Alumiini on yksi maailman suosituimmista metalleista. Se on tunnettu siitä, että se on kevyt, sillä on korkea lujuus-painosuhde ja se kestää korroosiota. Yksi alumiinin tärkeimmistä ominaisuuksista, josta voidaan kuitenkin kiistellä, on se, että se johtaa sähköä. Miten siis vastata kysymykseen: Onko alumiini sähköä johtava aine? Tässä tullaan vastaukseen: kyllä, alumiini voi johtaa sähköä, mutta ei yhtä hyvin kuin kupari, joka on ollut valintametalli sähköjärjestelmää luotaessa. 

Tässä asiakirjassa käsitellään alumiinin sähkönjohtavuutta, sen käyttöä sähköteollisuudessa sekä sen käytön etuja ja rajoituksia sähköteollisuudessa.

Mitä tarkoittaa sähkönjohtavuus?

Tarkastelemme ensin, mitä sähkönjohtavuus on, ennen kuin sanomme, onko alumiini sähkönjohdin vai ei. Materiaalin kykyä johtaa sähkövirtaa kutsutaan sähkönjohtavuudeksi. Se riippuu vapaasti liikkuvien elektronien määrästä kyseisessä materiaalissa. Metalleilla on yleensä hyvin vapaita elektroneja, jotka voivat liikkua helposti niiden atomirakenteessa, joten ne ovat hyviä johtimia.

Tietyn materiaalin sähkönjohtavuuden mittayksikkö on siemens jaettuna metrillä (S/m). Mitä suurempi vastus on, sitä huonommin sähkö pääsee kulkemaan sen läpi. Hyvin johtavia materiaaleja, kuten kuparia ja alumiinia, käytetään useissa sähkösovelluksissa, kuten sähkönsyötössä, sähkönsiirrossa, johdotuksessa ja virtapiireissä.

Johtaako alumiini sähköä?

Kyllä, alumiini on moninkertaisesti kuparia johtavampi. Alumiinia pidetään hyvänä johtimena, kun tarkastellaan metallien johtavuutta, vaikka sen sähkönjohtavuus on vain noin 61 prosenttia kuparista. Tämä tarkoittaa sitä, että kuparilla saadaan suurempi virta kulkemaan tietyn kokoisen johdon läpi.

Tästä huolimatta alumiinin suhteellisen korkea johtavuus tekee siitä käyttökelpoisen useimmissa sähköisissä sovelluksissa, erityisesti silloin, kun paino ja kustannukset ovat ratkaisevia tekijöitä. Alumiinin resistiivisyys ei ole yhtä suuri kuin monien muiden materiaalien; toisin sanoen alumiini voi myös johtaa sähköä, mutta suhteellisen pienemmällä vastuksella.

Miten alumiini johtaa sähköä?

Sähköä johdetaan alumiinissa, koska vapaat elektronit virtaavat atomien rakenteen läpi. Nämä vapaat elektronit ovat vain heikosti sidoksissa metallin atomeihin, ja ne voivat helposti liikkua, kun sähkökenttä on läsnä. Kun materiaali sallii elektronien kulkea sen läpi, syntyy sähkövirta.

Alumiinilla on myös melko paljon vapaita elektroneja, joten se on myös hyvä sähkönjohdin, mutta ei yhtä tehokas kuin kupari. Se on noin 61 kertaa vähemmän sähköä johtava kuin kupari, joten se kestää hieman paremmin elektronien virtausta.

Myös alumiinin johtavuus vähenee lämpötilan noustessa, koska metallin atomien värähtely lisääntyy, mikä lisää vastusta. Lisäksi alumiinin pinnalle kehittyy johtavuutta heikentäviä oksidikerroksia, mikä voi heikentää johtavuutta liitosten kohdalla. Tätä muodostuvaa oksidikerrosta olisi valvottava, koska se heikentäisi hyvää johtavuutta erityisesti sähkökontakteissa.

Sähköä johtavat alumiinilaadut 

Alumiini on sähköä johtava aine, ja sen johtavuus riippuu myös laatuluokasta, sillä eri laatuluokat sisältävät eri puhtauksia ja seosmetalleja. Alumiinilaadun tyypin ja sen johtavuuden välinen korrelaatio on välttämätöntä, kun valitaan oikeanlaista alumiinia, joka sopii tiettyihin sähkösovelluksiin.

