Aluminium ist eines der beliebtesten Metalle der Welt. Es ist dafür bekannt, dass es leicht ist, ein gutes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht hat und korrosionsbeständig ist. Eine der wichtigsten Eigenschaften von Aluminium, über die man streiten kann, ist jedoch, dass es Strom leitet. Wie kann man also die Frage beantworten: Ist Aluminium ein elektrischer Leiter? Hier kommen wir zur Antwort: Ja, Aluminium kann zwar Elektrizität leiten, aber nicht so gut wie Kupfer, das bisher das Metall der Wahl beim Aufbau eines elektrischen Systems war. 

In diesem Beitrag werden die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium, seine Verwendung in der Elektroindustrie sowie die Vorteile und Grenzen seiner Verwendung in der Elektroindustrie erörtert.

Was versteht man unter elektrischer Leitfähigkeit?

Bevor wir sagen, ob Aluminium ein elektrischer Leiter ist oder nicht, wollen wir uns zunächst ansehen, was elektrische Leitfähigkeit ist. Die Fähigkeit eines Materials, elektrischen Strom durchzulassen, wird als elektrische Leitfähigkeit bezeichnet. Sie hängt von der Anzahl der frei beweglichen Elektronen in diesem Material ab. Metalle haben im Allgemeinen sehr viele freie Elektronen, die in ihrer atomaren Struktur leicht fließen können, weshalb sie gute Leiter sind.

Die Maßeinheit für die elektrische Leitfähigkeit eines bestimmten Materials wird in Siemens geteilt durch Meter (S/m) angegeben. Je größer der Widerstand ist, desto geringer ist die Möglichkeit, dass Elektrizität durchgelassen wird. Hochleitfähige Materialien wie Kupfer und Aluminium werden in verschiedenen elektrischen Anwendungen wie Stromversorgung, Stromübertragung, Verkabelung und Schaltkreisen verwendet.

Leitet Aluminium Elektrizität?

Ja, Aluminium ist um ein Vielfaches leitfähiger als Kupfer. Aluminium gilt als guter Leiter, wenn man die Leitfähigkeit von Metallen betrachtet, obwohl seine elektrische Leitfähigkeit nur etwa 61 Prozent von Kupfer beträgt. Das bedeutet, dass bei Kupfer ein größerer Strom durch eine bestimmte Drahtgröße fließt.

Ungeachtet dessen ist Aluminium aufgrund seiner relativ hohen Leitfähigkeit für die meisten elektrischen Anwendungen geeignet, insbesondere dort, wo Gewicht und Kosten eine Rolle spielen. Der spezifische Widerstand von Aluminium ist nicht so hoch wie der vieler anderer Werkstoffe, d. h. Aluminium kann auch Strom leiten, allerdings mit relativ geringem Widerstand.

Wie leitet Aluminium die Elektrizität?

Elektrizität wird in einem Aluminium aufgrund des Flusses freier Elektronen durch die Struktur der Atome geleitet. Diese freien Elektronen sind nur schwach mit den Atomen des Metalls verbunden und können sich leicht bewegen, sobald ein elektrisches Feld vorhanden ist. Wenn das Material den Elektronen erlaubt, es zu durchqueren, entsteht ein elektrischer Strom.

Aluminium besitzt auch eine recht große Menge an freien Elektronen, was bedeutet, dass es ebenfalls ein guter elektrischer Leiter ist, aber nicht so effizient wie Kupfer. Es ist etwa 61-mal weniger elektrisch leitfähig als Kupfer, also etwas widerstandsfähiger gegen den Elektronenfluss.

Die Leitfähigkeit von Aluminium verringert sich auch bei einem Temperaturanstieg, da die Atome im Metall stärker schwingen, was den Widerstand erhöht. Außerdem bilden sich auf der Oberfläche von Aluminium nichtleitende Oxidschichten, die die Leitfähigkeit an Verbindungsstellen verringern können. Diese sich bildende Oxidschicht sollte kontrolliert werden, da sie eine gute Leitfähigkeit, insbesondere bei elektrischen Kontakten, beeinträchtigen würde.

