Алюминий - один из самых популярных металлов в мире. Он известен тем, что имеет небольшой вес, высокое соотношение прочности и веса, а также устойчив к коррозии. Однако одной из важнейших характеристик алюминия, которая вызывает споры, является то, что он проводит электричество. Поэтому как ответить на вопрос, является ли алюминий проводником электричества? Вот здесь мы и приходим к ответу: да, алюминий может проводить электричество, но не так хорошо, как медь, которая является наиболее предпочтительным металлом при создании электрических систем. 

В этой статье мы рассмотрим электропроводность алюминия, его применение в электротехнической промышленности, а также преимущества и ограничения его использования в электротехнической промышленности.

Что означает электропроводность?

Прежде чем говорить о том, является ли алюминий проводником или нет, мы рассмотрим, что такое электропроводность. Способность материала пропускать электрический ток называется электропроводностью. Она зависит от количества свободно движущихся электронов в этом материале. Металлы, как правило, имеют очень свободные электроны, которые могут легко перемещаться внутри их атомной структуры, поэтому они являются хорошими проводниками.

Единица измерения электропроводности того или иного материала выражается в сименсах, деленных на метр (S/m). Чем больше сопротивление, тем меньше возможность прохождения электричества. Высокопроводящие материалы, такие как медь и алюминий, находят применение в различных электрических приложениях, таких как электроснабжение, передача энергии, проводка и электрические цепи.

Проводит ли алюминий электричество?

Да, алюминий во много раз лучше меди. Алюминий считается хорошим проводником, когда речь идет о проводимости металлов, хотя его электропроводность составляет всего 61 процент от электропроводности меди. Это означает, что медь обеспечивает больший ток, проходящий через провод данного размера.

Несмотря на это, тот факт, что алюминий обладает относительно высокой проводимостью, делает его применимым в большинстве электротехнических приложений, особенно там, где вес и стоимость являются критическими факторами. Удельное сопротивление алюминия не так велико, как у многих других материалов; то есть алюминий также может проводить электричество, но с относительно меньшим сопротивлением.

Как алюминий проводит электричество?

Электричество проводится в алюминии благодаря потоку свободных электронов через структуру атомов. Эти свободные электроны слабо связаны с атомами металла и могут легко перемещаться при наличии электрического поля. Когда материал позволяет электронам проходить через него, возникает электрический ток.

Алюминий также обладает довольно большим количеством свободных электронов, что означает, что он также является достойным проводником электричества, но не таким эффективным, как медь. Его электропроводность примерно в 61 раз меньше, чем у меди, поэтому он немного более устойчив к потоку электронов.

Проводимость алюминия также снижается при повышении температуры из-за усиления вибрации атомов в металле, что увеличивает сопротивление. Кроме того, на поверхности алюминия образуются слои оксида, не обладающие электропроводностью, что может снизить проводимость в местах соединений. Образующийся слой оксида необходимо контролировать, поскольку он может ухудшить хорошую проводимость, особенно в электрических контактах.

Электропроводящие марки алюминия 

Алюминий является проводником электричества, и уровень его проводимости также зависит от марки, поскольку различные марки содержат различные по чистоте и легирующие металлы. Взаимосвязь между маркой алюминия и его проводимостью крайне важна при выборе правильного типа алюминия, подходящего для определенных электрических применений.

1. Чистый алюминий (1100 грд)

Алюминий марки 1100 можно считать одним из самых чистых алюминиев с уровнем чистоты 99 процентов и выше. Эта чистота высока, что приводит к хорошей электропроводности, следовательно, он будет хорош в областях, требующих наилучшей электропроводности и производительности, таких как проводка и подключение к электричеству.

• Электропроводность: Примерно 61 процент от содержания меди.
• Приложения: Он используется в силовых кабельных системах, электрических проводах и других устройствах, где необходимы высокая проводимость и низкое сопротивление.

