アルミニウムは世界で人気のある金属のひとつである。軽量で、強度重量比が高く、耐食性に優れていることで有名です。しかし、アルミニウムの最も重要な特性のひとつに、電気を通すということがあります。では、アルミニウムは電気を通すのでしょうか？ここで、「はい」という答えにたどり着きます、 アルミニウム は電気を通すことができるが、電気システムを作る際に選ばれてきた金属である銅ほどではない。 

本稿では、アルミニウムの電気伝導率、電気産業におけるアルミニウムの使用、電気産業におけるアルミニウム使用の利点と限界について述べる。

電気伝導率とは何か？

アルミニウムが電気伝導体であるかどうかを述べる前に、まず電気伝導率とは何かを考えてみる。ある物質が電流を通す能力を電気伝導率と呼びます。これは、その材料中の自由に動く電子の数によって決まります。一般的に金属は、その原子構造内で容易に流れることができる非常に自由な電子を持っているため、優れた導体です。

ある物質の電気伝導率の測定単位は、ジーメンス÷メートル（S/m）で表される。抵抗が大きければ大きいほど、電気が通り抜ける可能性は低くなる。銅やアルミニウムのような導電性の高い材料は、電力供給、送電、配線、回路など、さまざまな電気的用途で使用されている。

アルミニウムは電気を通すのか？

そう、アルミニウムは銅の何倍も導電性がある。アルミニウムは、金属の導電率を見ると良い導体とみなされますが、その電気伝導率は銅の約61パーセントにすぎません。このことは、銅の方が同じサイズのワイヤーを流れる電流が大きいことを意味しています。

それにもかかわらず、アルミニウムは比較的高い導電率を持つため、特に重量とコストが重要視されるほとんどの電気的用途に適用できます。アルミニウムの抵抗率は、他の多くの材料ほど高くありません。つまり、アルミニウムも電気を通すことができますが、抵抗は比較的小さくなります。

アルミニウムはどのように電気を発生させるのか？

アルミニウムの中で電気が伝わるのは、原子の構造を通して自由電子が流れるからである。これらの自由電子は、金属の原子との結びつきが弱いため、電界が存在すると容易に移動することができる。材料が電子を通過させると、電流が発生する。

アルミニウムは自由電子の量も多く、電気をよく通すが、銅ほど効率的ではない。アルミニウムの電気伝導性は銅の約61分の1であり、電子の流れに対してやや抵抗がある。

また、アルミニウムの導電性は、温度が上昇すると金属中の原子の振動が大きくなり、抵抗が増加するため低下する。さらに、アルミニウムの表面には非導電性の酸化物層が形成され、これが接合部の導電性を低下させることがある。形成されたこの酸化物層は、特に電気接点において良好な導電性を損なうため、制御されるべきである。

導電性アルミニウム・グレード 

アルミニウムは導電体であり、その導電性のレベルは等級によっても異なります。アルミニウムのグレードと導電率の相関関係は、特定の電気的用途に適合する適切なタイプのアルミニウムを選択する際に不可欠です。

1.ピュア・アルミニウム ( 1100 Grd )

アルミニウム等級1100は、純度99％以上の最も純度の高いアルミナムの一つと見なすことができる。この純度の高さは、電気的に良好な導電性につながるため、配線や電気への接続のように、導電性と性能を最も必要とする分野に適しています。

• 電気伝導率： 銅の約61パーセント。
• アプリケーション 高導電性と低抵抗が不可欠な電力ケーブルシステム、電気導体、その他の機器に使用される。

2.アルミニウム合金 1350

アルミニウム合金1350も高純度アルミニウムのひとつで、強度とその他の特性を高めるために微量の銅が配合されています。このグレードは、1100グレードのアルミニウムよりも一段低い導電性ですが、電気的機能においても優れた性能を発揮します。

• 電気伝導率： 導電率は銅の約61％で、1100グレードのアルミニウムのようなものだ。
• アプリケーション 電線、導体、変圧器、特に高圧電気システムに広く使用されている。

3.6063アルミニウム合金

アルミニウム等級6063は中強度合金で、通常、押出材やフレームなどの構造目的に使用されます。マグネシウムやシリコンのような合金材料を多く含み、機械的強度を高めるため、1100や1350グレードのアルミニウムよりも電気伝導性が低くなっています。

• 電気伝導率： 銅の導電率は、元素の合金効果も加わり、50～55％低くなる。
• アプリケーション 主に建築用押出材、窓枠、航空宇宙用部材に使用される。純度の高いグレードほど導電性は高くないが、導電性よりも強度と成形性が重視される分野での用途がある。

