Aluminium er et av de mest populære metallene i verden. Det er kjent for å være lett, ha et høyt styrke/vekt-forhold og være korrosjonsbestandig. En av de viktigste egenskapene ved aluminium som er omdiskutert, er imidlertid at det leder strøm. Hvordan svarer du derfor på spørsmålet om aluminium er en elektrisk leder? Det er her vi kommer til svaret: ja, aluminium kan lede strøm, men ikke like godt som kobber, som har vært det foretrukne metallet når man skal lage et elektrisk system. 

Denne artikkelen tar for seg den elektriske ledningsevnen til aluminium, bruken av aluminium i elektroindustrien, og fordelene og begrensningene ved å bruke aluminium i elektroindustrien.

Hva betyr elektrisk ledningsevne?

Vi skal først se på hva elektrisk ledningsevne er, før vi sier om aluminium er en elektrisk leder eller ikke. Et materiales evne til å lede elektrisk strøm kalles elektrisk ledningsevne. Denne avhenger av antallet fritt bevegelige elektroner i materialet. Metaller har generelt svært frie elektroner som lett kan bevege seg innenfor atomstrukturen, og de er derfor gode ledere.

Måleenheten for den elektriske ledningsevnen til et gitt materiale angis i siemens delt på meter (S/m). Jo større motstanden er, desto mindre er muligheten for at elektrisitet kan passere gjennom. Svært ledende materialer som kobber og aluminium brukes i flere elektriske applikasjoner som strømforsyning, kraftoverføring, kabling og kretser.

Kan aluminium lede elektrisitet?

Ja, aluminium er mange ganger mer ledende enn kobber. Aluminium regnes som en god leder når man ser på metallenes ledningsevne, selv om den elektriske ledningsevnen bare er ca. 61 prosent av kobberets. Det betyr at kobber vil gi en større strømgjennomgang gjennom en ledning av en gitt størrelse.

Det faktum at aluminium har en relativt høy ledningsevne, gjør det likevel anvendelig i de fleste elektriske applikasjoner, særlig der vekt og pris er kritiske faktorer. Aluminium har ikke like høy resistivitet som mange andre materialer, det vil si at aluminium også kan lede strøm, men med relativt mindre motstand.

Hvordan aluminium leder elektrisitet?

Elektrisitet ledes i aluminium på grunn av strømmen av frie elektroner gjennom atomstrukturen. Disse frie elektronene er bare svakt knyttet til metallets atomer og kan lett bevege seg når det er et elektrisk felt til stede. Når materialet tillater elektronene å passere gjennom det, oppstår det en elektrisk strøm.

Aluminium har også en ganske stor mengde frie elektroner, noe som betyr at det også er en grei leder av elektrisitet, men ikke like effektivt som kobber. Det er omtrent 61 ganger mindre elektrisk ledende enn kobber, så det er litt mer motstandsdyktig mot strømmen av elektroner.

Ledningsevnen til aluminium reduseres også ved en økning i temperaturen på grunn av den økte vibrasjonen av atomer i metallet, noe som øker motstanden. Dessuten dannes det oksidlag på overflaten av aluminium som ikke er ledende, og dette kan redusere ledningsevnen der det lages skjøter. Dette oksidlaget som dannes, bør kontrolleres fordi det vil svekke den gode ledningsevnen, særlig i elektriske kontakter.

Elektrisk ledende aluminiumkvaliteter 

Aluminium er en elektrisk leder, og ledningsevnen avhenger også av kvaliteten, siden ulike kvaliteter inneholder ulike renhetsgrader og legeringsmetaller. Sammenhengen mellom aluminiumkvalitet og ledningsevne er avgjørende når man skal velge riktig type aluminium som passer til bestemte elektriske bruksområder.

1. RENT aluminium (1100 grd)

Aluminium klasse 1100 kan betraktes som et av de reneste aluminiumene med en renhetsgrad på 99 prosent og over. Denne høye renheten fører til god elektrisk ledningsevne, og er derfor godt egnet i områder som krever best elektrisk ledningsevne og ytelse, som ledninger og tilkoblinger til elektrisitet.

• Elektrisk ledningsevne: Omtrent 61 prosent av kobber.
• Bruksområder: Det brukes i kraftkabelsystemer, elektriske ledere og andre enheter der høy ledningsevne og lav motstand er avgjørende.

