Az alumínium az egyik legnépszerűbb fém a világon. Híres arról, hogy könnyű, nagy a szilárdság/tömeg aránya, és korrózióálló. Az alumínium egyik legfontosabb, vitatható tulajdonsága azonban az, hogy vezeti az elektromosságot. Ezért hogyan válaszoljon arra a kérdésre, hogy az alumínium elektromos vezető-e? Itt jutunk el a válaszhoz: igen, alumínium képes vezetni az elektromosságot, de nem olyan jól, mint a réz, amely az elektromos rendszerek létrehozásakor a választott fém. 

Ez az írás az alumínium elektromos vezetőképességét, az elektromos iparban való felhasználását, valamint az elektromos iparban való felhasználásának előnyeit és korlátait tárgyalja.

Mit jelent az elektromos vezetőképesség?

Először megvizsgáljuk, hogy mi az elektromos vezetőképesség, mielőtt megmondanánk, hogy az alumínium elektromos vezető-e vagy sem. Egy anyag elektromos áramot áteresztő képességét elektromos vezetőképességnek nevezzük. Ez az anyagban lévő szabadon mozgó elektronok számától függ. A fémek általában nagyon szabad elektronokkal rendelkeznek, amelyek könnyen áramolhatnak az atomszerkezetükben, ezért jó vezetők.

Egy adott anyag elektromos vezetőképességének mértékegysége a méterrel osztott siemens (S/m). Minél nagyobb az ellenállás, annál kevésbé lehetséges az elektromosság áthaladása. A nagy vezetőképességű anyagok, mint például a réz és az alumínium, számos elektromos alkalmazásban, például áramellátásban, energiaátvitelben, vezetékekben és áramkörökben találnak alkalmazást.

Vezeti az alumínium az elektromosságot?

Igen, az alumínium sokszorosan vezetőképesebb, mint a réz. Az alumíniumot jó vezetőnek tekintik, ha a fémek vezetőképességét vizsgáljuk, bár elektromos vezetőképessége csak körülbelül 61 százaléka a rézének. Ez azt jelenti, hogy a rézből nagyobb áram folyik át egy adott méretű vezetéken.

Ettől függetlenül az alumínium viszonylag nagy vezetőképessége miatt a legtöbb elektromos alkalmazásban alkalmazható, különösen ott, ahol a súly és a költség kritikus szempont. Az alumínium fajlagos ellenállása nem olyan magas, mint sok más anyagé, vagyis az alumínium is képes vezetni az áramot, de viszonylag kisebb ellenállással.

Hogyan vezeti az alumínium az elektromosságot?

Az elektromosság az alumíniumban azért vezethető, mert az atomok szerkezetén keresztül szabad elektronok áramlanak. Ezek a szabad elektronok csak gyengén kapcsolódnak a fém atomjaihoz, és könnyen elmozdulhatnak, ha elektromos tér van jelen. Mivel az anyag lehetővé teszi az elektronok áthaladását, elektromos áram jön létre.

Az alumínium is elég nagy mennyiségű szabad elektronnal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy szintén tisztességes áramvezető, de nem olyan hatékony, mint a réz. Körülbelül 61-szer kisebb az elektromos vezetőképessége, mint a rézé, tehát valamivel jobban ellenáll az elektronok áramlásának.

Az alumínium vezetőképessége is csökken a hőmérséklet növekedésével, mivel a fémben lévő atomok fokozott rezgése növeli az ellenállást. Ezenkívül az alumínium felületén nem vezető oxidrétegek alakulnak ki, és ez csökkentheti a vezetőképességet ott, ahol kötések készülnek. Ezt a kialakuló oxidréteget ellenőrizni kell, mert rontaná a jó vezetőképességet, különösen az elektromos érintkezőknél.

Elektromosan vezető alumínium fokozatok 

Az alumínium elektromos vezető, és vezetőképessége a minőségtől is függ, mivel a különböző minőségek különböző tisztaságú és ötvözetű fémeket tartalmaznak. Az alumíniumminőség típusa és a vezetőképessége közötti összefüggés elengedhetetlen az egyes elektromos alkalmazásokhoz megfelelő alumíniumtípus kiválasztásakor.

