Aluminium jest jednym z najpopularniejszych metali na świecie. Jest znane z tego, że jest lekkie, ma wysoki stosunek wytrzymałości do masy i jest odporne na korozję. Jednak jedną z najważniejszych cech aluminium, która jest dyskusyjna, jest to, że przewodzi ono prąd. Jak zatem odpowiedzieć na pytanie, czy aluminium jest przewodnikiem elektrycznym? Tutaj dochodzimy do odpowiedzi: tak, aluminium może przewodzić elektryczność, ale nie tak dobrze jak miedź, która była metalem wybieranym podczas tworzenia systemu elektrycznego. 

Niniejszy artykuł omawia przewodność elektryczną aluminium, jego zastosowanie w przemyśle elektrycznym oraz korzyści i ograniczenia związane z jego wykorzystaniem w przemyśle elektrycznym.

Co oznacza przewodność elektryczna?

Najpierw zastanowimy się, czym jest przewodnictwo elektryczne, zanim powiemy, czy aluminium jest przewodnikiem elektrycznym, czy nie. Zdolność materiału do przepuszczania prądu elektrycznego nazywana jest przewodnością elektryczną. Zależy ona od liczby swobodnie poruszających się elektronów w danym materiale. Metale, ogólnie rzecz biorąc, mają bardzo swobodne elektrony, które mogą łatwo przepływać w ich strukturze atomowej, więc są dobrymi przewodnikami.

Jednostką pomiarową przewodności elektrycznej danego materiału jest siemens podzielony przez metr (S/m). Im większa rezystancja, tym mniejsza możliwość przejścia prądu elektrycznego. Materiały o wysokiej przewodności, takie jak miedź i aluminium, znajdują zastosowanie w wielu aplikacjach elektrycznych, takich jak zasilanie, przesyłanie energii, okablowanie i obwody.

Czy aluminium przewodzi prąd?

Tak, aluminium przewodzi prąd wielokrotnie lepiej niż miedź. Aluminium jest uważane za dobry przewodnik, jeśli chodzi o przewodność metali, chociaż jego przewodność elektryczna wynosi tylko około 61 procent miedzi. Oznacza to, że miedź zapewni większy przepływ prądu przez dany rozmiar przewodu.

Niezależnie od tego, fakt, że aluminium ma stosunkowo wysoką przewodność, sprawia, że ma ono zastosowanie w większości aplikacji elektrycznych, szczególnie tam, gdzie waga i koszt mają kluczowe znaczenie. Rezystywność aluminium nie jest tak wysoka, jak w przypadku wielu innych materiałów; oznacza to, że aluminium może również przewodzić prąd, ale ze stosunkowo mniejszą rezystancją.

Jak aluminium przewodzi prąd elektryczny?

Elektryczność jest przewodzona w aluminium z powodu przepływu wolnych elektronów przez strukturę atomów. Te wolne elektrony są tylko słabo związane z atomami metalu i mogą łatwo przemieszczać się, gdy obecne jest pole elektryczne. Gdy materiał przepuszcza elektrony, powstaje prąd elektryczny.

Aluminium posiada również dość dużą ilość wolnych elektronów, co oznacza, że jest również przyzwoitym przewodnikiem elektryczności, ale nie tak wydajnym jak miedź. Jest około 61 razy mniej przewodnikiem elektrycznym niż miedź, więc jest nieco bardziej odporne na przepływ elektronów.

Przewodność aluminium zmniejsza się również wraz ze wzrostem temperatury z powodu zwiększonych wibracji atomów w metalu, co zwiększa opór. Co więcej, na powierzchni aluminium tworzą się nieprzewodzące warstwy tlenku, które mogą zmniejszać przewodność w miejscach połączeń. Tworząca się warstwa tlenku powinna być kontrolowana, ponieważ może ona negatywnie wpływać na przewodność, szczególnie w przypadku styków elektrycznych.