2. Алюминиевый сплав 1350

Алюминиевый сплав 1350 - это еще один алюминий высокой чистоты, только в его состав входит небольшое количество меди для повышения прочности и улучшения других свойств. Проводимость этого сплава на порядок ниже, чем у алюминия класса 1100, однако он способен обеспечить хорошую производительность и в электрических функциях.

• Электропроводность: Около 61 процента проводимости меди, которая подобна алюминию марки 1100.
• Приложения: Он широко используется в проводах, проводниках и трансформаторах, особенно в высоковольтных электрических системах.

3. Алюминиевый сплав 6063

Алюминий марки 6063 - это сплав средней прочности, который обычно используется для изготовления конструкций, таких как экструзии и рамы. В нем больше легирующих материалов, таких как магний и кремний, которые повышают механическую прочность, что делает его менее электропроводным, чем алюминий марок 1100 и 1350.

• Электропроводность: Проводимость меди на 50-55 процентов ниже, что обусловлено дополнительным влиянием легирующих элементов.
• Приложения: В основном он применяется в архитектурных экструзиях, оконных рамах и аэрокосмических компонентах. Несмотря на то, что он не такой проводящий, как более чистые сорта, он находит применение в областях, где важны прочность и формуемость, а не проводимость.

4. Алюминиевый сплав 1050

Алюминиевый сплав 1050 - это также алюминий высокой чистоты, но с небольшим содержанием железа, поэтому его электропроводность ниже, чем у алюминия марки 1100. Тем не менее, он обладает хорошей электропроводностью для различных применений.

• Электропроводность: Показатель электропроводности составляет 99,76 % от показателя меди, что эквивалентно 1100 классу.
• Приложения: Электрические кабели, провода и разъемы для аккумуляторов, для которых важна высокая электропроводность, но при этом указанная механическая прочность не является основной проблемой.

5. Алюминиевый сплав 6061

Популярность этого алюминиевого сплава марки 6061 обусловлена его хорошими механическими свойствами и универсальностью. Для придания прочности он легируется магнием и кремнием, что приводит к умеренной потере электропроводности.

-Электрическая проводимость: примерно 45-50 процентов от проводимости меди.

Применение: Обычно используется в конструкционных элементах, автомобильных деталях и оборудовании, используемом в открытом море, где электропроводность не имеет большого значения, но важны прочность и устойчивость к коррозии.

Влияет ли отделка алюминия на электропроводность?

Электропроводность алюминия может сильно зависеть от его отделки, которая определяется тем, какое покрытие нанесено на металл. Электропроводящие свойства алюминия могут быть изменены с помощью различных видов обработки поверхности: образования оксидного слоя, анодирования, нанесения покрытия, полировки и т. д.

1. Формирование оксидного слоя

В присутствии воздуха, например, в процессе окисления, алюминий образует тонкий слой оксидов (Al 2 O 3 ). Хотя этот оксидный слой защищает от коррозии, он не является проводящим. Это означает, что оксидная пленка на месте подключения электричества может повышать сопротивление, тем самым снижая общую проводимость алюминия. Эффективность электрической деятельности при высокой производительности может быть потеряна из-за существования этого оксидного слоя. Для достижения хорошей проводимости такой оксидный слой должен быть устранен или ограничен в местах контакта, или же поверхность должна быть обработана, чтобы избежать осаждения оксида.

2. Анодирование

Если речь идет об алюминии, анодирование - это процесс, направленный на то, чтобы намеренно сделать оксидную пленку толще. Хотя это повышает коррозионную стойкость и улучшает эстетический вид поверхности, анодирование дополнительно делает поверхность более изолированной. Это значительно снижает проводимость алюминия, что делает его непригодным для использования в приложениях, связанных с электрическим током. Но в некоторых областях применения, например, в эстетических, анодное покрытие не удаляется из-за защитного эффекта, что представляет собой большую опасность. Анодирование не может быть оптимальным в проводящих приложениях, если в местах соединения не планируется целенаправленное удаление оксидного слоя.