1. TISZTA alumínium ( 1100 Grd )

Az 1100-as minőségű alumínium az egyik legtisztább alumíniumnak tekinthető, amelynek tisztasági foka 99 százalékos vagy annál magasabb. Ez a tisztaság magas, ami jó elektromos vezetőképességhez vezet elektromosan ezért jó lenne olyan területeken, amelyek elektromos vezetőképességet és teljesítményt igényelnek a legjobban, mint a vezetékek és a villamos energiához való csatlakozások.

• Elektromos vezetőképesség: Körülbelül 61 százaléka a réznek.
• Alkalmazások: Energiakábel-rendszerekben, elektromos vezetékekben és más olyan eszközökben használják, ahol a nagy vezetőképesség és az alacsony ellenállás elengedhetetlen.

2. Alumínium ötvözet 1350

Az 1350-es alumíniumötvözet szintén nagy tisztaságú alumínium, csakhogy a szilárdság és más tulajdonságok fokozása érdekében apró mennyiségű rézzel kombinálják. Ez a minőség egy fokkal alacsonyabb szinten vezetőképes, mint az 1100-as minőségű alumínium rendelkezik, de hosszú utat tesz meg, hogy jó teljesítményt nyújtson az elektromos funkciókban is.

• Elektromos vezetőképesség: A réz vezetőképességének körülbelül 61 százaléka, ami olyan, mint az 1100-as minőségű alumínium.
• Alkalmazások: Széles körben használják vezetékekben, vezetékekben és transzformátorokban, különösen a nagyfeszültségű elektromos rendszerekben.

3. 6063 alumínium ötvözet

A 6063-as alumíniumosztály közepes szilárdságú ötvözet, és általában szerkezeti célokra, például extrudálásokhoz és keretekhez használják. Több olyan ötvözőanyagot tartalmaz, mint a magnézium és a szilícium, amelyek növelik a mechanikai szilárdságot, így elektromosan kevésbé vezetőképes, mint az 1100 és 1350 minőségű alumínium.

• Elektromos vezetőképesség: A réz vezetőképessége 50-55 százalékkal alacsonyabb, az elemek további ötvözési hatásai miatt.
• Alkalmazások: Főleg építészeti extrudálásokban, ablakkeretekben és űrhajózási alkotóelemekben alkalmazzák. Bár nem olyan vezetőképes, mint a tisztább fajták, mégis felhasználják olyan területeken, ahol a vezetőképesség helyett a szilárdság és az alakíthatóság a fontos.

4. Alumínium ötvözet 1050

Az 1050-es alumíniumötvözet szintén nagy tisztaságú alumínium, azzal a különbséggel, hogy enyhe vastartalommal rendelkezik; ezért vezetőképessége kisebb, mint az 1100-as minőségű alumíniumé. Elektromos vezetőképessége azonban jó a különböző alkalmazásokhoz.

• Elektromos vezetőképesség: Az elektromos vezetőképesség mértéke 99,76 % a rézé, az 1100-as minőségűnek megfelelő.
• Alkalmazások: Elektromos kábelek, vezetékek és akkumulátorcsatlakozók, amelyeknél a nagy vezetőképesség a tényező, de amelyeknél az idézett mechanikai szilárdság nem lényeges szempont.

5. Aloy 6061 alumínium

Ezt a 6061-es minőségű alumíniumötvözetet jó mechanikai tulajdonságai és sokoldalúsága teszi népszerűvé. Az erősség érdekében magnéziummal és szilíciummal ötvözik, ami mérsékelt vezetőképesség-veszteséget okoz.

-Elektromos vezetőképesség: a réz vezetőképességének körülbelül 45-50 százaléka.

Alkalmazás: Az elektromos vezetőképességnek nem volt nagy jelentősége, de a szilárdságnak és a korrózióállóságnak igen.