Gatunki aluminium przewodzące prąd elektryczny 

Aluminium jest przewodnikiem elektrycznym, a jego poziom przewodnictwa zależy również od gatunku, ponieważ różne gatunki zawierają różne czystości i metale stopowe. Korelacja między rodzajem aluminium a jego przewodnością jest niezbędna przy wyborze odpowiedniego rodzaju aluminium, które pasuje do określonych zastosowań elektrycznych.

1. Czyste aluminium (1100 Grd)

Aluminium klasy 1100 można uznać za jeden z najczystszych stopów aluminium o poziomie czystości 99 procent lub wyższym. Czystość ta jest wysoka, co prowadzi do dobrego przewodnictwa elektrycznego, dlatego też dobrze sprawdzi się w obszarach, które wymagają najlepszej przewodności elektrycznej i wydajności, takich jak okablowanie i połączenia elektryczne.

• Przewodność elektryczna: Około 61 procent miedzi.
• Zastosowania: Jest stosowany w systemach kabli zasilających, przewodach elektrycznych i innych urządzeniach, w których niezbędna jest wysoka przewodność i niska rezystancja.

2. Stop aluminium 1350

Aluminium Alloy 1350 to kolejne aluminium o wysokiej czystości, tyle że połączone z niewielkimi ilościami miedzi w celu zwiększenia wytrzymałości i innych właściwości. Gatunek ten przewodzi prąd na poziomie niższym niż aluminium klasy 1100, ale zapewnia dobrą wydajność również w zakresie funkcji elektrycznych.

• Przewodność elektryczna: Około 61 procent przewodności miedzi, która jest jak aluminium klasy 1100.
• Zastosowania: Jest szeroko stosowany w przewodach, przewodnikach i transformatorach, szczególnie w systemach elektrycznych wysokiego napięcia.

3. Stop aluminium 6063

Aluminium klasy 6063 jest stopem o średniej wytrzymałości i jest zwykle używane do celów konstrukcyjnych, takich jak profile i ramy. Zawiera on więcej materiałów stopowych, takich jak magnez i krzem, które zwiększają wytrzymałość mechaniczną, przez co jest mniej przewodzący elektrycznie niż aluminium klasy 1100 i 1350.

• Przewodność elektryczna: Przewodność miedzi jest o 50-55 procent niższa, z dodatkowymi efektami stopowymi pierwiastków.
• Zastosowania: Stosowany jest głównie w wytłoczkach architektonicznych, ramach okiennych i elementach lotniczych. Chociaż nie jest tak przewodzący jak czystsze gatunki, znajduje pewne zastosowania w obszarach, w których wytrzymałość i odkształcalność są ważniejsze niż przewodność.

4. Stop aluminium 1050

Aluminium Alloy 1050 to również aluminium o wysokiej czystości, z tą różnicą, że zawiera niewielką ilość żelaza; dlatego też jego przewodność jest niższa niż w przypadku aluminium klasy 1100. Jest on jednak dobry pod względem przewodności elektrycznej w różnych zastosowaniach.

• Przewodność elektryczna: Współczynnik przewodności elektrycznej wynosi 99,76 % miedzi, co odpowiada klasie 1100.
• Zastosowania: Kable elektryczne, przewody i złącza akumulatorów, w których istotnym czynnikiem jest wysoka przewodność, ale w których wytrzymałość mechaniczna nie jest głównym problemem.

5. Aluminium Aloy 6061

To, co sprawia, że ten stop aluminium klasy 6061 jest popularny, to jego dobre właściwości mechaniczne i wszechstronność. Aby uczynić go mocnym, jest on stopowany z magnezem i krzemem, co powoduje umiarkowaną utratę przewodności.

-Przewodność elektryczna: około 45-50 procent przewodności miedzi.

Zastosowanie: Powinien być powszechnie stosowany w częściach konstrukcyjnych, częściach samochodowych i sprzęcie używanym na pełnym morzu, gdzie przewodność elektryczna nie miała większego znaczenia, ale wytrzymałość i odporność na korozję miały.

Czy wykończenie aluminium ma wpływ na przewodność elektryczną?

