Aluminium är en av de populäraste metallerna i världen. Det är känt för att vara lätt, ha ett högt förhållande mellan styrka och vikt och vara korrosionsbeständigt. En av de viktigaste egenskaperna hos aluminium som är diskutabel är dock att den leder elektricitet. Hur svarar man därför på frågan: Är aluminium en elektrisk ledare? Det är här vi kommer till svaret: ja, aluminium kan leda elektricitet, men inte lika bra som koppar, som har varit den metall som valts när man skapat ett elektriskt system. 

I detta dokument diskuteras aluminiums elektriska ledningsförmåga, dess användning inom elindustrin samt fördelar och begränsningar med att använda det inom elindustrin.

Vad betyder elektrisk konduktivitet?

Vi kommer först att överväga vad elektrisk ledningsförmåga är innan vi säger om aluminium är en elektrisk ledare eller inte. Ett materials förmåga att tillåta elektrisk ström kallas elektrisk ledningsförmåga. Detta beror på antalet fritt rörliga elektroner i det materialet. Metaller har i allmänhet mycket fria elektroner som lätt kan flöda inom sin atomstruktur, så de är bra ledare.

Måttenheten för den elektriska ledningsförmågan hos ett visst material anges i siemens dividerat med meter (S/m). Ju större motståndet är, desto mindre är möjligheten för elektriciteten att passera igenom. Högkonduktiva material som koppar och aluminium används i flera elektriska applikationer som strömförsörjning, kraftöverföring, ledningar och kretsar.

Leder aluminium elektricitet?

Ja, aluminium är många gånger mer ledande än koppar. Aluminium anses vara en bra ledare när man tittar på metallers ledningsförmåga, även om dess elektriska ledningsförmåga bara är cirka 61 procent av koppar. Detta innebär att koppar ger en större ström som flyter genom en given storlek på ledningen.

Trots detta gör det faktum att aluminium har en relativt hög ledningsförmåga att det kan användas i de flesta elektriska applikationer, särskilt där vikt och kostnad är kritiska faktorer. Resistiviteten hos aluminium är inte lika hög som hos många andra material; det vill säga aluminium kan också leda elektricitet, men med relativt mindre motstånd.

Hur leder aluminium elektricitet?

Elektricitet leds i aluminium på grund av flödet av fria elektroner genom atomernas struktur. Dessa fria elektroner är endast svagt kopplade till metallens atomer och kan lätt röra sig när det finns ett elektriskt fält. När materialet tillåter elektronerna att passera genom det skapas en elektrisk ström.

Aluminium har också en ganska hög mängd fria elektroner, vilket innebär att det också är en anständig ledare av elektricitet, men inte lika effektiv som koppar. Det är ungefär 61 gånger mindre elektriskt ledande än koppar, så det är något mer motståndskraftigt mot flödet av elektroner.

Ledningsförmågan hos aluminium minskar också vid en temperaturökning på grund av den ökade vibrationen hos atomer i metallen, vilket ökar motståndet. Dessutom utvecklas oxidskikt av icke-ledningsförmåga på aluminiumytan, och detta kan minska ledningsförmågan där fogar görs. Detta oxidskikt som bildas bör kontrolleras eftersom det skulle försämra den goda ledningsförmågan, särskilt i elektriska kontakter.

Elektriskt ledande aluminiumkvaliteter 

Aluminium är en elektrisk ledare, och dess ledningsförmåga beror också på kvaliteten, eftersom olika kvaliteter innehåller olika renheter och legeringsmetaller. Korrelationen mellan typen av aluminiumkvalitet och dess ledningsförmåga är absolut nödvändig när man väljer rätt typ av aluminium som passar vissa elektriska applikationer.

1. PURE Aluminium ( 1100 Grd )

Aluminiumsort 1100 kan betraktas som en av de renaste aluminiumsorterna med en renhetsgrad på 99 procent och högre. Denna höga renhetsgrad leder till god elektrisk ledningsförmåga och är därför lämplig i områden som kräver god elektrisk ledningsförmåga och prestanda, t.ex. ledningar och elanslutningar.

• Elektrisk konduktivitet: Cirka 61 procent av kopparns.
• Applikationer: Den används i kraftkabelsystem, elektriska ledare och andra anordningar där hög ledningsförmåga och lågt motstånd är avgörande.