1. Puhdas alumiini ( 1100 Grd )

Alumiinilaatua 1100 voidaan pitää yhtenä puhtaimmista aluminoista, jonka puhtausaste on 99 prosenttia tai enemmän. Tämä puhtaus on korkea, mikä johtaa hyvään sähkönjohtavuuteen sähköisesti, joten se olisi hyvä alueilla, jotka vaativat sähkönjohtavuutta ja suorituskykyä parhaiten, kuten johdotukset ja yhteydet sähköön.

• Sähkönjohtavuus: Noin 61 prosenttia kuparista.
• Sovellukset: Sitä käytetään sähkökaapelijärjestelmissä, sähköjohtimissa ja muissa laitteissa, joissa korkea johtavuus ja alhainen vastus ovat välttämättömiä.

2. Alumiiniseos 1350

Alumiiniseos 1350 on myös erittäin puhdasta alumiinia, mutta siihen on yhdistetty pieniä määriä kuparia lujuuden ja muiden ominaisuuksien parantamiseksi. Tämä laatu on johtavuudeltaan pykälän matalampi kuin 1100-luokan alumiini, mutta se antaa pitkälle hyvän suorituskyvyn myös sähköisissä toiminnoissa.

• Sähkönjohtavuus: Noin 61 prosenttia kuparin johtavuudesta, joka on kuin 1100-luokan alumiini.
• Sovellukset: Sitä käytetään laajalti johdoissa, johtimissa ja muuntajissa, erityisesti suurjännitesähköjärjestelmissä.

3. 6063 Alumiiniseos

Alumiinilaatu 6063 on keskiluja seos, ja sitä käytetään tavallisesti rakenteellisiin tarkoituksiin, kuten puristusosiin ja kehyksiin. Se sisältää enemmän seosaineita, kuten magnesiumia ja piitä, jotka lisäävät mekaanista lujuutta, mikä tekee siitä sähköä huonommin johtavan kuin 1100- ja 1350-luokan alumiinista.

• Sähkönjohtavuus: Kuparin johtavuus on 50-55 prosenttia alhaisempi, ja lisäksi kuparilla on seosaineiden seostava vaikutus.
• Sovellukset: Sitä käytetään pääasiassa arkkitehtonisissa puristekappaleissa, ikkunanpuitteissa ja ilmailu- ja avaruusalan rakenneosissa. Vaikka se ei ole yhtä johtavaa kuin puhtaammat laadut, sitä käytetään joillakin aloilla, joilla lujuus ja muovattavuus ovat tärkeämpiä kuin johtavuus.

4. Alumiiniseos 1050

Alumiiniseos 1050 on myös erittäin puhdasta alumiinia, mutta siinä on hieman rautaa, joten sen johtavuus on pienempi kuin 1100-luokan alumiinin. Sen sähkönjohtavuus on kuitenkin hyvä eri sovelluksissa.

• Sähkönjohtavuus: Sähkönjohtavuus on 99,76 % kuparista, mikä vastaa 1100-luokan luokkaa.
• Sovellukset: Sähkökaapelit, -langat ja akkuliittimet, joissa korkea johtavuus on tärkeä tekijä, mutta joissa mainittu mekaaninen lujuus ei ole merkittävä tekijä.

5. Aloy 6061 alumiini

Tämän 6061-luokan alumiiniseoksen suosio perustuu sen hyviin mekaanisiin ominaisuuksiin ja monipuolisuuteen. Vahvuuden aikaansaamiseksi se on seostettu magnesiumilla ja piillä, mikä heikentää johtokykyä jonkin verran.

-Sähkönjohtavuus: noin 45-50 prosenttia kuparin johtavuudesta.

Sovellus: Sähköjohtokyky ei ole kovin tärkeä, mutta lujuus ja korroosionkestävyys ovat.

Vaikuttaako alumiinin viimeistely sähkönjohtavuuteen?