4.アルミニウム合金 1050

アルミニウム合金1050も高純度アルミニウムですが、わずかに鉄が含まれているため、導電性は1100グレードのアルミニウムよりも劣ります。しかし、様々な用途において優れた導電性を発揮します。

• 電気伝導率： 導電率は銅の99.76 %で、1100グレードに相当する。
• アプリケーション 電気ケーブル、電線、バッテリーコネクターなど、高い導電性が要求され、かつ機械的強度が重要でないもの。

5.アロイ6061アルミニウム

この6061グレードのアルミニウム合金の人気の理由は、その優れた機械的特性と汎用性である。強度を高めるため、マグネシウムとシリコンが合金化され、導電性が適度に損なわれる。

-電気伝導率：銅の約45～50％。

用途構造部品、自動車部品、公海で使用される機器など、導電性はあまり重要ではないが、強度と耐腐食性が重要な部品によく見られるはずである。

電気伝導率はアルミニウムの仕上げによって影響を受けるか？

アルミニウムの導電性は、アルミニウムの仕上げに大きく影響される可能性があり、これは金属に施す仕上げによって決まる。アルミニウムの導電特性は、酸化皮膜の形成、陽極酸化、コーティング、研磨など、さまざまな表面処理によって変えることができます。

1.酸化膜の形成

酸化プロセスなど空気の存在下では、アルミニウムは薄い酸化物層（Al 2 O 3 ）を形成する。この酸化皮膜は腐食を防ぐ役割を果たしますが、導電性ではありません。このことは、電気が接続される部分のこの酸化膜が抵抗を上げ、アルミニウムの全体的な導電性を損なう可能性があることを意味します。この酸化皮膜の存在により、高性能な電気活動の効率が損なわれる可能性がある。良好な導電性を得るためには、このような酸化皮膜を除去するか、接触部位を限定するか、酸化皮膜の析出を避けるための表面処理を施す必要がある。

2.陽極酸化処理

アルミニウムの場合、アルマイト処理は酸化皮膜を意図的に厚くすることを目的とした処理です。耐食性を高め、表面の美的仕上げを向上させますが、アルマイト処理によって表面はさらに絶縁性が高まります。これはアルミニウムの導電性を著しく低下させるため、電流を使用する用途には不適切です。しかし、美観を重視するような特定の用途では、保護効果のために陽極酸化皮膜は除去されず、これは大きな脅威となる。導電性の用途では、接続点で意図的に酸化皮膜の除去を計画しない限り、陽極酸化を最適化することはできない。

3.コーティングと塗料

アルミニウムは、環境要素からの保護を強化し、外観を向上させるために塗装されます。しかし、コーティング（特に通常の塗料）の大部分は絶縁性であり、電気伝導性の障壁を形成する。コーティングが施されている場合、コーティングは金属の電気伝導性を大幅に低下させる効果があります。電気系統に使用されるアルミニウムの場合、電気的に接触する部分にはコーティングを施すべきではないことを覚えておく必要があります。

4.表面研磨

アルミニウムの表面をきれいで滑らかにするために、仕上げ方法の1つとして表面研磨が用いられます。機械的には、導電性の場合の研磨は、よりきれいな接触面を提供するために導電性の面で特性を改善するプロセスです。研磨されたアルミニウムの表面は、電気接続の効率を高め、抵抗を下げ、電気システムの性能を向上させます。しかし、研磨が過度に行われると、材料が失われる可能性があり、用途によってはアルミニウムの完全性とサイズに問題が生じることがあります。そのため、研磨は、導電性と材料の強度の望ましいバランスを達成するためにのみ使用されます。

アルミニウムはなぜ電気に使われるのか？

銅はアルミニウムに比べて導電性が高いにもかかわらず、電気業界はアルミニウムの使用から逃れていない。その原因は以下の通りである：

1.費用対効果

価格が安いことは、アルミニウムを電子機器に応用する主な利点の一つである。銅とは異なり、アルミニウムは安価で、実際、その価格は銅の約3分の1です。十分な量の材料が必要とされる大規模な電気設備では、この手頃な価格がアルミニウムを最適な選択肢にします。

2.軽量

アルミニウムは銅に比べて非常に軽く、密度は銅の約3分の1である。そのため、架空送電線のように重量が問題となる分野に向いています。アルミニウムは軽量なので輸送コストが低く、設置も簡単です。

3.耐食性

また、屋外にある場合、アルミニウムは自然に薄い保護酸化皮膜を形成し、表面を覆います。この酸化皮膜は、それ以上酸化されないシーラントとして機能するため、アルミニウムは非常に耐食性の高い材料です。天候要因や湿度は銅などの他の金属を容易に腐食させるため、これは特に屋外の電気システムにとって有利です。

