فهم التوصيل الكهربائي للألمنيوم

يتوقع المعهد الدولي للألمنيوم (IAI) أن يرتفع الطلب العالمي على الألمنيوم في صناعة الإلكترونيات ترتفع من 8 ملايين طن إلى 12 مليون طن في السنوات المقبلة. ومع ذلك، ومن المتوقع أن يصل الطلب على النحاس إلى نفس المستوى (حوالي 13 مليون طن).. مما يطرح السؤال، ما مدى جودة الموصل من الألومنيوم؟ 

يعد فهم التوصيل الكهربائي للألمنيوم أمرًا ضروريًا للمصممين ومطوري المنتجات والشركات التي ترغب في الاستفادة من طبيعة الألومنيوم الفعالة من حيث التكلفة أو خصائصه خفيفة الوزن. 

في هذه المدونة، سنغطي موصلات الألومنيوم، والخصائص الكهربائية للألمنيوم، وإمكانية استخدامها كبديل للنحاس والمعادن الموصلة الأخرى. 

الموصلية الكهربائية للألمنيوم

الألومنيوم كمعدن

قبل أن نتعمق في موصلية الألومنيوم وخصائصه الكهربائية، إليك بعض الحقائق الأساسية حول الألومنيوم. 

ستساعدك هذه المعرفة الأساسية على فهم جدول الخصائص وتجعل المقارنة بين موصلات الألومنيوم أسهل. 

الألومنيوم عنصر معدني في الجدول الدوري برقم ذري 13. وهو أحد أكثر المعادن وفرة على وجه الأرض. لسوء الحظ، لا يوجد الألومنيوم في شكله النقي ويجب إنتاجه على نطاق صناعي من خامه.البوكسيت. 

البوكسيت

يستخدم موصل الألومنيوم على نطاق واسع في صناعة الإلكترونيات، وهو رابع أكثر المعادن موصلية بعد الفضة والنحاس والذهب؛ بهذا الترتيب. العديد من سبائك الألومنيوم لها موصلية مختلفة. 

الألومنيوم خفيف الوزن، ومرن، ومقاوم للتآكل، مما يساعده في التطبيقات الكهربائية لأنه يمكن تحويله إلى أسلاك وصهره بسرعة للحام. 

إذن ما أهمية الرقم 13؟  ويمثل عدد الإلكترونات الموجودة في ذرة الألومنيوم وترتيبها في مدارات الإلكترون. لاحقًا، سنجد أن هذه الإلكترونات هي التي تساهم في موصلية الألومنيوم.

كيفية قياس الموصلية؟

تخبرك الموصلية بمدى قدرة المعدن على توصيل الكهرباء. وهو مقياس لميل المادة لتوصيل التيار الكهربائي. 

يتم قياس الموصلية في سيمنز (S) لكل متر (م). بالنسبة للألمنيوم، يتم تمرير تيار معروف عبر عينة الألومنيوم، ويتم قياس انخفاض الجهد باستخدام المجسات. 

يمكن استخدام هذا لحساب موصلية معدن الألومنيوم باستخدام صيغة. 

كيفية قياس الموصلية

هل يمكن للألمنيوم توصيل الكهرباء؟

يعتبر الألمنيوم من أفضل الموصلات الكهربائية. إنه خلف النحاس النقي من حيث التوصيل. موصل الألمنيوم النقي لديه التوصيل الكهربائي من 33.3 × 107 ق / م. 

الموصلية الكهربائية للألمنيوم

لفهم الموصلية بسهولة، غالبًا ما تتم مقارنتها بالنحاس النقي. النحاس النقي هو أفضل موصل كهربائي بعد الفضة. والذي، لأسباب اقتصادية، ليس من الممكن استخدامه كموصل على المستوى الصناعي. 

يوفر المعيار الدولي للنحاس الملدن (IACS) مرجعًا مقارنًا للتوصيلية. الألومنيوم هو 61% IACS، مما يعني أنه يحتوي على موصلية كهربائية تقيس 61% مقارنة بالنحاس. 

يستخدم الألومنيوم على نطاق واسع في المعدات الكهربائية بسبب فعاليته من حيث التكلفة ومقاومته الكهربائية المنخفضة. يزن الألومنيوم حوالي 30% أخف من النحاس، مما يجعله مثاليًا لكابلات الطاقة العلوية. 

