Aluminiul este unul dintre metalele cele mai populare din lume. Este cunoscut pentru faptul că este ușor, are un raport rezistență/greutate ridicat și este rezistent la coroziune. Cu toate acestea, una dintre cele mai importante caracteristici ale aluminiului care este discutabilă este că acesta conduce electricitatea. Prin urmare, cum răspundeți la întrebarea: Este aluminiul un conductor electric? Aici ajungem la răspuns: da, aluminiu poate conduce electricitatea, dar nu la fel de bine ca cuprul, care a fost metalul preferat la crearea unui sistem electric. 

Această lucrare va discuta despre conductivitatea electrică a aluminiului, utilizarea sa în industria electrică, precum și despre beneficiile și limitările utilizării sale în industria electrică.

Ce înseamnă conductivitatea electrică?

Vom analiza mai întâi ce este conductivitatea electrică înainte de a spune dacă aluminiul este sau nu un conductor electric. Capacitatea unui material de a permite trecerea curentului electric se numește conductivitate electrică. Aceasta depinde de numărul de electroni care se deplasează liber în materialul respectiv. Metalele, în general, au electroni foarte liberi care pot circula cu ușurință în structura lor atomică, deci sunt buni conductori.

Unitatea de măsură a conductivității electrice a unui anumit material se notează în siemeni împărțiți la metru (S/m). Cu cât rezistența este mai mare, cu atât este mai puțin fezabilă trecerea electricității. Materialele foarte conductoare, cum ar fi cuprul și aluminiul, sunt utilizate în mai multe aplicații electrice, cum ar fi alimentarea cu energie electrică, transmiterea energiei electrice, cablarea și circuitele.

Aluminiul conduce electricitatea?

Da, aluminiul este de multe ori mai conductiv decât cuprul. Aluminiul este considerat un bun conductor atunci când se analizează conductivitatea metalelor, deși conductivitatea sa electrică este de numai 61% din cea a cuprului. Acest lucru implică faptul că cuprul va furniza un curent mai mare care să treacă printr-o anumită dimensiune a firului.

Cu toate acestea, faptul că aluminiul are o conductivitate relativ ridicată îl face aplicabil în majoritatea aplicațiilor electrice, în special atunci când greutatea și costul sunt considerente esențiale. Rezistivitatea aluminiului nu este la fel de ridicată ca cea a multor alte materiale; cu alte cuvinte, aluminiul poate conduce electricitatea, dar cu o rezistență relativ mai mică.

Cum conduce aluminiul electricitatea?

Electricitatea este condusă într-un aluminiu datorită fluxului de electroni liberi prin structura atomilor. Acești electroni liberi sunt doar slab legați de atomii metalului și se pot deplasa cu ușurință odată ce este prezent un câmp electric. Pe măsură ce materialul permite electronilor să treacă prin el, se va crea un curent electric.

Aluminiul posedă, de asemenea, o cantitate destul de mare de electroni liberi, ceea ce înseamnă că este și un conductor decent de electricitate, dar nu la fel de eficient ca cuprul. Este de aproximativ 61 de ori mai puțin conductor de electricitate decât cuprul, deci este puțin mai rezistent la fluxul de electroni.

Conductivitatea aluminiului este, de asemenea, diminuată de o creștere a temperaturii din cauza vibrației crescute a atomilor din metal, ceea ce crește rezistența. În plus, pe suprafața aluminiului se formează straturi de oxid de neconductivitate, ceea ce poate reduce conductivitatea acolo unde se realizează îmbinări. Acest strat de oxid care se formează ar trebui să fie controlat deoarece ar afecta buna conductivitate, în special la contactele electrice.

Calități de aluminiu conductoare de electricitate 

Aluminiul este un conductor electric, iar nivelul său de conductivitate depinde, de asemenea, de calitate, deoarece diferite calități conțin diferite purități și metale de aliere. Corelația dintre tipul de calitate a aluminiului și conductivitatea acestuia este imperativă atunci când se alege tipul potrivit de aluminiu care se potrivește anumitor aplicații electrice.

1. Aluminiu PUR ( 1100 Grd )

Aluminiul de calitate 1100 poate fi considerat unul dintre cele mai pure aluminiu, cu un nivel de puritate de 99 la sută și peste. Această puritate este ridicată, ceea ce duce la o bună conductivitate electrică din punct de vedere electric, prin urmare ar fi bun în domeniile care necesită conductivitate electrică și cea mai bună performanță, cum ar fi cablarea și conexiunile la electricitate.

• Conductivitate electrică: Aproximativ 61% din cea a cuprului.
• Aplicații: Este utilizat în sistemele de cabluri de alimentare, conductoare electrice și alte dispozitive în care conductivitatea ridicată și rezistența scăzută sunt esențiale.