4.強度重量比

アルミニウムは強度重量比が高く、軽量でありながら構造強度が高い。この側面により、ケーブルや送電線、電気機器の建設など、ほとんどすべての電気的な問題において、アルミニウムは美しい選択肢となります。

アルミニウムと銅の強度比較：電気伝導率

前述したように、電気コアルミニウムの導電率は銅の約61パーセントである。とはいえ、導電率の差は見かけほど大きくはありません。送電など、多くの大規模な用途の場合、アルミニウムによるコストと重量の削減は、導電率のわずかな低下を相殺します。とはいえ、高い電気的性能を求めるのであれば、銅の方が優れた導体であることに変わりはありません。

アルミニウムと銅の比較：

銅の方が導電性は高いが、その性能差は通常、断面の小さな銅ケーブルで同じ量の電気を運ぶために、断面の大きなアルミケーブルを設置することで説明される。そのため、架空送電線やその他の大規模な電気設備では、通常アルミケーブルが採用されている。

アルミニウムと他の導体との比較

アルミニウムを銅や銀などの他の導電体と比較すると、その性能は何度も満足のいくものであると言われているが、高性能システムにはうまく使えない。

電気におけるアルミニウムの用途

アルミニウムは、特に低コスト、低密度、耐食性といった特長が活かされる、非常に多様な電気製品に使用されている。

1.送電線

アルミニウムの最も一般的な用途は架空送電線であり、軽量で高い導電率が長距離送電に適している。アルミ製の送電線は、銅製の送電線に比べて敷設や保守のコストが安く、軽量であるため送電線の敷設作業も容易です。

2.電気配線・ケーブル

アルミニウム配線は、住宅や商業施設の建設、特に低・中レベルの電気負荷を持つ回路で一般的に利用されています。高性能な回路には銅線を使用することができますが、コストと重量が重要な役割を果たす大規模な設備にはアルミニウムを使用することができます。

3.アース線

接地線もアルミニウム製で、故障の際に電流が流れる安全な経路を確保する必要があるためである。接地は、過電流を地面に安全に流すという基本的な役割を果たし、機器の損傷や電気火災の可能性を最小限に抑えます。

4.電気モーターと装置

電気モーターや変圧器の巻線材料はアルミニウムです。この金属は軽量で、比較的強く、良好な導電性を持っているため、工業用および商業用の広範な用途に適用する場合、かなり優れた選択肢となる。

アルミニウム導電率の問題と解決策

アルミニウムは適切な導体であると同時に、電気系統の導体として採用する際に解決すべき問題もある。

1.より高い抵抗

アルミニウムの最大の欠点は、銅よりも電気伝導性が高いことである。そのため、同じ電流が流れた場合、アルミニウム・ワイヤーにはより多くの熱と電圧の低下が生じます。このため、銅線と同じ性能を発揮するためには、より太いアルミニウム導体を使用しなければならない場合があります。

2.接続と酸化の問題

アルミニウムは酸化しやすく、特に接合部は酸化しやすい。一方では、アルミニウムが酸化皮膜で覆われていると耐食性に優れますが、他方では、酸化皮膜自体が電気絶縁体として層状になり、抵抗が高くなり、接合部が絶縁されます。その結果、過熱や誤作動を引き起こし、最悪の場合、電気的な故障を引き起こす可能性がある。このような事態を防ぐため、設置の際には、正しい接続を行い、接合部に腐食が生じないよう、特別な注意を払う必要がある。

3.機械的強度

アルミニウムは優れた強度対質量比を持つとはいえ、銅に比べると堅牢性に欠け、特に高応力・振動条件下では機械的損傷を受けやすい。高応力用途では、アルミニウム・ワイヤーは通常、スチールやその他の材料で補強されます。

結論

しかし、確かにアルミニウムは電気を通しますが、導電性に優れ、経済的で、軽量であり、腐食に強いため、電気産業でよく使われる材料であると結論づけることができます。導電性は銅ほどではありませんが、十分安価であり、他の有益な特性も備えているため、ほとんどの電気用途で銅の代替として使用することができます。

アルミニウム は、特に送電や電気配線のような大規模な取り組みにおいて実用的であり、価格と重量の利点が導電率の低い傾向を大きく上回っている。とはいえ、エンジニアや電気技師がアルミニウムベースの電気システムを設計・敷設する際に考慮すべき課題として、抵抗の増大と酸化が挙げられます。

とはいえ、アルミニウムは電気産業に欠かせない素材であり、より効率的で安価な電気インフラが世界中で求められているため、その使用量は増加の一途をたどっている。