Az elektromos vezetőképességet befolyásolja az alumínium felületkezelés?

Az alumínium elektromos vezetőképességét nagymértékben befolyásolhatja az alumínium kikészítése, és ezt a fémre alkalmazott kikészítés határozza meg. Az alumínium vezető tulajdonsága különböző felületkezelésekkel változtatható meg: oxidréteg kialakításával, eloxálással, bevonattal, polírozással stb.

1. Az oxidréteg kialakulása

Levegő jelenlétében, például az oxidációs folyamat során az alumínium vékony oxidréteget (Al 2 O 3 ) képez. Bár ez az oxidréteg védelmet nyújt a korrózió ellen, nem vezetőképes. Ez azt jelenti, hogy ez az oxidréteg azon a ponton, ahol az elektromosság csatlakozik, növelheti az ellenállást, ezáltal veszélyeztetve az alumínium általános vezetőképességét. A nagy teljesítményű elektromos tevékenységek hatékonysága elveszhet ennek az oxidrétegnek a létezése miatt. A jó vezetőképesség elérése érdekében az ilyen oxidréteget az érintkezési helyeken meg kell szüntetni vagy korlátozni kell, vagy felületi kezelésekkel kell ellátni az oxidlerakódás elkerülése érdekében.

2. Eloxálás

Az alumínium esetében az eloxálás olyan eljárás, amelynek célja az oxidréteg szándékos vastagabbá tétele. Bár növeli a korrózióállóságot és javítja a felület esztétikai megjelenését, az eloxálás tovább szigeteli a felületet. Ez jelentősen csökkenti az alumínium vezetőképességét, ami alkalmatlanná teszi az elektromos áramot használó alkalmazásokhoz. Bizonyos, például esztétikai jelentőségű alkalmazásoknál azonban az anódos bevonatot a védőhatás miatt nem távolítják el, ami komoly veszélyt jelent. Az anodizálás nem lehet optimális a vezetőképes alkalmazásokban, hacsak nem tervezik az oxidréteg célzott eltávolítását a csatlakozási pontokon.

3. Bevonatok és festékek

Az alumíniumot bevonják és festik, hogy extra védelmet nyújtson a környezeti elemekkel szemben, és javítsa a megjelenést. A bevonatok túlnyomó többsége (különösen a normál festék) azonban szigetelő hatású, és elektromos vezetőképességi gátat képez. A bevonatok hatására a fém elektromos vezetőképessége nagymértékben csökken a bevonat alkalmazása esetén. Az elektromos rendszerekben alkalmazott alumínium esetében nem szabad megfeledkezni arról, hogy az elektromos érintkezésbe kerülő részeket nem szabad bevonattal ellátni, illetve különleges esetekben bizonyos helyzetekben kívánatos lehet a vezető bevonat alkalmazása.

4. Felület polírozása

Az egyik alkalmazott befejező módszer a felületi polírozás annak érdekében, hogy az alumínium felülete tiszta és sima legyen. Mechanikusan a polírozás az elektromos vezetőképesség esetében az a folyamat, amely javítja a tulajdonságot az elektromos vezetőképesség szempontjából, hogy tisztább érintkezési felületet kínáljon. A polírozott alumíniumfelület nagyobb hatékonyságot tesz lehetővé az elektromos csatlakozásban, csökkenti az ellenállást és növeli a teljesítményt az elektromos rendszerekben. Ha azonban a polírozás túlságosan sok, az anyagvesztéshez vezethet, ami bizonyos alkalmazásokban problémát jelenthet az alumínium integritása és mérete szempontjából. Következésképpen a polírozás csak a vezetőképesség és az anyag szilárdsága közötti kívánatos egyensúly eléréséhez használható.

Miért használják az alumíniumot a villamos energiában?