2. Aliaj de aluminiu 1350

Aliajul de aluminiu 1350 este un alt aluminiu de înaltă puritate, doar că este combinat cu cantități infime de cupru pentru a-și spori rezistența, precum și alte proprietăți. Acest grad este conductiv la un nivel mai scăzut decât aluminiul de grad 1100, dar oferă o performanță bună și în funcțiile electrice.

• Conductivitate electrică: Aproximativ 61% din conductivitatea cuprului, care este ca aluminiul de clasa 1100.
• Aplicații: Este utilizat pe scară largă în fire, conductori și transformatoare, în special în sistemele electrice de înaltă tensiune.

3. Aliaj de aluminiu 6063

Aluminiul clasa 6063 este un aliaj cu rezistență medie și este utilizat în mod normal în scopuri structurale, cum ar fi extrudările și cadrele. Acesta are mai multe materiale de aliere, cum ar fi magneziul și siliciul, care sporesc rezistența mecanică, făcându-l astfel mai puțin conductor electric decât aluminiul de calitate 1100 și 1350.

• Conductivitate electrică: Conductivitatea cuprului este cu 50-55% mai mică, cu efecte suplimentare de aliere a elementelor.
• Aplicații: Acesta este utilizat în principal în extrudări arhitecturale, rame de ferestre și componente aerospațiale. Deși nu este la fel de conductiv ca gradele mai pure, acesta găsește unele utilizări în domenii în care rezistența și formabilitatea sunt mai importante decât conductivitatea.

4. Aliaj de aluminiu 1050

Aliajul de aluminiu 1050 este, de asemenea, aluminiu de înaltă puritate, cu excepția faptului că are o ușoară prezență de fier; prin urmare, conductivitatea sa este mai mică decât cea a aluminiului de calitate 1100. Cu toate acestea, conductivitatea sa electrică este bună pentru diverse aplicații.

• Conductivitate electrică: Rata de conductivitate electrică este de 99,76 % din cea a cuprului, echivalentul gradului 1100.
• Aplicații: Cabluri electrice, fire și conectori pentru baterii în care conductivitatea ridicată este un factor important, dar în care rezistența mecanică menționată nu este o problemă majoră.

5. Aloy 6061 aluminiu

Popularitatea acestui aliaj de aluminiu clasa 6061 se datorează proprietăților mecanice bune și versatilității sale. Pentru a-l face puternic, este aliat cu magneziu și siliciu, cauzând o pierdere moderată a conductivității.

-Conductivitate electrică: aproximativ 45-50% din conductivitatea cuprului.

Aplicație: Ar trebui să se regăsească în mod obișnuit în piese structurale, piese auto și echipamente utilizate în largul mării, unde conductivitatea electrică nu a fost de mare importanță, dar rezistența și rezistența la coroziune au fost.

Conductivitatea electrică este afectată de finisarea aluminiului?

Conductivitatea electrică a aluminiului poate fi influențată în mare măsură de finisajul aluminiului, iar acest lucru este determinat de finisajul care se aplică metalului. Proprietatea conductivă a aluminiului poate fi modificată prin diferite tratamente de suprafață: formarea unui strat de oxid, anodizare, acoperire, lustruire etc.

1. Formarea stratului de oxid

În prezența aerului, cum ar fi prin procesul de oxidare, aluminiul formează un strat subțire de oxizi (Al 2 O 3 ). Deși acest strat de oxid oferă o acoperire protectoare împotriva coroziunii, el nu este conductiv. Acest lucru implică faptul că acest strat de oxid pe punctul în care este conectată electricitatea poate crește rezistența, compromițând astfel conductivitatea generală a aluminiului. Eficiența activităților electrice la performanțe ridicate poate fi pierdută din cauza existenței acestui strat de oxid. Pentru a obține o conductivitate bună, un astfel de strat de oxid trebuie eliminat sau limitat la locurile de contact sau se furnizează tratamente de suprafață pentru a evita depunerea de oxid.

2. Anodizare

În cazul aluminiului, anodizarea este un proces care are drept scop îngroșarea deliberată a peliculei de oxid. Deși sporește rezistența la coroziune și îmbunătățește finisajul estetic al suprafeței, anodizarea face în continuare suprafața mai izolantă. Acest lucru scade considerabil conductivitatea aluminiului, ceea ce îl face nepotrivit pentru aplicațiile care implică utilizarea curentului electric. Dar în anumite aplicații, cum ar fi cele cu importanță estetică, acoperirea anodică nu este îndepărtată din cauza efectului protector, ceea ce reprezintă o amenințare majoră. Anodizarea nu poate fi optimă în aplicațiile conductive decât dacă este planificată o îndepărtare intenționată a stratului de oxid la punctele de conectare.