Alumiinin sähkönjohtavuuteen voi vaikuttaa suuresti alumiinin viimeistely, ja se määräytyy sen mukaan, miten metalli viimeistellään. Alumiinin johtavuutta voidaan muuttaa erilaisilla pintakäsittelyillä: oksidikerroksen muodostamisella, anodisoinnilla, pinnoituksella, kiillotuksella jne.

1. Oksidikerroksen muodostuminen

Ilman läsnä ollessa, esimerkiksi hapettumisprosessin aikana, alumiini muodostaa ohuen oksidikerroksen (Al 2 O 3 ). Vaikka tämä oksidikerros suojaa korroosiolta, se ei ole johtava. Tämä tarkoittaa sitä, että tämä oksidikalvo kohdassa, johon sähkö kytketään, voi nostaa vastusta, mikä heikentää alumiinin yleistä johtavuutta. Tämän oksidikerroksen olemassaolon vuoksi sähkötoiminnan tehokkuus voi heikentyä suurella suorituskyvyllä. Hyvän johtavuuden saavuttamiseksi tällainen oksidikerros on poistettava tai rajoitettava kosketuskohdissa, tai pintakäsittelyt toimitetaan oksidikerrostumisen välttämiseksi.

2. Anodisointi

Kun kyseessä on alumiini, anodisointi on prosessi, jonka tarkoituksena on tehdä oksidikalvosta tarkoituksellisesti paksumpi. Vaikka anodisointi parantaa korroosionkestävyyttä ja pinnan esteettistä viimeistelyä, se tekee pinnasta myös eristävämmän. Tämä vähentää huomattavasti alumiinin johtavuutta, minkä vuoksi se ei sovellu sovelluksiin, joissa käytetään sähkövirtaa. Tietyissä sovelluksissa, kuten esteettisesti tärkeissä sovelluksissa, anodisointia ei kuitenkaan poisteta suojavaikutuksen vuoksi, mikä on suuri uhka. Anodisointi ei voi olla optimaalinen sähköä johtavissa sovelluksissa, ellei oksidikerroksen tarkoituksellista poistamista suunnitella liitoskohdissa.

3. Pinnoitteet ja maalit

Alumiini on pinnoitettu ja maalattu, jotta se tarjoaa lisäsuojaa ympäristön elementtejä vastaan ja parantaa ulkonäköä. Valtaosa pinnoitteista (erityisesti tavallisista maaleista) on kuitenkin eristäviä ja muodostavat sähköä johtavia esteitä. Pinnoitteet vähentävät metallin sähkönjohtavuutta huomattavasti tapauksissa, joissa pinnoite on levitetty. Kun alumiinia käytetään sähköjärjestelmissä, on muistettava, että osia, joihin tehdään sähköinen kosketus, ei pitäisi pinnoittaa, tai erityistapauksissa voi olla suotavaa käyttää johtavaa pinnoitetta tietyissä tilanteissa.

4. Pinnan kiillotus

Yksi käytetyistä viimeistelymenetelmistä on pinnan kiillotus, jotta alumiinista saadaan puhdas ja sileä pinta. Mekaanisesti kiillotus on sähkönjohtavuuden tapauksessa prosessi, joka parantaa ominaisuutta sähkönjohtavuuden kannalta tarjotakseen puhtaamman kosketuspinnan. Kiillotettu alumiinipinta mahdollistaa suuremman tehokkuuden sähköliitännässä, alentaa vastusta ja parantaa suorituskykyä sähköjärjestelmissä. Mutta kun kiillotusta tehdään liikaa, se voi johtaa materiaalin häviämiseen, mikä voi olla ongelma alumiinin eheyden ja koon kannalta joissakin sovelluksissa. Näin ollen kiillotusta on käytettävä vain, jotta saavutetaan toivottu tasapaino johtavuuden ja materiaalin lujuuden välillä.

Miksi alumiinia käytetään sähköntuotannossa?