Bár a réz az alumíniumhoz képest elektromosan vezető, ez mégsem vezette az elektromos ipart az alumínium használatától való elszakadáshoz. Ennek okai a következők:

1. Költséghatékonyság

Az olcsóbb ár az egyik fő előnye az elektronikában alkalmazott alumíniumnak. A rézzel ellentétben az alumínium olcsóbb; valójában az ára körülbelül egyharmada a réz árának. Ez a megfizethetőségi tényező teszi az alumíniumot nagyszerű választássá, ha nagyszabású elektromos berendezésekről van szó, mivel bőséges mennyiségű anyagra van szükség.

2. Könnyűsúlyú

Az alumínium a rézhez képest is nagyon könnyű, sűrűsége körülbelül egyharmada a rézének. Ez teszi alkalmassá olyan területeken, ahol a súly kérdéses, mint például a villamos légvezetékeknél. Az alumínium könnyű súlya miatt a szállítási költség alacsonyabb, és a telepítés is egyszerűvé válik.

3. Korrózióállóság

A szabad levegőn az alumínium természetes módon egy vékony védő oxidbevonatot is képez, amely a felületet borítja. Ez az oxidréteg tömítőanyagként szolgál, amely nem tud tovább oxidálódni, és így az alumínium rendkívül korrózióálló anyag. Ez különösen a szabadban lévő elektromos rendszerek esetében előnyös, mivel az időjárási tényezők és a páratartalom könnyen korrodálhat más fémeket, például a rezet.

4. Erő-tömeg arány

Az alumínium nagy szilárdság/tömeg aránnyal rendelkezik, ami azt jelenti, hogy bár könnyű, mégis nagy szerkezeti szilárdságot tud nyújtani. Ez a szempont teszi az alumíniumot gyönyörű választássá szinte minden elektromos kérdésben, például kábelek, távvezetékek és még az elektromos berendezések építésénél is.

Az alumínium és a réz szilárdságának összehasonlítása: Elektromos vezetőképesség

Amint azt már említettük, az elektromos konduktivitása az alumíniumnak körülbelül 61 százaléka a rézé. Mindazonáltal a vezetőképességbeli különbség nem olyan hatalmas, mint amilyennek látszik. Számos nagyméretű alkalmazás, például az energiaátvitel esetében az alumínium által biztosított költség- és súlymegtakarítás ellensúlyozza a kissé alacsonyabb vezetőképességet. Ezzel együtt, ha nagy elektromos teljesítményről van szó, akkor a réz még mindig a jobb vezető.

Összehasonlítás Alumínium és réz:

Bár a réz vezetőképesebb, a teljesítménybeli különbséget általában azzal magyarázzák, hogy egy nagyobb keresztmetszetű alumíniumkábelt úgy állítanak be, hogy ugyanazt a villamos energiamennyiséget egy kisebb keresztmetszetű rézkábelben szállítsa. Ezért alkalmazzák általában alumíniumkábeleket a villamos légvezetékek és más nagyméretű elektromos berendezések esetében.

Az alumínium és más vezetők összehasonlítása

Amikor az alumíniumot más elektromos vezetőkkel, például rézzel és ezüsttel hasonlítjuk össze, a teljesítménye sokszor kielégítőnek mondható, de nem jól használható egy nagy teljesítményű rendszerben.

Az alumínium felhasználása a villamos energiában

Az alumíniumot nagyon sokféle elektromos termékben alkalmazzák, különösen ott, ahol az említett tulajdonságok előnyösek:; alacsony költség, alacsony sűrűség és korrózióállóság.

1. Villamosenergia-átviteli vezetékek

Az alumínium leggyakoribb felhasználási területe a felsővezetékek, ahol kis súlya és magas vezetőképessége alkalmassá teszi a nagy távolságra történő villamosenergia-átvitelre. Az alumíniumból álló távvezetékek alkalmazása a rézhez képest olcsóbb a fektetése és karbantartása, és könnyű súlya miatt a vezetékek telepítése szempontjából is könnyen kezelhető.