يعتبر الألومنيوم موصلًا جيدًا للكهرباء، حيث أن خطوط النقل مصنوعة في الغالب من الألومنيوم، ويأتي التيار الكهربائي إلى منزلك عبر موصلات الألومنيوم. 

كيف يقوم الألمنيوم بتوصيل الكهرباء؟

إذا كنت مصممًا وتفهم كيفية توصيل الألومنيوم للكهرباء، فيمكن أن يساعدك ذلك في الاختيار بين سبائك الألومنيوم والمعادن الأخرى لمشروعك. 

يمكن للألمنيوم توصيل الكهرباء بسبب بنيته وروابطه الذرية. 

يغطي هذا القسم كيفية توصيل الألومنيوم للكهرباء. 

خلفية عن الحالي

على المستوى الأساسي، قد تعتقد أن التيار هو مقياس للكهرباء. هذا ليس صحيحا تماما. التيار هو المعدل الذي تمر به الشحنة عبر نقطة داخل الحلقة. 

لفهم كيفية عمل موصلات الألومنيوم، عليك أن تفهم "الشحنة"، وهي أيون أو إلكترون موجب أو سالب. 

توصيل الألمنيوم

تتكون ذرات الألومنيوم من البروتونات والنيوترونات، وهي مثبتة بإحكام في النواة، ومحاطة بالإلكترونات. 

عندما تفقد ذرة الألومنيوم إلكترونًا، فإنها تسمى أيون الألومنيوم، وهو أيون ألومنيوم موجب الشحنة.

ذرات الألومنيوم

يتكون الألومنيوم من العديد من هذه الذرات، والتي تكون مترابطة بإحكام ولها إلكترون خارجي كإلكترونات حرة. لا يتم تثبيتها بإحكام بواسطة قلب ذرات الألومنيوم ويمكنها التحرك حول الألومنيوم. 

على وجه التحديد، تحتوي ذرات الألومنيوم على 13 إلكترونًا و13 بروتونًا. ولهذا السبب تم وضع علامة عليه رقم 13 في الجدول الدوري. ترتيب هذه الإلكترونات الـ 13 في المدارات ينتج عنه 3 إلكترونات في غلافها الخارجي، والتي تتعرض لضعف الجذب من النواة. 

الألومنيوم والمعادن الأخرى محاطة ببحر من الإلكترونات التي يمكنها التحرك بحرية. عندما يكون هناك فرق جهد عبر طرفي قطعة الألومنيوم، يمكن لإلكترونات التوصيل هذه أن تتحرك في اتجاه القطبية (إيجابيًا أو سلبيًا). 

إن حركة الإلكترونات الحرة هذه تجعل الألومنيوم موصلاً للكهرباء، وقياس معدل مرور هذه الإلكترونات عبر نقطة ما هو التيار. 

كيف يمكن مقارنة موصلية الألومنيوم بالمعادن الأخرى؟

يمكن لاختبار الموصلية على الألومنيوم أيضًا تحديد الدرجات الصحيحة للألمنيوم وتحديد ما إذا كانت عملية المعالجة الحرارية قد تمت على الألومنيوم. تتميز عينة الألومنيوم المعالجة بالحرارة بموصلية مختلفة عن الألومنيوم غير المعالج. 

هناك نسب قياسية دولية محددة من النحاس الملدن للسبائك المختلفة وطرق المعالجة.

هناك اختلاف في الموصلية من سبائك الألومنيوم إلى سبائك الألومنيوم وبين الألومنيوم والمعادن. هذا الجدول من بوابة البحث يقارن موصلية الألومنيوم مع المعادن المعروفة.

رتبةمعدنالتوصيل الكهربائي (سم-1)
1فضة66.7 106
2نحاس64.1 106
3ذهب49.0 106
4الألومنيوم40.8 106
5الروديوم23.3 106
6الزنك18.2 106
6النيكل16.4 106
7الكادميوم14.7 106
8حديد11.2 106

 

من الجدول، يمكنك معرفة أن الحديد ليس الخيار الأفضل للتطبيقات الكهربائية. يستخدم الحديد بشكل أساسي في شكله المصنوع من الفولاذ المقاوم للصدأ وهو أحد أسوأ الموصلات. 