Elektrisch leitfähige Aluminiumsorten 

Aluminium ist ein elektrischer Leiter, und seine Leitfähigkeit hängt auch von der Sorte ab, da die verschiedenen Sorten unterschiedliche Reinheiten und Legierungsmetalle enthalten. Der Zusammenhang zwischen der Art der Aluminiumsorte und ihrer Leitfähigkeit ist für die Auswahl der richtigen Aluminiumsorte für bestimmte elektrische Anwendungen von entscheidender Bedeutung.

1. PURE Aluminium ( 1100 Grd )

Die Aluminiumsorte 1100 kann als eine der reinsten Aluminiumsorten mit einem Reinheitsgrad von 99 Prozent und mehr angesehen werden. Dieser hohe Reinheitsgrad führt zu einer guten elektrischen Leitfähigkeit und eignet sich daher gut für Bereiche, in denen elektrische Leitfähigkeit und Leistung am wichtigsten sind, wie z. B. bei der Verdrahtung und bei Verbindungen mit Strom.

• Elektrische Leitfähigkeit: Ungefähr 61 Prozent der Menge von Kupfer.
• Anwendungen: Es wird in Stromkabelsystemen, elektrischen Leitern und anderen Geräten verwendet, bei denen eine hohe Leitfähigkeit und ein geringer Widerstand erforderlich sind.

2. Aluminiumlegierung 1350

Aluminiumlegierung 1350 ist ein weiteres hochreines Aluminium, nur dass es mit winzigen Mengen von Kupfer kombiniert wird, um seine Festigkeit sowie andere Eigenschaften zu verbessern. Die Leitfähigkeit dieser Legierung ist etwas geringer als die von 1100er-Aluminium, aber sie bietet auch bei elektrischen Funktionen eine gute Leistung.

• Elektrische Leitfähigkeit: Etwa 61 % der Leitfähigkeit von Kupfer, was der von Aluminium der Güteklasse 1100 entspricht.
• Anwendungen: Es wird häufig in Drähten, Leitern und Transformatoren verwendet, insbesondere in elektrischen Hochspannungsanlagen.

3. 6063 Aluminiumlegierung

Die Aluminiumqualität 6063 ist eine mittelfeste Legierung und wird normalerweise für strukturelle Zwecke wie Strangpressprofile und Rahmen verwendet. Sie enthält mehr Legierungsbestandteile wie Magnesium und Silizium, die die mechanische Festigkeit erhöhen, wodurch sie elektrisch weniger leitfähig ist als die Aluminiumsorten 1100 und 1350.

• Elektrische Leitfähigkeit: Die Leitfähigkeit von Kupfer ist um 50-55 % geringer, was auf die zusätzlichen Legierungseffekte der Elemente zurückzuführen ist.
• Anwendungen: Es wird hauptsächlich für architektonische Strangpressprofile, Fensterrahmen und Bestandteile der Luft- und Raumfahrt verwendet. Obwohl es nicht so leitfähig ist wie die reineren Sorten, wird es in einigen Bereichen verwendet, in denen Festigkeit und Formbarkeit wichtiger sind als Leitfähigkeit.

4. Aluminiumlegierung 1050

Bei der Aluminiumlegierung 1050 handelt es sich ebenfalls um hochreines Aluminium, das jedoch einen geringen Eisenanteil aufweist; daher ist seine Leitfähigkeit geringer als die von Aluminium der Güteklasse 1100. Es ist jedoch gut in seiner elektrischen Leitfähigkeit für verschiedene Anwendungen.

• Elektrische Leitfähigkeit: Die elektrische Leitfähigkeit beträgt 99,76 % der des Kupfers, was der 1100er-Qualität entspricht.
• Anwendungen: Elektrische Kabel, Drähte und Batteriesteckverbinder, bei denen es auf eine hohe Leitfähigkeit ankommt, bei denen aber die genannte mechanische Festigkeit keine Rolle spielt.

5. Aloy 6061 Aluminium

Diese Aluminiumlegierung der Güteklasse 6061 ist wegen ihrer guten mechanischen Eigenschaften und ihrer Vielseitigkeit beliebt. Um sie widerstandsfähig zu machen, wird sie mit Magnesium und Silizium legiert, was einen moderaten Verlust an Leitfähigkeit zur Folge hat.

-Elektrische Leitfähigkeit: etwa 45-50 % der Leitfähigkeit von Kupfer.

Anwendung: Sollte häufig in Bauteilen, Kraftfahrzeugteilen und auf hoher See verwendeten Geräten zu finden sein, bei denen die elektrische Leitfähigkeit nicht von großer Bedeutung ist, wohl aber die Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit.