2. Aluminiumslegering 1350

Aluminiumslegering 1350 er en annen aluminiumslegering med høy renhet, men den er kombinert med små mengder kobber for å forbedre styrken og andre egenskaper. Denne kvaliteten er ledende på et hakket lavere nivå enn 1100-aluminium, men gir langt på vei god ytelse også i elektriske funksjoner.

• Elektrisk ledningsevne: Omtrent 61 prosent av ledningsevnen til kobber, som er som aluminium i 1100-kvalitet.
• Bruksområder: Det er mye brukt i ledninger, ledere og transformatorer, spesielt i høyspente elektriske systemer.

3. 6063 aluminiumslegering

Aluminium 6063 er en middels sterk legering og brukes vanligvis til strukturelle formål som profiler og rammer. Den har flere legeringsmaterialer som magnesium og silisium, noe som øker den mekaniske styrken og dermed gjør den mindre elektrisk ledende enn 1100- og 1350-aluminium.

• Elektrisk ledningsevne: Ledningsevnen til kobber er 50-55 prosent lavere, med ytterligere legeringseffekter av grunnstoffene.
• Bruksområder: Det brukes hovedsakelig i arkitektoniske profiler, vindusrammer og komponenter til romfart. Selv om den ikke er like ledende som de renere kvalitetene, brukes den på områder der styrke og formbarhet er viktigere enn ledningsevne.

4. Aluminiumslegering 1050

Aluminiumslegering 1050 er også aluminium med høy renhet, bortsett fra at den har et lite innslag av jern; derfor er ledningsevnen mindre enn for aluminium av 1100-grad. Den har imidlertid god elektrisk ledningsevne for ulike bruksområder.

• Elektrisk ledningsevne: Den elektriske ledningsevnen er 99,76 % av kobber, tilsvarende 1100-klasse.
• Bruksområder: Elektriske kabler, ledninger og batterikontakter der høy ledningsevne er en viktig faktor, men der den nevnte mekaniske styrken ikke er et stort problem.

5. Aloy 6061 aluminium

Det som gjør denne 6061-aluminiumslegeringen populær, er dens gode mekaniske egenskaper og allsidighet. For å gjøre den sterk legeres den med magnesium og silisium, noe som medfører et moderat tap i ledningsevne.

-Elektrisk ledningsevne: ca. 45-50 prosent av ledningsevnen til kobber.

Bruksområde: Bør ofte finnes i konstruksjonsdeler, bildeler og utstyr som brukes på åpent hav, der elektrisk ledningsevne ikke var av stor betydning, men styrke og korrosjonsbestandighet var det.

Påvirkes den elektriske ledningsevnen av etterbehandling av aluminium?

Den elektriske ledningsevnen til aluminium kan i stor grad påvirkes av etterbehandlingen av aluminium, og dette bestemmes av hvilken overflatebehandling man bruker på metallet. Aluminiums ledende egenskaper kan endres med forskjellige overflatebehandlinger: dannelse av oksidlag, anodisering, belegg, polering osv.

1. Dannelse av oksidlag

I nærvær av luft, for eksempel gjennom oksidasjonsprosessen, danner aluminium et tynt lag av oksider (Al 2 O 3 ). Selv om dette oksidlaget beskytter mot korrosjon, er det ikke ledende. Dette innebærer at oksidlaget på det punktet der strømmen kobles til, kan øke motstanden og dermed svekke aluminiumets totale ledningsevne. Effektiviteten av elektriske aktiviteter ved høy ytelse kan gå tapt på grunn av eksistensen av dette oksidlaget. For å oppnå god ledningsevne må et slikt oksidlag elimineres eller begrenses på kontaktstedene, eller overflatebehandlinger tilføres for å unngå oksidavsetning.

2. Anodisering

Når det gjelder aluminium, er anodisering en prosess som bevisst har til hensikt å gjøre oksidfilmen tykkere. Selv om det forbedrer korrosjonsbestandigheten og gir overflaten en bedre estetisk finish, gjør anodisering overflaten mer isolerende. Dette reduserer aluminiumets ledningsevne betraktelig, noe som gjør det uegnet for bruksområder som involverer bruk av elektrisk strøm. Men i visse bruksområder, for eksempel de som har estetisk betydning, fjernes ikke det anodiske belegget på grunn av den beskyttende effekten, noe som er en stor trussel. Anodisering kan ikke være optimal i ledende bruksområder med mindre det er planlagt en målrettet fjerning av oksidlaget ved tilkoblingspunktene.