3. Покрытия и краски

Алюминий покрывают и красят, чтобы обеспечить дополнительную защиту от внешних воздействий и улучшить внешний вид. Однако подавляющее большинство покрытий (особенно обычные краски) являются изоляционными и образуют барьеры электропроводности. Покрытия имеют эффект снижения электропроводности металла на значительную величину в тех случаях, когда покрытие нанесено. В случае применения алюминия в электрических системах следует помнить, что детали, с которыми осуществляется электрический контакт, не должны иметь покрытия, или в особых случаях может быть желательно использовать проводящее покрытие в определенных ситуациях.

4. Полировка поверхности

Одним из методов отделки является полировка поверхности, чтобы получить чистую и гладкую поверхность алюминия. С механической точки зрения, полировка в случае электропроводности - это процесс, который улучшает свойства с точки зрения электропроводности и обеспечивает более чистую контактную поверхность. Полированная алюминиевая поверхность позволяет повысить эффективность электрического соединения, снизить сопротивление и повысить производительность электрических систем. Но если полировка выполняется слишком интенсивно, это может привести к потере материала, что может стать проблемой для целостности и размера алюминия в некоторых приложениях. Следовательно, полировка должна использоваться только для достижения желаемого баланса между проводимостью и прочностью материала.

Почему алюминий используется в электричестве?

Несмотря на то, что медь обладает большей электропроводностью по сравнению с алюминием, это не заставило электротехническую промышленность отказаться от использования алюминия. Причинами этого являются:

1. Экономическая эффективность

Дешевая цена - одно из главных преимуществ применения алюминия в электронике. В отличие от меди, алюминий дешевле; фактически, его цена составляет примерно одну треть от стоимости меди. Такой фактор доступности делает алюминий отличным вариантом для крупномасштабных электроустановок, поскольку требуется большое количество материала.

2. Легкий вес

Алюминий также очень легкий по сравнению с медью, его плотность составляет примерно одну треть от плотности меди. Именно это делает его пригодным для использования в тех областях, где вес является проблемой, например, в воздушных линиях электропередачи. Благодаря легкости алюминия снижаются транспортные расходы, а монтаж становится простым.

3. Устойчивость к коррозии

Находясь на открытом воздухе, алюминий естественным образом образует тонкое защитное оксидное покрытие, покрывающее его поверхность. Эта оксидная пленка служит герметиком, который не поддается дальнейшему окислению, поэтому алюминий является чрезвычайно устойчивым к коррозии материалом. Это очень важно, особенно для электрических систем, которые находятся на открытом воздухе, поскольку погодные факторы и влажность могут легко разъедать другие металлы, например медь.

4. Соотношение прочности и веса

Алюминий обладает отличным соотношением прочности и веса, что означает, что, несмотря на свой малый вес, он может предложить большую структурную прочность. Этот аспект делает алюминий прекрасным вариантом практически для всех электротехнических изделий, таких как кабели, линии электропередач и даже при изготовлении электрооборудования.

Сравнение прочности алюминия и меди: Электропроводность

Как уже было сказано выше, электрическая коПроводимость алюминия составляет примерно 61 процент от проводимости меди. Тем не менее, разница в проводимости не так велика, как может показаться. В случае многих крупномасштабных применений, например, при передаче электроэнергии, экономия на стоимости и весе, обеспечиваемая алюминием, компенсирует его немного меньшую проводимость. Тем не менее, когда речь идет о высоких электрических характеристиках, медь все равно остается лучшим проводником.

Сравнение Алюминий и медь:

Хотя медь обладает большей проводимостью, разница в характеристиках обычно объясняется тем, что алюминиевый кабель большего сечения переносит то же количество электроэнергии, что и медный кабель меньшего сечения. Именно поэтому в воздушных линиях электропередачи и других крупномасштабных электроустановках обычно используются алюминиевые кабели.

Сравнение алюминия с другими проводниками

Если сравнивать алюминий с другими электрическими проводниками, такими как медь и серебро, то его характеристики во многих случаях оказываются удовлетворительными, но не позволяют использовать его в высокопроизводительных системах.