ولكن لماذا يحتل النحاس مرتبة عالية جدًا من حيث توصيل الكهرباء؟

لماذا النحاس أكثر موصلية من الألومنيوم؟

لأسباب عديدة، لا يزال النحاس هو الخيار الأساسي للموصلات الكهربائية. إنه أكثر ليونة، وله تشطيب بني ذهبي يمكن أن يساعد في الجماليات، وله قوة وصلابة أفضل. نعم فهو موصل ممتاز للكهرباء وأفضل من الألمنيوم.

يعتبر النحاس موصلًا كهربائيًا أفضل من الألومنيوم بسبب مقاومته للتيار الكهربائي. 

المقاومة هي مقياس لمعارضة التدفق الحالي. تسمى المواد ذات المقاومة العالية، مثل البلاستيك أو المطاط، بالعوازل. جميع المواد لديها مقاومة، ولكن في المعادن، فهي صغيرة للغاية. 

تعتمد المقاومة على الأبعاد وعلى خاصية مادية تسمى المقاومة. إذا كنت تعتبر الموصلات النحاسية متساوية الطول والمساحة مع نظيراتها من الألومنيوم، فستجد أن الموصلات النحاسية تتمتع بموصلية عالية. هذا بسبب النحاس لديه مقاومة أصغر من الألومنيوم. 

الموصلية الكهربائية للنحاس

في المصطلحات التجريبية, يعتبر النحاس موصلًا جيدًا لأن إلكتروناته الحرة أقل عرضة للتعرض لظاهرة تسمى تصادم الفونون. يحدث هذا عندما تنتج الذرات المهتزة شكلاً ميكانيكيًا من الطاقة يتداخل مع حركة الإلكترون. ونتيجة لذلك، فإن الإلكترونات الحرة للألمنيوم، على الرغم من كونها ذات تركيز أعلى من النحاس، تتعرض لمزيد من تصادمات الفونونات وتنتشر، أو بعبارة أخرى، تساهم في مقاومة التيار الكهربائي. 

درجات الألومنيوم والموصلية الكهربائية

يتمتع الألومنيوم في شكله الخام بمقاومة منخفضة للتيار الكهربائي. ومع ذلك، ليست هذه هي الطريقة التي يتم بها استخدام الألومنيوم. تتطلب معظم تطبيقات الألمنيوم معالجة محددة، أو إضافة الشوائب، أو تشكيل السبائك. 

يتم تصنيف سبائك الألومنيوم في الدرجات. تبدأ درجات الألمنيوم من سلسلة 1000 وتتراوح إلى سلسلة 8000. يمكنك قراءة المزيد عن درجات الألومنيوم وأفضل تطبيقاتها هنا.

قضبان الألمنيوم

الألومنيوم سلسلة 1000 هو أنقى وأكثر موصلية. سلسلة 2000 عبارة عن سبائك من النحاس، وسلسلة 6000 عبارة عن سبائك المغنيسيوم والسيليكون والألومنيوم. 

لا توجد قاعدة ثابتة لتخمين موصلية درجات الألومنيوم. وبدلاً من ذلك فإن معظم البيانات تجريبية. 

درجات EC من الألومنيوم موصلة للكهرباء بشكل أفضل. هذا هو الألومنيوم سلسلة 1000 (1350 Al) مع التوصيل الكهربائي والحراري الجيد. تشير EC إلى الدرجة الكهربائية. لقد تقريبًا 61 % IACS الموصلية. 

تعتبر درجات الألومنيوم الأخرى مثل AA-8006 وAA-8011 أيضًا موصلات جيدة مع التطبيقات بما في ذلك أسلاك الألمنيوم والبناء. 

الانتهاء من الألومنيوم والموصلية

يمكن لتشطيب سطح الألومنيوم أن يغير خصائصه الكهربائية. ببساطة، إذا كنت تستخدم الألومنيوم للأجهزة الإلكترونية وانتهى بك الأمر إلى شكل من أشكال التغيير في السطح، فقد يؤدي ذلك إلى تقليل موصلية الألومنيوم. ومن ثم، فإن هذا يتعارض مع هدفك الأصلي المتمثل في الحصول على موصل جيد. 

