendt materiale i den elektriske industri på grund af dets gode ledningsevne, økonomi, det faktum, at det er let og modstandsdygtigt over for korrosion. Selv om det ikke er så ledende som kobber, er det billigt nok og har andre gavnlige egenskaber, så det kan bruges som et alternativ til kobber i de fleste elektriske applikationer.

Aluminium er især praktisk i store projekter som kraftoverførsel og elektriske ledninger, hvor pris- og vægtfordelene i høj grad opvejer tendensen til lavere ledningsevne. Udfordringerne, som ingeniører og elektrikere bør tage højde for, når de designer og lægger aluminiumbaserede elektriske systemer, er dog den øgede modstandsdygtighed og oxidering.

Ikke desto mindre er aluminium et vigtigt materiale i el-industrien, og brugen af det vil kun stige, da der efterspørges mere effektiv og økonomisk overkommelig elektrisk infrastruktur over hele verden.