Vaikka kupari on sähköä johtavampaa kuin alumiini, se ei ole johtanut siihen, että sähköteollisuus olisi luopunut alumiinin käytöstä. Syitä tähän ovat:

1. Kustannustehokkuus

Halvempi hinta on yksi tärkeimmistä eduista, joita alumiinin käyttö elektroniikassa tuo mukanaan. Toisin kuin kupari, alumiini on halvempaa; itse asiassa sen hinta on noin kolmannes kuparin hinnasta. Tämä edullisuustekijä tekee alumiinista loistavan vaihtoehdon, kun on kyse laajamittaisista sähköasennuksista, koska materiaalia tarvitaan runsaasti.

2. Kevyt

Alumiini on myös erittäin kevyttä kupariin verrattuna, ja sen tiheys on noin kolmannes kupariin verrattuna. Tämän vuoksi se soveltuu aloille, joilla painolla on merkitystä, kuten sähkönsiirtojohtojen ilmajohtoihin. Kuljetuskustannukset ovat alumiinin keveyden ansiosta alhaisemmat, ja sen asentaminen on helppoa.

3. Korroosionkestävyys

Avoimessa ilmassa alumiiniin muodostuu luonnostaan ohut suojaava oksidikerros, joka peittää pinnan. Tämä oksidikalvo toimii tiivisteenä, joka ei voi enää hapettua, ja siksi alumiini on erittäin korroosionkestävä materiaali. Tämä on eduksi erityisesti ulkona oleville sähköjärjestelmille, sillä säätekijät ja kosteus syövyttävät helposti muita metalleja, kuten kuparia.

4. Lujuus-painosuhde

Alumiinilla on suuri lujuus-painosuhde, mikä tarkoittaa, että vaikka se on kevyt, se voi tarjota suuren rakenteellisen lujuuden. Tämä seikka tekee alumiinista kauniin vaihtoehdon lähes kaikissa sähköasioissa, kuten kaapeleissa, siirtojohdoissa ja jopa sähkölaitteiden rakentamisessa.

Alumiinin ja kuparin lujuus verrattuna: Sähkönjohtavuus

Kuten edellä on todettu, sähköinen conduktiviteetti on noin 61 prosenttia kuparin induktiivisuudesta. Johtavuusero ei kuitenkaan ole niin suuri kuin miltä se saattaa vaikuttaa. Monissa laajamittaisissa sovelluksissa, esimerkiksi sähkönsiirrossa, alumiinin tuomat kustannus- ja painosäästöt kompensoivat sen hieman heikomman johtavuuden. Kun on kyse korkeasta sähköisestä suorituskyvystä, kupari on kuitenkin edelleen parempi johdin.

Vertailu Alumiini ja kupari:

Vaikka kupari on johtavampaa, suorituskyvyn ero selittyy yleensä sillä, että suurempi poikkileikkaukseltaan suurempi alumiinikaapeli kuljettaa saman määrän sähköä pienemmän poikkileikkauksen omaavassa kuparikaapelissa. Tämän vuoksi ilmajohdoissa ja muissa laajamittaisissa sähköasennuksissa käytetään yleensä alumiinikaapeleita.

Alumiinin vertailu muihin johtimiin

Kun alumiinia verrataan muihin sähköjohtimiin, kuten kupariin ja hopeaan, sen suorituskyvyn sanotaan olevan monesti tyydyttävä, mutta sitä ei voida käyttää hyvin tehokkaassa järjestelmässä.

Alumiinin käyttö sähköalalla

Alumiinia käytetään hyvin monenlaisissa sähkötuotteissa, erityisesti silloin, kun mainitut ominaisuudet ovat eduksi: alhaiset kustannukset, alhainen tiheys ja korroosionkestävyys.

1. Voimansiirtolinjat

Alumiinin yleisin käyttökohde on ilmajohdot, joissa alumiinin alhainen paino ja korkea johtavuusarvo tekevät siitä sopivan pitkien etäisyyksien sähkönsiirtoon. Alumiinista koostuvien voimajohtojen käyttö on kupariin verrattuna halvempaa asentaa ja ylläpitää, ja keveytensä ansiosta niitä on helppo käsitellä johtojen asennuksen yhteydessä.