3. Belegg og maling

Aluminium overflatebehandles og lakkeres for å gi ekstra beskyttelse mot vær og vind og for å forbedre utseendet. Likevel er de aller fleste belegg (spesielt vanlig maling) isolerende og danner barrierer for elektrisk ledningsevne. Belegg har den effekten at metallets elektriske ledningsevne reduseres med en stor margin i de tilfellene der belegget påføres. Når det gjelder aluminium i elektriske systemer, bør man huske på at de delene som det er elektrisk kontakt med, ikke bør være belagt, eller at det i spesielle tilfeller kan være ønskelig å bruke ledende belegg i bestemte situasjoner.

4. Polering av overflaten

En av etterbehandlingsmetodene som brukes er overflatepolering for å få en ren og glatt overflate av aluminium. Når det gjelder elektrisk ledningsevne, er polering mekanisk sett en prosess som forbedrer den elektriske ledningsevnen og gir en renere kontaktflate. Polert aluminiumsoverflate gir større effektivitet i elektrisk tilkobling, senker motstanden og forbedrer ytelsen i elektriske systemer. Men når poleringen gjøres for mye, kan det føre til tap av materiale, noe som kan være et problem for aluminiumets integritet og størrelse i noen bruksområder. Derfor skal polering bare brukes for å oppnå den ønskelige balansen mellom ledningsevne og materialets styrke.

Hvorfor brukes aluminium i elektrisitet?

Selv om kobber er elektrisk ledende sammenlignet med aluminium, har det ikke ført til at elektroindustrien har gått bort fra å bruke aluminium. Årsakene til dette er:

1. Kostnadseffektivitet

En av de viktigste fordelene med å bruke aluminium i elektronikk er den lavere prisen. I motsetning til kobber er aluminium billigere; faktisk er prisen omtrent en tredjedel av kostnaden for kobber. Denne rimelige faktoren gjør aluminium til et godt alternativ når det gjelder elektriske installasjoner i stor skala, fordi det trengs store mengder materiale.

2. Lettvekt

Aluminium er også svært lett sammenlignet med kobber, og tettheten er omtrent en tredjedel av kobber. Det er dette som gjør det egnet i områder der vekt er et problem, som i luftledninger for kraftoverføring. Transportkostnadene er lavere på grunn av aluminiums lette vekt, og installasjonen av samme blir enkel.

3. Motstandsdyktighet mot korrosjon

Når aluminium oppholder seg i friluft, utvikler det også et tynt, beskyttende oksidbelegg som dekker overflaten. Denne oksidfilmen fungerer som en forsegling som ikke kan oksideres ytterligere, og aluminium er derfor et ekstremt korrosjonsbestandig materiale. Dette er en fordel, spesielt for elektriske systemer som befinner seg utendørs, ettersom værfaktorer og fuktighet lett kan korrodere andre metaller, som for eksempel kobber.

4. Forholdet mellom styrke og vekt

Aluminium har et godt styrke/vekt-forhold, noe som betyr at selv om det er lett, kan det tilby stor strukturell styrke. Dette aspektet gjør aluminium til et godt alternativ i nesten alle elektriske sammenhenger, som kabler, overføringslinjer og til og med ved konstruksjon av elektrisk utstyr.

Sammenligning av styrken til aluminium og kobber: Elektrisk ledningsevne

Som nevnt ovenfor, er den elektriske konduktiviteten til aluminium er omtrent 61 prosent av kobber. Likevel er ikke forskjellen i ledningsevne så stor som den kan virke. I mange storskalaapplikasjoner, for eksempel kraftoverføring, oppveier besparelsene i kostnader og vekt som aluminium gir, den noe reduserte ledningsevnen. Når det er sagt, vil kobber likevel være den beste lederen når det gjelder høy elektrisk ytelse.

En sammenligning av aluminium og kobber:

Selv om kobber er mer ledende, forklares forskjellen i ytelse normalt med at en aluminiumskabel med større tverrsnitt skal transportere den samme mengden strøm i en kobberkabel med mindre tverrsnitt. Det er grunnen til at luftledninger og andre store elektriske installasjoner vanligvis bruker aluminiumskabler.