3. Acoperiri și vopsele

Aluminiul este acoperit și vopsit pentru a oferi protecție suplimentară împotriva elementelor de mediu și pentru a îmbunătăți aspectul. Cu toate acestea, marea majoritate a acoperirilor (în special vopseaua normală) sunt izolante și formează bariere de conductivitate electrică. Acoperirile au ca efect reducerea conductivității electrice a metalului cu o marjă mare în cazurile în care acoperirea este aplicată. În cazul aluminiului în aplicațiile sistemelor electrice,s trebuie reținut faptul că piesele cu care se realizează contactul electric nu ar trebui să fie acoperite sau, în cazuri speciale, ar putea fi de dorit să se utilizeze acoperiri conductoare în anumite situații.

4. Lustruirea suprafeței

Una dintre metodele de finisare care se utilizează este lustruirea suprafeței pentru a obține o suprafață curată și netedă a aluminiului. Din punct de vedere mecanic, lustruirea în cazul conductivității electrice este procesul care îmbunătățește proprietatea în ceea ce privește conductivitatea electrică pentru a oferi o suprafață de contact mai curată. Suprafața lustruită a aluminiului permite o mai mare eficiență în conexiunea electrică, scade rezistența și îmbunătățește performanța sistemelor electrice. Dar atunci când lustruirea se face prea mult, aceasta poate duce la pierderea de material, ceea ce poate fi o problemă pentru integritatea și dimensiunea aluminiului în unele aplicații. În consecință, lustruirea trebuie utilizată numai pentru a obține echilibrul dorit între conductivitate și rezistența materialului.

De ce este utilizat aluminiul în electricitate?

Chiar dacă cuprul este conducător electric în comparație cu aluminiul, acest lucru nu a determinat industria electrică să renunțe la utilizarea aluminiului. Cauzele acestei situații sunt:

1. Cost-eficacitate

Un preț mai mic este unul dintre principalele avantaje ale aplicării aluminiului în electronică. Spre deosebire de cupru, aluminiul este mai ieftin; de fapt, prețul său este de aproximativ o treime din costul cuprului. Acest factor de accesibilitate va face din aluminiu o opțiune excelentă atunci când vine vorba de instalații electrice la scară largă, deoarece este necesară o cantitate mare de material.

2. Greutate redusă

Aluminiul este, de asemenea, foarte ușor în comparație cu cuprul, iar densitatea sa este de aproximativ o treime din cea a cuprului. Acest lucru îl face potrivit în zonele în care greutatea este o problemă, cum ar fi în liniile aeriene de transmisie a energiei electrice. Costul de transport este mai mic datorită ușurinței aluminiului, iar instalarea acestuia devine ușoară.

3. Rezistența la coroziune

Atunci când se află în aer liber, aluminiul dezvoltă în mod natural și un strat subțire de oxid protector care acoperă suprafața. Această peliculă de oxid servește ca un agent de etanșare care nu mai poate fi oxidat și, astfel, aluminiul este un material extrem de rezistent la coroziune. Acest lucru este avantajos, în special pentru sistemele electrice care sunt în aer liber, deoarece factorii meteorologici și umiditatea pot coroda cu ușurință alte metale, cum ar fi cuprul.

4. Raportul rezistență/greutate

Aluminiul are un raport rezistență/greutate foarte bun, ceea ce înseamnă că, deși este ușor, poate oferi o rezistență structurală mare. Acest aspect face din aluminiu o opțiune frumoasă în aproape toate aspectele electrice, cum ar fi cablurile, liniile de transmisie și chiar la construcția echipamentelor electrice.

Compararea rezistenței aluminiului și a cuprului: Conductivitatea electrică

După cum s-a menționat mai sus, conductivitatea aluminiului este de aproximativ 61% din cea a cuprului. Cu toate acestea, diferența de conductivitate nu este atât de mare pe cât pare. În cazul multor aplicații la scară largă, cum ar fi transmisia de energie, economiile în materie de costuri și greutate oferite de aluminiu compensează conductivitatea sa ușor redusă. Acestea fiind spuse, atunci când vine vorba de performanțe electrice ridicate, cuprul rămâne cel mai bun conductor.

O comparație Aluminiu și cupru:

Deși cuprul este mai conductor, diferența de performanță se explică în mod normal prin montarea unui cablu de aluminiu cu o secțiune transversală mai mare pentru a transporta aceeași cantitate de electricitate într-un cablu de cupru cu o secțiune transversală mai mică. Acesta este motivul pentru care cablurile aeriene de transmisie a energiei electrice și alte instalații electrice de mari dimensiuni utilizează de obicei cabluri din aluminiu.

Compararea aluminiului cu alți conductori

Când vine vorba de compararea aluminiului cu alți conductori electrici, cum ar fi cuprul și argintul, se spune că performanțele sale sunt satisfăcătoare de multe ori, dar nu sunt bine utilizate într-un sistem de înaltă performanță.