2. Aluminiumlegering 1350

Aluminiumlegering 1350 är en annan aluminium med hög renhet, bara att den kombineras med små mängder koppar för att förbättra dess styrka såväl som andra egenskaper. Denna kvalitet är ledande på en lägre nivå än aluminium av 1100-kvalitet, men ger bra prestanda även i elektriska funktioner.

• Elektrisk ledningsförmåga: Cirka 61 procent av ledningsförmågan hos koppar, som är som aluminium av 1100-kvalitet.
• Applikationer: Den används ofta i kablar, ledare och transformatorer, särskilt i elektriska högspänningssystem.

3. 6063 Aluminiumlegering

Aluminiumkvalitet 6063 är en medelhållfast legering och används normalt för strukturella ändamål som profiler och ramar. Den har fler legeringsmaterial som magnesium och kisel, vilket ökar den mekaniska hållfastheten och gör den mindre elektriskt ledande än aluminium av 1100- och 1350-kvalitet.

• Elektrisk konduktivitet: Koppar har 50-55% lägre konduktivitet, med ytterligare legeringseffekter av grundämnena.
• Applikationer: Den används främst i arkitektoniska profiler, fönsterkarmar och komponenter för flygindustrin. Även om den inte är lika ledande som de renare kvaliteterna används den inom områden där styrka och formbarhet snarare än ledningsförmåga är av betydelse.

4. Aluminiumlegering 1050

Aluminiumlegering 1050 är också aluminium med hög renhet, förutom att den har en liten närvaro av järn; därför är dess ledningsförmåga mindre än för 1100-graders aluminium. Det är dock bra i sin elektriska ledningsförmåga för olika applikationer.

• Elektrisk konduktivitet: Den elektriska ledningsförmågan är 99,76 % av koppar, vilket motsvarar 1100-klass.
• Applikationer: Elektriska kablar, ledningar och batterikontakter där hög ledningsförmåga är en viktig faktor, men där den mekaniska hållfastheten inte är ett stort problem.

5. Aloy 6061 aluminium

Det som gör denna aluminiumlegering av 6061-kvalitet populär är dess goda mekaniska egenskaper och mångsidighet. För att göra den stark legeras den med magnesium och kisel, vilket orsakar en måttlig förlust av ledningsförmåga.

-Elektrisk ledningsförmåga: cirka 45-50 procent av ledningsförmågan hos koppar.

Tillämpning: Vanligt förekommande i konstruktionsdelar, bildelar och utrustning som används på öppet hav, där elektrisk ledningsförmåga inte har någon större betydelse, men däremot styrka och korrosionsbeständighet.

Påverkas den elektriska ledningsförmågan av aluminiumfinish?

Den elektriska ledningsförmågan hos aluminium kan i hög grad påverkas av aluminiumets ytbehandling, och detta bestäms av den ytbehandling som man applicerar på metallen. Den ledande egenskapen hos aluminium kan ändras med olika ytbehandlingar: oxidskiktsbildning, anodisering, beläggning, polering etc.

1. Bildning av oxidskikt

I närvaro av luft, t.ex. genom oxidationsprocessen, bildar aluminium ett tunt lager av oxider (Al 2 O 3 ). Även om detta oxidskikt ger ett skydd mot korrosion är det inte ledande. Detta innebär att oxidskiktet på den punkt där elen är ansluten kan höja motståndet och därmed försämra aluminiumets totala ledningsförmåga. Effektiviteten hos elektriska aktiviteter med hög prestanda kan gå förlorad på grund av förekomsten av detta oxidskikt. För att uppnå god ledningsförmåga måste ett sådant oxidskikt elimineras eller begränsas vid kontaktställen, eller ytbehandlingar levereras för att undvika oxidavsättning.

2. Anodisering

När det gäller aluminium är anodisering en process som syftar till att medvetet göra oxidfilmen tjockare. Även om anodiseringen ökar korrosionsbeständigheten och förbättrar ytans estetiska finish, gör den ytan mer isolerande. Detta minskar avsevärt aluminiumets ledningsförmåga vilket gör det olämpligt för applikationer som involverar användning av elektrisk ström. Men i vissa tillämpningar, t.ex. de som har estetisk betydelse, avlägsnas inte den anodiska beläggningen på grund av den skyddande effekten, vilket är ett stort hot. Anodisering kan inte vara optimal i ledande applikationer om inte ett målmedvetet avlägsnande av oxidskiktet planeras vid anslutningspunkterna.