2. Elektromos vezetékek / kábelek

Az alumínium vezetékeket gyakran használják a lakó- és kereskedelmi építkezésekben, különösen az alacsony és közepes szintű elektromos terhelésekkel rendelkező áramkörökben. A nagy teljesítményű áramkörökben továbbra is alkalmazható rézhuzal, de az alumíniumot olyan nagy létesítményekben lehet alkalmazni, ahol a költség és a súly döntő szerepet játszik.

3. Földelő vezetékek

A földelő vezetékek szintén alumíniumból készülnek, mivel egy biztonságos útvonalat kell biztosítani, amelyen az elektromos áram hiba esetén áramolhat. A földelés alapvető szerepet játszik abban, hogy a túlzott elektromos áram biztonságosan eloszoljon a földön, így nem sérülnek meg a berendezések, és minimálisra csökken az elektromos tüzek kialakulásának esélye.

4. Elektromos motorok és készülékek

Az elektromos motorok és transzformátorok tekercselőanyagát alumínium alkotja. A fém könnyű, viszonylag erős és jó vezetőképességgel rendelkezik, ami jelentősen nagyszerű választássá teszi az ipari és kereskedelmi alkalmazások széles skáláján való alkalmazásakor.

Problémák és megoldások az alumínium vezetőképességével kapcsolatos problémákra

Bármennyire is megfelelő vezető az alumínium, bizonyos problémákat is fel kell oldani, amikor egy elektromos rendszerben vezetőként alkalmazzák.

1. Nagyobb ellenállás

Az alumínium legnagyobb hátránya, hogy elektromosan vezetőbb, mint a réz. Ez azt jelenti, hogy azonos áram folyása esetén több hő és feszültségcsökkenés keletkezik az alumíniumhuzalban. Ez ,néhány esetben nagyobb alumíniumvezetékek használatát teszi szükségessé a rézhuzalokkal azonos teljesítmény eléréséhez.

2. Csatlakozási és oxidációs problémák

Az alumínium könnyen oxidálódik, különösen az ízületek. Egyrészt, ha az alumíniumot oxidréteg borítja, korrózióállóvá válik; másrészt az oxidréteg elektromos szigetelőként rétegezheti magát, nagyobb ellenállást létrehozva, elszigetelve az illesztéseket. Ez túlmelegedést, hibás működést és legrosszabb esetben elektromos meghibásodást okozhat. Ennek megfékezésére törekedve a beépítés során különös figyelmet kell követelni, hogy a megfelelő csatlakozások készüljenek el, és az illesztéseknél ne alakulhasson ki korrózió.

3. Mechanikai szilárdság

Bár az alumínium kiváló szilárdság-tömeg aránnyal rendelkezik, még mindig kevésbé robusztus, mint a réz, és különösen nagy igénybevétel/rezgés esetén hajlamos lehet a mechanikai sérülésekre. A nagy igénybevételű alkalmazásokban az alumíniumhuzalokat általában acéllal vagy más anyagokkal erősítik meg.

Következtetés

Megállapítható azonban, hogy az alumínium valóban vezeti az elektromosságot, de az elektromos iparban is gyakran használt anyag, mivel jó a vezetőképessége, gazdaságos, könnyű, és ellenáll a korróziónak. Bár nem olyan vezetőképes, mint a réz, elég olcsó, és más előnyös tulajdonságokkal rendelkezik, így a legtöbb elektromos alkalmazásban a réz alternatívájaként használható.

Alumínium különösen praktikus az olyan nagyméretű vállalkozásoknál, mint az energiaátvitel és az elektromos vezetékek, ahol az ár- és súlyelőnyök nagymértékben ellensúlyozzák a kisebb vezetőképességre való hajlamot. Mindazonáltal kihívásai, amelyeket a mérnököknek és a villanyszerelőknek figyelembe kell venniük az alumíniumalapú elektromos rendszerek tervezésekor és fektetésekor, a fokozott ellenállás és az oxidáció.

Mindazonáltal az alumínium létfontosságú anyag az elektromos iparban, és felhasználása csak növekedni fog, mivel világszerte egyre hatékonyabb és megfizethetőbb elektromos infrastruktúrákra van szükség.