Sammenligning av aluminium med andre ledere

Når det gjelder å sammenligne aluminium med andre elektriske ledere som kobber og sølv, sies det at ytelsen mange ganger er tilfredsstillende, men at den ikke egner seg godt i et system med høy ytelse.

Bruksområder for aluminium i elektrisitet

Aluminium brukes i svært mange forskjellige elektriske produkter, spesielt der de nevnte egenskapene er fordelaktige: lav pris, lav tetthet og korrosjonsbestandighet.

1. Kraftoverføringslinjer

Den vanligste anvendelsen av aluminium er i luftledninger for kraftoverføring, der den lave vekten og den høye ledningsevnen gjør det egnet for overføring av elektrisitet over lange avstander. Kraftledninger av aluminium er billigere å legge og vedlikeholde sammenlignet med kobber, og på grunn av den lave vekten er de enkle å håndtere når det gjelder installasjon av ledningene.

2. Elektriske ledninger/kabler

Ledninger av aluminium brukes ofte i bolig- og næringsbygg, særlig i kretser med lav og moderat belastning. Kobbertråd kan fortsatt brukes i kretser med høy ytelse, men aluminium kan brukes i store installasjoner der kostnader og vekt spiller en viktig rolle.

3. Jordingskabler

Jordingsledninger er også laget av aluminium, siden det er behov for en sikker bane som den elektriske strømmen kan flyte gjennom i tilfelle en feil. Jording spiller en grunnleggende rolle når det gjelder å lede bort for mye elektrisk strøm på en sikker måte, slik at utstyret ikke skades og sjansen for elektrisk brann minimeres.

4. Elektriske motorer og apparater

Elektriske motorer og transformatorer har aluminium som viklingsmateriale. Metallet er lett, relativt sterkt og har god ledningsevne, noe som gjør det til et svært godt alternativ når det skal brukes til en lang rekke industrielle og kommersielle bruksområder

Problemer og løsninger på problemer med aluminiums ledningsevne

Selv om aluminium er en god leder, har det også visse problemer som bør løses når det brukes som leder i et elektrisk system.

1. Høyere motstand

Den største ulempen med aluminium er at det er elektrisk ledende enn kobber. Dette innebærer at når det flyter like mye strøm, oppstår det mer varme og et spenningsfall i aluminiumstråden. Dette gjør det i noen tilfeller nødvendig å bruke større aluminiumsledere for å oppnå samme ytelse som kobbertråder.

2. Problemer med tilkobling og oksidasjon

Aluminium blir lett oksidert, spesielt i skjøter. På den ene siden er aluminium korrosjonsbestandig når det er dekket av et oksidlag, men på den andre siden kan oksidlaget legge seg som en elektrisk isolator, skape høyere motstand og isolere overgangene. Dette kan føre til overoppheting, funksjonsfeil og i verste fall elektrisk svikt. For å forsøke å motvirke dette bør man under installasjonen være spesielt oppmerksom på at de riktige tilkoblingene blir gjort, slik at det ikke oppstår korrosjon i skjøtene.

3. Mekanisk styrke

Selv om aluminium har et utmerket forhold mellom styrke og masse, er det likevel mindre robust enn kobber og kan være utsatt for mekaniske skader, særlig under høy belastning/vibrasjonsforhold. I applikasjoner med høy belastning forsterkes aluminiumtrådene vanligvis med stål eller andre materialer.

Konklusjon

Det kan imidlertid konkluderes med at aluminium riktignok leder strøm, men det er også et mye brukt materiale i elektroindustrien på grunn av sin gode ledningsevne, økonomi, lave vekt og korrosjonsbestandighet. Selv om det ikke er like ledende som kobber, er det billig nok og har andre fordelaktige egenskaper, og kan derfor brukes som et alternativ til kobber i de fleste elektriske applikasjoner.

Aluminium er spesielt praktisk i store prosjekter som kraftoverføring og elektriske ledninger, der pris- og vektfordelene veier opp for en tendens til lavere ledningsevne. Utfordringene som ingeniører og elektrikere bør ta hensyn til når de designer og legger aluminiumsbaserte elektriske systemer, er likevel den økte motstanden og oksidasjonen.

Ikke desto mindre er aluminium et viktig materiale som brukes i elektroindustrien, og bruken av aluminium vil bare øke siden det etterspørres mer effektiv og rimelig elektrisk infrastruktur over hele verden.