3. Beläggningar och färger

Aluminium beläggs och målas för att ge extra skydd mot miljöfaktorer och för att förbättra utseendet. Men de allra flesta beläggningar (särskilt vanlig färg) är isolerande och bildar barriärer för elektrisk ledningsförmåga. Beläggningar minskar metallens elektriska ledningsförmåga med en stor marginal i de fall där beläggningen appliceras. När det gäller aluminium i elektriska system bör man komma ihåg att de delar som har elektrisk kontakt inte bör beläggas, eller så kan det i speciella fall vara önskvärt att använda ledande beläggning i särskilda situationer.

4. Polering av ytor

En av de efterbehandlingsmetoder som används är ytpolering för att få en ren och slät yta av aluminium. Mekaniskt sett är poleringen i fallet med elektrisk ledningsförmåga den process som förbättrar egenskapen när det gäller elektrisk ledningsförmåga för att erbjuda en renare kontaktyta. Polerad aluminiumyta möjliggör större effektivitet i elektrisk anslutning, sänker motståndet och förbättrar prestanda i elektriska system. Men när poleringen görs för mycket kan det leda till förlust av material, vilket kan vara ett problem för aluminiumets integritet och storlek i vissa applikationer. Följaktligen ska polering endast användas för att uppnå den önskvärda balansen mellan ledningsförmåga och materialets styrka.

Varför används aluminium i elektricitet?

Även om koppar är elektriskt ledande jämfört med aluminium har det inte lett till att elindustrin har slutat använda aluminium. Orsakerna till detta är:

1. Kostnadseffektivitet

Ett billigare pris är en av de viktigaste fördelarna med aluminiumapplikationer inom elektronik. Till skillnad från koppar är aluminium billigare; i själva verket är priset ungefär en tredjedel av kostnaden för koppar. Denna prisvärdhetsfaktor gör aluminium till ett utmärkt alternativ när det gäller storskaliga elektriska installationer eftersom det behövs en stor mängd material.

2. Lättvikt

Aluminium är också mycket lätt jämfört med koppar, och dess densitet är ungefär en tredjedel av koppars. Det är detta som gör det lämpligt i områden där vikt är en fråga som i luftledningar för kraftöverföring. Transportkostnaden är lägre på grund av aluminiumets lätta vikt och installationen av densamma blir enkel.

3. Motståndskraft mot korrosion

I utomhusluft utvecklar aluminium också naturligt en tunn skyddande oxidbeläggning som täcker ytan. Denna oxidfilm fungerar som ett tätningsmedel som inte kan oxideras ytterligare, och aluminium är därför ett extremt korrosionsbeständigt material. Detta är en fördel, särskilt för elektriska system som är placerade utomhus, eftersom väderfaktorer och luftfuktighet lätt kan korrodera andra metaller som koppar.

4. Förhållande mellan styrka och vikt

Aluminium har ett mycket bra förhållande mellan styrka och vikt, vilket innebär att även om det är lätt kan det erbjuda stor strukturell styrka. Denna aspekt gör aluminium till ett vackert alternativ i nästan alla elektriska frågor som kablar, överföringsledningar och till och med vid konstruktion av elektrisk utrustning.

Styrkan hos aluminium och koppar jämförs: Elektrisk ledningsförmåga

Som nämnts ovan har den elektriska koAluminiumets konduktivitet är cirka 61 procent av kopparens. Skillnaden i konduktivitet är dock inte så stor som det kan verka. I många storskaliga tillämpningar, t.ex. kraftöverföring, uppväger de kostnads- och viktbesparingar som aluminium ger den något lägre ledningsförmågan. Med detta sagt, när det gäller hög elektrisk prestanda är koppar fortfarande den bättre ledaren.

En jämförelse mellan aluminium och koppar:

Även om koppar är mer ledande, förklaras skillnaden i prestanda normalt genom att en aluminiumkabel med större tvärsnitt kan transportera samma mängd elektricitet som en kopparkabel med mindre tvärsnitt. Det är därför som luftledningar för kraftöverföring och andra storskaliga elektriska installationer vanligtvis använder aluminiumkablar.