Применение алюминия в электричестве

Алюминий находит применение в самых разных электротехнических изделиях, особенно там, где упомянутые характеристики выгодны: низкая стоимость, низкая плотность и устойчивость к коррозии.

1. Линии электропередач

Чаще всего алюминий применяется в воздушных линиях электропередачи, где его малый вес и высокая электропроводность позволяют использовать его для передачи электроэнергии на большие расстояния. Алюминиевые линии электропередачи дешевле в прокладке и обслуживании по сравнению с медными, а благодаря небольшому весу с ними легко работать при монтаже.

2. Электропроводка / кабели

Алюминиевая проводка широко используется в жилом и коммерческом строительстве, особенно в цепях с низкой и умеренной мощностью электрических нагрузок. Медные провода по-прежнему могут использоваться в высокопроизводительных цепях, но алюминий может применяться в крупных установках, где стоимость и вес играют важную роль.

3. Провода заземления

Провода заземления также изготавливаются из алюминия, поскольку необходимо обеспечить безопасный путь, по которому может протекать электрический ток в случае неисправности. Заземление играет основополагающую роль в безопасном отводе излишнего электрического тока на землю, чтобы не повредить оборудование и свести к минимуму вероятность возникновения электрических пожаров.

4. Электрические двигатели и аппараты

В электродвигателях и трансформаторах материалом для обмотки служит алюминий. Этот металл легок, относительно прочен и обладает хорошей электропроводностью, что делает его значительно лучшим вариантом при применении в самых разных промышленных и коммерческих областях

Проблемы и решения проблем с проводимостью алюминия

Несмотря на то, что алюминий является подходящим проводником, он также имеет определенные проблемы, которые необходимо решить при использовании в качестве проводника в электрической системе.

1. Повышенное сопротивление

Самый большой недостаток алюминия в том, что он более электропроводный, чем медь. Это означает, что при протекании одинакового тока в алюминиевом проводе выделяется больше тепла и падает напряжение. В некоторых случаях это приводит к необходимости использования более крупных алюминиевых проводов для обеспечения той же производительности, что и у медных проводов.

2. Проблемы соединения и окисления

Алюминий легко окисляется, особенно стыки. С одной стороны, когда алюминий покрыт слоем оксида, он устойчив к коррозии; с другой стороны, оксидный слой может служить электрическим изолятором, создавая повышенное сопротивление, изолируя места соединения. Это может привести к перегреву, сбоям в работе и, в худшем случае, к выходу из строя электрооборудования. Чтобы предотвратить это, при монтаже необходимо уделять особое внимание правильным соединениям и не допускать коррозии на стыках.

3. Механическая прочность

Несмотря на то, что алюминий имеет превосходное соотношение прочности и массы, он все же менее прочен, чем медь, и может быть подвержен механическим повреждениям, особенно в условиях высоких нагрузок/вибрации. В условиях высоких нагрузок алюминиевые провода обычно усиливаются сталью или другими материалами.

Заключение

Однако можно сделать вывод, что алюминий действительно проводит электричество, но он также является широко используемым материалом в электротехнической промышленности благодаря своей хорошей проводимости, экономичности, небольшому весу и устойчивости к коррозии. Хотя он не так хорошо проводит электричество, как медь, он достаточно дешев и обладает другими полезными свойствами, поэтому может использоваться в качестве альтернативы меди в большинстве электротехнических приложений.

Алюминий особенно практичен в таких масштабных проектах, как передача электроэнергии и электропроводка, где преимущества в цене и весе значительно перевешивают тенденцию к снижению проводимости. Тем не менее, проблемы, которые следует учитывать инженерам и электрикам при проектировании и прокладке электрических систем на основе алюминия, заключаются в его повышенной стойкости и окислении.

Тем не менее, алюминий является важнейшим материалом, используемым в электротехнической промышленности, и его применение будет только расти, поскольку во всем мире требуются более эффективные и доступные электрические инфраструктуры.