Wird die elektrische Leitfähigkeit durch die Oberflächenbehandlung von Aluminium beeinträchtigt?

Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium kann in hohem Maße durch die Oberflächenbehandlung beeinflusst werden, und dies hängt von der Art der Oberflächenbehandlung des Metalls ab. Die leitfähige Eigenschaft von Aluminium kann durch verschiedene Oberflächenbehandlungen verändert werden: Oxidschichtbildung, Eloxieren, Beschichten, Polieren usw.

1. Bildung einer Oxidschicht

In Gegenwart von Luft, z. B. durch den Oxidationsprozess, bildet Aluminium eine dünne Oxidschicht (Al 2 O 3 ). Diese Oxidschicht bietet zwar einen Schutz vor Korrosion, ist aber nicht leitfähig. Das bedeutet, dass diese Oxidschicht an der Stelle, an der der Strom angeschlossen wird, den Widerstand erhöhen kann, wodurch die Gesamtleitfähigkeit von Aluminium beeinträchtigt wird. Die Effizienz elektrischer Aktivitäten bei hoher Leistung kann durch die Existenz dieser Oxidschicht beeinträchtigt werden. Um eine gute Leitfähigkeit zu erreichen, muss eine solche Oxidschicht an den Kontaktstellen beseitigt oder begrenzt werden, oder es werden Oberflächenbehandlungen durchgeführt, um Oxidablagerungen zu vermeiden.

2. Eloxieren

Bei Aluminium ist das Eloxieren ein Verfahren, mit dem die Oxidschicht absichtlich dicker gemacht wird. Es erhöht zwar die Korrosionsbeständigkeit und verbessert die Ästhetik der Oberfläche, aber das Eloxieren macht die Oberfläche auch isolierender. Dadurch verringert sich die Leitfähigkeit des Aluminiums erheblich, so dass es für Anwendungen, bei denen elektrischer Strom verwendet wird, ungeeignet ist. Bei bestimmten Anwendungen, z. B. solchen mit ästhetischer Bedeutung, wird die Eloxalschicht jedoch wegen der Schutzwirkung nicht entfernt, was eine große Gefahr darstellt. Das Eloxieren kann für leitfähige Anwendungen nicht optimal sein, es sei denn, die Oxidschicht wird an den Verbindungsstellen gezielt entfernt.

3. Beschichtungen und Anstriche

Aluminium wird beschichtet und lackiert, um zusätzlichen Schutz gegen Umwelteinflüsse zu bieten und das Erscheinungsbild zu verbessern. Die meisten Beschichtungen (insbesondere normale Lacke) sind jedoch isolierend und bilden Barrieren für die elektrische Leitfähigkeit. Beschichtungen haben den Effekt, dass sie die elektrische Leitfähigkeit des Metalls in den Fällen, in denen die Beschichtung aufgetragen wird, erheblich verringern. Bei der Verwendung von Aluminium in elektrischen Systemen ist zu bedenken, dass die Teile, mit denen ein elektrischer Kontakt hergestellt wird, nicht beschichtet werden sollten, oder dass es in besonderen Fällen wünschenswert sein kann, eine leitfähige Beschichtung zu verwenden.

4. Polieren der Oberfläche

Eine der Endbearbeitungsmethoden ist das Polieren der Oberfläche, um eine saubere und glatte Oberfläche von Aluminium zu erhalten. Mechanisch gesehen ist das Polieren im Falle der elektrischen Leitfähigkeit der Prozess, der die Eigenschaft in Bezug auf die elektrische Leitfähigkeit verbessert, um eine sauberere Kontaktfläche zu bieten. Eine polierte Aluminiumoberfläche ermöglicht eine effizientere elektrische Verbindung, senkt den Widerstand und erhöht die Leistung elektrischer Systeme. Wenn jedoch zu viel poliert wird, kann es zu Materialverlusten kommen, was bei einigen Anwendungen ein Problem für die Integrität und Größe des Aluminiums darstellen kann. Daher sollte das Polieren nur eingesetzt werden, um das gewünschte Gleichgewicht zwischen Leitfähigkeit und Festigkeit des Materials zu erreichen.

Warum wird Aluminium in der Elektrizität verwendet?