Jämförelse av aluminium med andra ledare

När det gäller att jämföra aluminium med andra elektriska ledare som koppar och silver, sägs dess prestanda vara tillfredsställande många gånger, men inte väl använda i ett högpresterande system.

Användningar av aluminium i elektricitet

Aluminium används i många olika elektriska produkter, särskilt där de nämnda egenskaperna gynnas; låg kostnad, låg densitet och korrosionsbeständighet.

1. Kraftöverföringsledningar

Den vanligaste tillämpningen av aluminium är i luftledningar för kraftöverföring, där dess låga vikt och höga ledningsförmåga gör det lämpligt för elöverföring över långa avstånd. Användningen av kraftledningar som består av aluminium är billigare att lägga och underhålla jämfört med koppar, och på grund av deras lätta vikt är de lätta att hantera när det gäller installation av ledningarna.

2. Elektriska ledningar/kablar

Aluminiumkablar används ofta i bostads- och kommersiella byggnader, särskilt i kretsar som har låg och medelhög kapacitet för elektriska belastningar. Koppartråd kan fortfarande användas i högpresterande kretsar, men aluminium kan användas i stora installationer där kostnad och vikt spelar en viktig roll.

3. Jordade ledningar

Jordningskablar är också tillverkade av aluminium, eftersom det finns ett behov av att tillhandahålla en säker väg där den elektriska strömmen kan flöda i händelse av ett fel. Jordning spelar en grundläggande roll för att på ett säkert sätt leda bort överdriven elektrisk ström till marken så att ingen utrustning skadas och risken för elektriska bränder minimeras.

4. Elektriska motorer och apparater

Elektriska motorer och transformatorer har aluminium som utgör lindningsmaterialet. Metallen är lätt, relativt stark och har god ledningsförmåga, vilket gör den till ett mycket bra alternativ när den används i en mängd olika industriella och kommersiella tillämpningar

Frågor och lösningar på problem med aluminiums konduktivitet

Även om aluminium är en lämplig ledare, medför det också vissa problem som bör lösas när det används som ledare i ett elektriskt system.

1. Högre motstånd

Den största nackdelen med aluminium är att det är elektriskt ledande än koppar. Detta innebär att när lika mycket ström flyter, uppstår mer värme och en minskning av spänningen i aluminiumtråden. Detta gör att man i vissa fall måste använda större aluminiumledare för att få samma prestanda som koppartrådar.

2. Problem med anslutning och oxidering

Aluminium kommer lätt att oxideras, särskilt leder. Å ena sidan är aluminium korrosionsbeständigt när det är täckt med ett oxidskikt; å andra sidan kan oxidskiktet lägga sig som en elektrisk isolator, vilket skapar högre motstånd och isolerar skarvarna. Detta kan leda till överhettning, felfunktion och i värsta fall elfel. I ett försök att förhindra detta bör man vid installationen vara särskilt uppmärksam på att rätt anslutningar görs och att ingen korrosion kan uppstå vid skarvarna.

3. Mekanisk styrka

Även om aluminium har ett utmärkt förhållande mellan styrka och massa är det fortfarande mindre robust än koppar och kan vara känsligt för mekaniska skador, särskilt under hög belastning och vibrationer. I applikationer med höga påfrestningar förstärks aluminiumtrådarna vanligtvis med stål eller andra material.

Slutsats

Man kan dock dra slutsatsen att aluminium visserligen leder elektricitet, men det är också ett vanligt förekommande material inom elindustrin på grund av sin goda ledningsförmåga, ekonomi, låga vikt och korrosionsbeständighet. Även om det inte är lika ledande som koppar, är det tillräckligt billigt och har andra fördelaktiga egenskaper, och kan därför användas som ett alternativ till koppar i de flesta elektriska applikationer.

Aluminium är särskilt praktiskt vid storskaliga projekt som kraftöverföring och elektriska ledningar, där pris- och viktfördelarna uppväger tendensen till lägre ledningsförmåga. Utmaningarna, som ingenjörer och elektriker bör ta hänsyn till när de utformar och installerar aluminiumbaserade elsystem, är dock dess ökade motståndskraft och oxidation.

Icke desto mindre är aluminium ett viktigt material som används inom elindustrin, och användningen kommer bara att öka eftersom effektivare och billigare elinfrastrukturer efterfrågas över hela världen.