2. Sähköjohdot / kaapelit

Alumiinijohdotuksia käytetään yleisesti asuin- ja liikerakentamisessa, erityisesti piireissä, joiden sähkökuormitukset ovat pieniä ja keskisuuria. Kuparijohtoa voidaan edelleen käyttää suuritehoisissa virtapiireissä, mutta alumiinia voidaan käyttää suurissa asennuksissa, joissa kustannuksilla ja painolla on ratkaiseva merkitys.

3. Maadoitusjohdot

Maadoitusjohdot on myös valmistettu alumiinista, koska sähkövirran on kuljettava turvallista reittiä vian sattuessa. Maadoituksella on olennainen merkitys liiallisen sähkövirran turvallisessa hälventämisessä maahan, jotta laitteet eivät vaurioidu ja sähköpalojen mahdollisuus minimoituu.

4. Sähkömoottorit ja -laitteet

Sähkömoottoreissa ja muuntajissa käämimateriaalina on alumiini. Metalli on kevyttä, suhteellisen vahvaa ja sillä on hyvä johtavuus, mikä tekee siitä huomattavan hyvän vaihtoehdon, kun sitä käytetään monenlaisissa teollisissa ja kaupallisissa sovelluksissa.

Kysymyksiä ja ratkaisuja alumiinin johtavuuteen liittyviin ongelmiin

Vaikka alumiini onkin sopiva johdin, siihen liittyy myös tiettyjä ongelmia, jotka on ratkaistava, kun sitä käytetään sähköjärjestelmän johtimena.

1. Suurempi vastus

Alumiinin suurin haittapuoli on, että se on sähköä johtavampi kuin kupari. Tämä merkitsee sitä, että saman virran kulkiessa alumiinijohdossa on enemmän lämpöä ja jännitteen lasku. Tämä edellyttää joissakin tapauksissa suurempien alumiinijohtimien käyttöä, jotta saadaan sama suorituskyky kuin kuparijohtimilla.

2. Liitäntä- ja hapettumisongelmat

Alumiini hapettuu helposti, erityisesti liitokset. Toisaalta, kun alumiini on peitetty oksidikerroksella, se on korroosionkestävä; toisaalta oksidikerros voi kerrostua sähköisenä eristeenä, joka luo suuremman vastuksen ja eristää liitokset. Tämä voi aiheuttaa ylikuumenemista, toimintahäiriöitä ja pahimmillaan sähkökatkoksia. Tämän estämiseksi asennuksen aikana on kiinnitettävä erityistä huomiota siihen, että liitokset tehdään oikein ja että liitoskohdissa ei esiinny korroosiota.

3. Mekaaninen lujuus

Vaikka alumiinin lujuus-massasuhde on erinomainen, se ei ole yhtä vankka kuin kupari, ja se voi olla altis mekaanisille vaurioille, erityisesti kovassa rasituksessa ja tärinässä. Korkean rasituksen sovelluksissa alumiinilangat on yleensä vahvistettu teräksellä tai muilla materiaaleilla.

Päätelmä

Voidaan kuitenkin päätellä, että alumiini todellakin johtaa sähköä, mutta se on myös yleisesti käytetty materiaali sähköteknisessä teollisuudessa, koska se johtaa hyvin, on taloudellinen, kevyt ja korroosionkestävä. Vaikka se ei ole yhtä johtava kuin kupari, se on riittävän halpa ja sillä on muita hyödyllisiä ominaisuuksia, joten sitä voidaan käyttää vaihtoehtona kuparille useimmissa sähkösovelluksissa.

Alumiini on erityisen käytännöllinen laajamittaisissa hankkeissa, kuten voimansiirrossa ja sähköjohdoissa, joissa hinta- ja painohyödyt ovat huomattavasti tärkeämpiä kuin heikompi johtavuus. Alumiinipohjaisia sähköjärjestelmiä suunniteltaessa ja asennettaessa insinöörien ja sähköasentajien olisi kuitenkin otettava huomioon sen haasteet, joita ovat sen lisääntynyt kestävyys ja hapettuminen.

Alumiini on kuitenkin tärkeä sähköteollisuudessa käytettävä materiaali, ja sen käyttö lisääntyy entisestään, koska kaikkialla maailmassa vaaditaan entistä tehokkaampia ja edullisempia sähköinfrastruktuureja.