Przewodność elektryczna aluminium może być w znacznym stopniu zależna od wykończenia aluminium, a to z kolei zależy od wykończenia zastosowanego do metalu. Właściwości przewodzące aluminium można zmieniać za pomocą różnych metod obróbki powierzchni: tworzenia warstwy tlenku, anodowania, powlekania, polerowania itp.

1. Tworzenie się warstwy tlenku

W obecności powietrza, np. w procesie utleniania, aluminium tworzy cienką warstwę tlenków (Al 2 O 3 ). Chociaż ta warstwa tlenku zapewnia ochronę przed korozją, nie przewodzi prądu. Oznacza to, że warstwa tlenku w miejscu, w którym podłączona jest energia elektryczna, może zwiększyć opór, tym samym pogarszając ogólną przewodność aluminium. Efektywność działań elektrycznych przy wysokiej wydajności może zostać utracona z powodu istnienia tej warstwy tlenku. Aby osiągnąć dobrą przewodność, taka warstwa tlenku musi zostać wyeliminowana lub ograniczona w miejscach styku lub obróbka powierzchni ma na celu uniknięcie osadzania się tlenku.

2. Anodowanie

W przypadku aluminium anodowanie jest procesem mającym na celu celowe zwiększenie grubości warstwy tlenku. Chociaż zwiększa to odporność na korozję i poprawia estetykę wykończenia powierzchni, anodowanie sprawia, że powierzchnia staje się bardziej izolacyjna. Znacznie zmniejsza to przewodność aluminium, przez co nie nadaje się ono do zastosowań wymagających użycia prądu elektrycznego. Jednak w niektórych zastosowaniach, takich jak te o znaczeniu estetycznym, powłoka anodowa nie jest usuwana ze względu na efekt ochronny, co stanowi poważne zagrożenie. Anodowanie nie może być optymalne w zastosowaniach przewodzących, chyba że planowane jest celowe usunięcie warstwy tlenku w punktach połączenia.

3. Powłoki i farby

Aluminium jest powlekane i malowane w celu zapewnienia dodatkowej ochrony przed czynnikami środowiskowymi i poprawy wyglądu. Jednak zdecydowana większość powłok (zwłaszcza zwykła farba) ma właściwości izolacyjne i tworzy bariery dla przewodnictwa elektrycznego. Powłoki mają wpływ na zmniejszenie przewodności elektrycznej metalu z dużym marginesem w przypadkach, w których powłoka jest stosowana. W przypadku aluminium stosowanego w układach elektrycznych należy pamiętać, że części, z którymi nawiązywany jest kontakt elektryczny, nie powinny być powlekane, a w szczególnych przypadkach może być pożądane użycie powłoki przewodzącej w określonych sytuacjach.

4. Polerowanie powierzchni

Jedną z metod wykończeniowych jest polerowanie powierzchni w celu uzyskania czystej i gładkiej powierzchni aluminium. Z mechanicznego punktu widzenia, polerowanie w przypadku przewodności elektrycznej jest procesem, który poprawia właściwości pod względem przewodności elektrycznej, oferując czystszą powierzchnię styku. Polerowana powierzchnia aluminium pozwala na większą wydajność połączeń elektrycznych, obniża rezystancję i zwiększa wydajność systemów elektrycznych. Jednak zbyt intensywne polerowanie może prowadzić do utraty materiału, co może stanowić problem dla integralności i rozmiaru aluminium w niektórych zastosowaniach. W związku z tym polerowanie powinno być stosowane tylko w celu osiągnięcia pożądanej równowagi między przewodnością a wytrzymałością materiału.

Dlaczego aluminium jest używane w elektryce?

Pomimo tego, że miedź przewodzi prąd elektryczny lepiej niż aluminium, nie skłoniło to przemysłu elektrycznego do rezygnacji z aluminium. Przyczyny tego są następujące:

1. Efektywność kosztowa

Niższa cena jest jedną z głównych zalet zastosowania aluminium w elektronice. W przeciwieństwie do miedzi, aluminium jest tańsze; w rzeczywistości jego cena wynosi około jednej trzeciej kosztu miedzi. Ten przystępny cenowo czynnik sprawia, że aluminium jest świetną opcją, jeśli chodzi o instalacje elektryczne na dużą skalę, ponieważ potrzebna jest duża ilość materiału.