Obwohl Kupfer im Vergleich zu Aluminium elektrisch leitfähig ist, hat dies die Elektroindustrie nicht dazu gebracht, auf Aluminium zu verzichten. Die Gründe dafür sind:

1. Kosten-Wirksamkeit

Ein günstigerer Preis ist einer der Hauptvorteile der Aluminiumanwendung in der Elektronik. Im Gegensatz zu Kupfer ist Aluminium billiger; sein Preis beträgt etwa ein Drittel der Kosten von Kupfer. Dieser Erschwinglichkeitsfaktor macht Aluminium zu einer großartigen Option, wenn es um große Elektroinstallationen geht, da eine große Menge an Material benötigt wird.

2. Leichtgewicht

Außerdem ist Aluminium im Vergleich zu Kupfer sehr leicht, und seine Dichte beträgt etwa ein Drittel der von Kupfer. Daher eignet es sich für Bereiche, in denen das Gewicht eine Rolle spielt, wie z. B. bei Freileitungen für die Stromübertragung. Die Transportkosten sind aufgrund des geringen Gewichts von Aluminium niedriger und die Installation ist einfach.

3. Korrosionsbeständigkeit

An der frischen Luft bildet Aluminium außerdem eine dünne schützende Oxidschicht, die die Oberfläche bedeckt. Diese Oxidschicht dient als Versiegelung, die nicht weiter oxidiert werden kann, so dass Aluminium ein äußerst korrosionsbeständiges Material ist. Dies ist vor allem bei elektrischen Anlagen im Freien von Vorteil, da Witterungseinflüsse und Feuchtigkeit andere Metalle wie Kupfer leicht korrodieren lassen können.

4. Verhältnis Stärke/Gewicht

Aluminium hat ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht, was bedeutet, dass es trotz seines geringen Gewichts eine hohe strukturelle Festigkeit aufweist. Dieser Aspekt macht Aluminium zu einer guten Wahl für fast alle elektrischen Anwendungen wie Kabel, Übertragungsleitungen und sogar für den Bau von elektrischen Geräten.

Festigkeit von Aluminium und Kupfer im Vergleich: Elektrische Leitfähigkeit

Wie bereits erwähnt, ist der elektrische CoDie Leitfähigkeit von Aluminium beträgt etwa 61 Prozent der von Kupfer. Dennoch ist der Unterschied in der Leitfähigkeit nicht so groß, wie es scheinen mag. Bei vielen Großanwendungen, z. B. bei der Energieübertragung, wiegen die Kosten- und Gewichtseinsparungen durch Aluminium die etwas geringere Leitfähigkeit auf. Wenn es jedoch um hohe elektrische Leistung geht, ist Kupfer immer noch der bessere Leiter.

Ein Vergleich Aluminium und Kupfer:

Obwohl Kupfer leitfähiger ist, erklärt sich der Leistungsunterschied in der Regel dadurch, dass ein Aluminiumkabel mit größerem Querschnitt die gleiche Strommenge wie ein Kupferkabel mit kleinerem Querschnitt transportieren muss. Aus diesem Grund werden für Freileitungen und andere große elektrische Anlagen in der Regel Aluminiumkabel verwendet.

Der Vergleich von Aluminium mit anderen Leitern

Wenn man Aluminium mit anderen elektrischen Leitern wie Kupfer und Silber vergleicht, sind seine Leistungen oft zufriedenstellend, aber nicht gut für ein Hochleistungssystem geeignet.

Verwendung von Aluminium in der Elektrizität

Aluminium findet Anwendung in sehr unterschiedlichen elektrischen Produkten, insbesondere dort, wo die genannten Eigenschaften von Vorteil sind: niedrige Kosten, geringe Dichte und Korrosionsbeständigkeit.

1. Stromübertragungsleitungen

Die häufigste Anwendung von Aluminium sind Stromfreileitungen, die sich aufgrund ihres geringen Gewichts und ihrer hohen Leitfähigkeit für die Stromübertragung über große Entfernungen eignen. Stromleitungen aus Aluminium sind im Vergleich zu Kupfer billiger in der Verlegung und Wartung und lassen sich aufgrund ihres geringen Gewichts bei der Installation der Leitungen leicht handhaben.