Utilizări ale aluminiului în electricitate

Aluminiul găsește aplicații în produse electrice foarte diverse, în special atunci când caracteristicile menționate sunt benefice: costuri reduse, densitate redusă și rezistență la coroziune.

1. Linii de transmisie a energiei electrice

Cea mai frecventă aplicație a aluminiului este în liniile aeriene de transport al energiei electrice, în care greutatea sa redusă și valoarea ridicată a conductivității îl fac potrivit pentru transportul energiei electrice pe distanțe lungi. Utilizarea liniilor electrice compuse din aluminiu este mai ieftină pentru instalare și întreținere în comparație cu cuprul și, datorită greutății lor reduse, sunt ușor de manevrat în ceea ce privește instalarea liniilor.

2. Cablaj electric / cabluri

Cablajul din aluminiu este utilizat în mod obișnuit în construcțiile rezidențiale și comerciale, în special pe circuitele care au capacități de sarcini electrice de nivel scăzut și moderat. Firul de cupru poate fi utilizat în continuare în circuitele de înaltă performanță, dar aluminiul poate fi aplicat în instalațiile mari în care costul și greutatea joacă un rol vital.

3. Fire de împământare

Firele de împământare sunt, de asemenea, realizate din aluminiu, deoarece este necesar să se asigure o cale sigură prin care curentul electric să poată circula în cazul unei defecțiuni. Punerea la pământ joacă un rol fundamental în disiparea în siguranță a oricărui curent electric excesiv pe sol, astfel încât niciun echipament să nu fie deteriorat și șansele de incendii electrice să fie reduse la minimum.

4. Motoare și aparate electrice

Motoarele și transformatoarele electrice au aluminiu ca material de înfășurare. Metalul este ușor, este relativ rezistent și posedă o bună conductivitate, ceea ce îl face o opțiune considerabil de bună atunci când îl aplicați la o varietate extinsă de aplicații industriale și comerciale

Probleme și soluții la problemele cu conductivitatea aluminiului

Cu toate că aluminiul este un conductor adecvat, acesta prezintă și anumite probleme care trebuie rezolvate atunci când este utilizat ca conductor într-un sistem electric.

1. Rezistență mai mare

Cel mai mare dezavantaj al aluminiului este că este mai conductor electric decât cuprul. Acest lucru implică faptul că, atunci când circulă un curent egal, apare mai multă căldură și o scădere a tensiunilor în firul de aluminiu. Acest lucru, în câteva cazuri, necesită utilizarea unor conductori de aluminiu mai mari pentru a oferi aceeași performanță ca firele de cupru.

2. Probleme de conectare și oxidare

Aluminiul va fi ușor oxidat, în special, îmbinările. Pe de o parte, atunci când aluminiul este acoperit cu un strat de oxid, acesta este rezistent la coroziune; pe de altă parte, stratul de oxid se poate stratifica ca un izolator electric, creând o rezistență mai mare, izolând joncțiunile. Acest lucru poate cauza supraîncălzirea, funcționarea defectuoasă și, în cele mai grave situații, defectarea electrică. În încercarea de a limita acest lucru, în timpul instalării, trebuie să se acorde o atenție deosebită astfel încât să se realizeze conexiunile corecte și să nu apară coroziune la nivelul îmbinărilor.

3. Rezistența mecanică

Chiar dacă aluminiul are un raport excelent rezistență/masă, acesta este totuși mai puțin robust decât cuprul și poate fi susceptibil la deteriorări mecanice, în special în condiții de stres ridicat/ vibrații. În cazul aplicațiilor cu solicitări ridicate, firele de aluminiu sunt de obicei întărite cu oțel sau alte materiale.

Concluzie

Cu toate acestea, se poate concluziona că, într-adevăr, aluminiul conduce electricitatea, dar este, de asemenea, un material utilizat frecvent în industria electrică datorită bunei sale conductivități, economicității, faptului că este ușor și rezistenței la coroziune. Deși nu este la fel de conductiv ca cuprul, este suficient de ieftin și posedă alte caracteristici benefice, putând fi astfel utilizat ca alternativă la cupru în majoritatea aplicațiilor electrice.

Aluminiu este deosebit de practic în cazul proiectelor la scară largă, cum ar fi transmisia de energie și cablajul electric, unde avantajele de preț și greutate depășesc cu mult tendința de conductivitate mai scăzută. Cu toate acestea, provocările sale, care ar trebui luate în considerare de ingineri și electricieni atunci când proiectează și instalează sisteme electrice pe bază de aluminiu, sunt rezistența și oxidarea sa crescute.

Cu toate acestea, aluminiul este un material vital utilizat în industria electrică, iar utilizarea sa va crește din moment ce în întreaga lume sunt solicitate infrastructuri electrice mai eficiente și mai accesibile.