2. Lekkość

Aluminium jest również bardzo lekkie w porównaniu z miedzią, a jego gęstość wynosi około jednej trzeciej gęstości miedzi. To właśnie sprawia, że nadaje się do obszarów, w których waga jest istotna, takich jak napowietrzne linie przesyłowe. Koszt transportu jest niższy ze względu na lekkość aluminium, a instalacja staje się łatwa.

3. Odporność na korozję

Gdy aluminium znajduje się na wolnym powietrzu, naturalnie tworzy cienką ochronną powłokę tlenkową, która pokrywa jego powierzchnię. Ta warstwa tlenku służy jako uszczelniacz, który nie może być dalej utleniany, a zatem aluminium jest materiałem wyjątkowo odpornym na korozję. Jest to korzystne, zwłaszcza w przypadku systemów elektrycznych znajdujących się na zewnątrz, ponieważ czynniki pogodowe i wilgotność mogą łatwo powodować korozję innych metali, takich jak miedź.

4. Stosunek wytrzymałości do wagi

Aluminium ma świetny stosunek wytrzymałości do wagi, co oznacza, że choć jest lekkie, może zaoferować dużą wytrzymałość strukturalną. Aspekt ten sprawia, że aluminium jest doskonałą opcją w prawie wszystkich kwestiach elektrycznych, takich jak kable, linie przesyłowe, a nawet przy konstruowaniu sprzętu elektrycznego.

Porównanie wytrzymałości aluminium i miedzi: Przewodność elektryczna

Jak wspomniano powyżej, konduktywność aluminium wynosi około 61 procent miedzi. Niemniej jednak różnica w przewodności nie jest tak duża, jak mogłoby się wydawać. W przypadku wielu zastosowań na dużą skalę, np. przenoszenia mocy, oszczędności w kosztach i wadze zapewniane przez aluminium równoważą jego nieco niższą przewodność. Mając to na uwadze, jeśli chodzi o wysoką wydajność elektryczną, miedź nadal będzie lepszym przewodnikiem.

Porównanie aluminium i miedzi:

Chociaż miedź jest bardziej przewodząca, rozbieżność w wydajności jest zwykle wyjaśniana przez ustawienie kabla aluminiowego o większym przekroju, aby przenosić tę samą ilość energii elektrycznej w kablu miedzianym o mniejszym przekroju. Dlatego też napowietrzne przewody przesyłowe i inne instalacje elektryczne na dużą skalę zwykle wykorzystują kable aluminiowe.

Porównanie aluminium z innymi przewodnikami

Jeśli chodzi o porównanie aluminium z innymi przewodnikami elektrycznymi, takimi jak miedź i srebro, jego wydajność jest wielokrotnie zadowalająca, ale nie jest dobrze wykorzystywana w systemach o wysokiej wydajności.

Zastosowania aluminium w elektryczności

Aluminium znajduje zastosowanie w bardzo różnorodnych produktach elektrycznych, zwłaszcza tam, gdzie wspomniane cechy są korzystne: niski koszt, niska gęstość i odporność na korozję.

1. Linie przesyłu energii

Najczęstszym zastosowaniem aluminium są napowietrzne linie przesyłowe, w których jego niska waga i wysoka przewodność sprawiają, że nadaje się ono do przesyłu energii elektrycznej na duże odległości. Wykorzystanie linii energetycznych składających się z aluminium jest tańsze w układaniu i utrzymaniu w porównaniu z miedzią, a ze względu na ich niewielką wagę są one łatwe w obsłudze pod względem instalacji linii.

2. Okablowanie elektryczne/kable

Okablowanie aluminiowe jest powszechnie stosowane w budownictwie mieszkaniowym i komercyjnym, szczególnie w obwodach o niskim i umiarkowanym obciążeniu elektrycznym. Drut miedziany może być nadal stosowany w obwodach o wysokiej wydajności, ale aluminium może być stosowane w dużych instalacjach, w których koszt i waga odgrywają istotną rolę.