2. Elektrische Verdrahtung/Kabel

Aluminiumdrähte werden häufig im Wohnungs- und Gewerbebau verwendet, insbesondere für Stromkreise mit geringer und mittlerer elektrischer Belastbarkeit. In Hochleistungsstromkreisen kann nach wie vor Kupferdraht verwendet werden, aber Aluminium kann in großen Installationen eingesetzt werden, bei denen Kosten und Gewicht eine entscheidende Rolle spielen.

3. Erdungsdrähte

Erdungsdrähte bestehen ebenfalls aus Aluminium, da im Falle eines Fehlers ein sicherer Weg für den Stromfluss geschaffen werden muss. Die Erdung spielt eine grundlegende Rolle bei der sicheren Ableitung von übermäßigem elektrischem Strom in den Boden, damit keine Geräte beschädigt werden und die Gefahr von Bränden minimiert wird.

4. Elektrische Motoren und Apparate

Bei Elektromotoren und Transformatoren besteht das Wicklungsmaterial aus Aluminium. Das Metall ist leicht, relativ stabil und besitzt eine gute Leitfähigkeit, was es zu einer sehr guten Wahl für eine Vielzahl von industriellen und gewerblichen Anwendungen macht

Probleme und Lösungen für Probleme mit der Leitfähigkeit von Aluminium

So sehr Aluminium ein geeigneter Leiter ist, bringt es doch auch einige Probleme mit sich, die beim Einsatz als Leiter in einem elektrischen System gelöst werden sollten.

1. Höhere Resistenz

Der größte Nachteil von Aluminium ist, dass es elektrisch leitfähiger als Kupfer ist. Dies bedeutet, dass bei gleichem Stromfluss mehr Wärme und ein Spannungsabfall im Aluminiumdraht auftreten. Dies macht in einigen Fällen die Verwendung von größeren Aluminiumleitern erforderlich, um die gleiche Leistung wie bei Kupferdrähten zu erzielen.

2. Verbindungs- und Oxidationsprobleme

Aluminium kann leicht oxidiert werden, insbesondere an den Verbindungsstellen. Einerseits ist Aluminium, wenn es mit einer Oxidschicht überzogen ist, korrosionsbeständig, andererseits kann die Oxidschicht selbst als elektrischer Isolator wirken, der einen höheren Widerstand erzeugt und die Verbindungsstellen isoliert. Dies kann zu Überhitzung, Fehlfunktionen und im schlimmsten Fall zu einem elektrischen Ausfall führen. Um dies einzudämmen, sollte bei der Installation besonders darauf geachtet werden, dass die richtigen Verbindungen hergestellt werden und keine Korrosion an den Verbindungsstellen auftritt.

3. Mechanische Festigkeit

Obwohl Aluminium ein ausgezeichnetes Verhältnis von Festigkeit zu Masse aufweist, ist es weniger robust als Kupfer und kann insbesondere bei hohen Belastungen/Vibrationen anfällig für mechanische Beschädigungen sein. Bei Anwendungen mit hoher Beanspruchung werden die Aluminiumdrähte in der Regel mit Stahl oder anderen Materialien verstärkt.

Schlussfolgerung

Es lässt sich jedoch feststellen, dass Aluminium zwar Elektrizität leitet, aber aufgrund seiner guten Leitfähigkeit, seiner Wirtschaftlichkeit, seines geringen Gewichts und seiner Korrosionsbeständigkeit auch ein häufig verwendetes Material in der Elektroindustrie ist. Obwohl es nicht so leitfähig wie Kupfer ist, ist es billig genug und besitzt andere vorteilhafte Eigenschaften, so dass es in den meisten elektrischen Anwendungen als Alternative zu Kupfer verwendet werden kann.

Aluminium ist besonders praktisch bei Großprojekten wie der Energieübertragung und der elektrischen Verkabelung, wo die Preis- und Gewichtsvorteile die tendenziell geringere Leitfähigkeit bei weitem überwiegen. Die Herausforderungen, die Ingenieure und Elektriker bei der Planung und Verlegung von elektrischen Systemen auf Aluminiumbasis berücksichtigen sollten, sind jedoch die erhöhte Widerstandsfähigkeit und die Oxidation des Materials.

Nichtsdestotrotz ist Aluminium ein wichtiger Werkstoff für die Elektroindustrie, und sein Einsatz wird noch zunehmen, da weltweit effizientere und erschwinglichere elektrische Infrastrukturen gefordert werden.