3. Przewody uziemiające

Przewody uziemiające są również wykonane z aluminium, ponieważ istnieje potrzeba zapewnienia bezpiecznej ścieżki, którą może płynąć prąd elektryczny w przypadku awarii. Uziemienie odgrywa fundamentalną rolę w bezpiecznym odprowadzaniu nadmiernego prądu elektrycznego do ziemi, dzięki czemu żaden sprzęt nie zostanie uszkodzony, a ryzyko pożaru elektrycznego zostanie zminimalizowane.

4. Silniki i aparatura elektryczna

W silnikach elektrycznych i transformatorach materiałem uzwojenia jest aluminium. Metal ten jest lekki, stosunkowo wytrzymały i charakteryzuje się dobrą przewodnością, co czyni go doskonałym rozwiązaniem w przypadku szerokiej gamy zastosowań przemysłowych i komercyjnych

Problemy i rozwiązania dotyczące przewodności aluminium

Chociaż aluminium jest odpowiednim przewodnikiem, wiąże się również z pewnymi kwestiami, które należy rozwiązać, gdy jest stosowane jako przewodnik w systemie elektrycznym.

1. Wyższa odporność

Największą wadą aluminium jest to, że lepiej przewodzi prąd niż miedź. Oznacza to, że przy równym przepływie prądu w przewodzie aluminiowym występuje więcej ciepła i spadek napięcia. W niektórych przypadkach wymaga to zastosowania większych przewodów aluminiowych, aby zapewnić taką samą wydajność jak przewody miedziane.

2. Problemy z połączeniami i utlenianiem

Aluminium łatwo ulega utlenieniu, szczególnie na złączach. Z jednej strony, gdy aluminium jest pokryte warstwą tlenku, jest odporne na korozję; z drugiej strony, warstwa tlenku może stać się izolatorem elektrycznym, tworząc wyższą rezystancję, izolując połączenia. Może to spowodować przegrzanie, nieprawidłowe działanie, a w najgorszych sytuacjach awarię elektryczną. Aby temu zapobiec, podczas instalacji należy zwrócić szczególną uwagę na prawidłowe wykonanie połączeń i zapobieganie korozji na złączach.

3. Wytrzymałość mechaniczna

Mimo że aluminium charakteryzuje się doskonałym stosunkiem wytrzymałości do masy, nadal jest mniej wytrzymałe niż miedź i może być podatne na uszkodzenia mechaniczne, szczególnie w warunkach wysokiego naprężenia/wibracji. W zastosowaniach, w których występują duże naprężenia, przewody aluminiowe są zwykle wzmacniane stalą lub innymi materiałami.

Wnioski

Można jednak stwierdzić, że aluminium rzeczywiście przewodzi prąd elektryczny, ale jest również powszechnie stosowanym materiałem w przemyśle elektrycznym ze względu na jego dobrą przewodność, ekonomiczność, fakt, że jest lekki i odporny na korozję. Chociaż nie jest tak przewodzący jak miedź, jest wystarczająco tani i posiada inne korzystne właściwości, dzięki czemu może być stosowany jako alternatywa dla miedzi w większości zastosowań elektrycznych.

Aluminium jest szczególnie praktyczny w przypadku dużych przedsięwzięć, takich jak przesyłanie energii i okablowanie elektryczne, gdzie zalety związane z ceną i wagą znacznie przewyższają tendencję do niższej przewodności. Niemniej jednak, jego wyzwania, które powinny być brane pod uwagę przez inżynierów i elektryków podczas projektowania i układania systemów elektrycznych opartych na aluminium, to jego zwiększona odporność i utlenianie.

Niemniej jednak aluminium jest istotnym materiałem wykorzystywanym w przemyśle elektrycznym, a jego wykorzystanie będzie rosło, ponieważ na całym świecie istnieje zapotrzebowanie na bardziej wydajną i przystępną cenowo infrastrukturę elektryczną.