أنواع تشطيب الألمنيوم

يحتوي الألومنيوم على طبقة من أكسيد الألومنيوم الطبيعي وهي رقيقة للغاية. يريد العديد من الأشخاص أن تدوم منتجاتهم لفترة أطول وأن تؤدي عملية الأكسدة التي يمكن أن تزيد من مقاومتها للتآكل عن طريق تنمية طبقة الأكسيد. 

ومع ذلك، فإن طبقة أكسيد الألومنيوم لا توصل الكهرباء لأنها لا تحتوي على إلكترونات حرة. بهذه الطريقة، أنت تحيط بالألومنيوم بموصل سيئ للغاية للكهرباء. 

يؤثر طلاء المسحوق والمعالجة الحرارية والطلاء والطلاء البلاستيكي على موصلات الألومنيوم بشكل مختلف. كما ذكرنا سابقًا، يتم أحيانًا استخدام نسبة التوصيل إلى IACS لتحديد المعالجة الحرارية التي تم إجراؤها على الألومنيوم. 

على سبيل المثال، 6009-T4 هو 44 % IACS، بينما 6009-T6 هو 47% IACS. T4 وT6 هما نوعان مختلفان من عمليات المعالجة الحرارية لنفس سبيكة الألومنيوم.

تطبيقات الألمنيوم في الإلكترونيات والمنتجات الكهربائية

هناك العديد من الأسباب لاستخدام الألومنيوم كموصل للكهرباء. ومع ذلك، فإن خصائصه تجعله مثاليًا لعدد قليل من الأغراض المحددة في الصناعة الكهربائية. 

الأسلاك والكابلات

غالبًا ما يتم استخدام أسلاك الألمنيوم في خطوط النقل الهوائية لأن كثافة الألومنيوم منخفضة مقارنة بالنحاس. وهذا يعني أنه أخف وزنا من النحاس. 

يؤدي استخدام سلك الألمنيوم فوق السلك النحاسي إلى وزن أخف بثلاث مرات، مما يساعد على منع هذه الكابلات من الترهل. لذلك، بالنسبة لخط ألومنيوم طوله 1 متر ووزنه حوالي 6 كجم، ستكون هناك حاجة إلى موصل نحاسي مكافئ يبلغ 18 كجم. 

سلك كابل الألومنيوم

يقدم الألومنيوم حوالي 60% – 64% IACS، وهو موصل ممتاز مقارنة بوزنه ووفرته. 

يعد الألومنيوم أيضًا أكثر فعالية من حيث التكلفة في الإنتاج وأسهل في التعامل معه من النحاس. 

في حين تستخدم المنازل ومواقع البناء الأسلاك النحاسية بشكل أكبر، تستخدم الصناعات ومصادر توليد الطاقة المهمة أسلاك الألمنيوم. تتميز أسلاك الألمنيوم سلسلة 8000 بموصلية ممتازة وتستخدم في الأسلاك الكهربائية للمباني السكنية. 

المكونات الكهربائية

كما يتم استخدام الموصلية الكهربائية للألمنيوم في صناعة المكونات الكهربائية بدءًا من الوصلات الصغيرة وحتى الأجهزة الإلكترونية الكبيرة حيث يمكن الاستفادة من خصائصه خفيفة الوزن. 

صندوق كهربائي من الألومنيوم

سوق الألمنيوم سريع النمو هو السيارات الكهربائية، حيث تستخدم أغلفة المحرك والمحرك الكهربائي الألومنيوم لمنع البطارية الثقيلة من إضافة المزيد من الوزن. 

خافضات الحرارة

إن موصليته الحرارية تجعله مثاليًا لمبددات الحرارة وغالبًا ما يوجد في أجهزة الكمبيوتر ووحدات المعالجة. كما أنها تستخدم في المصابيح ومكبرات الصوت.

بالوعة الحرارة الألومنيوم

تعمل المبددات الحرارية المصنوعة من الألومنيوم بشكل أساسي على زيادة مساحة تبديد الحرارة مما يؤدي إلى التبريد السريع ونقل الحرارة بشكل أسرع بعيدًا عن الجهاز الإلكتروني. 

خاتمة

يعد الألومنيوم أحد أفضل الموصلات ذات الاستخدامات المتزايدة باستمرار. فهي تتميز بخفة الوزن، ومنخفضة التكلفة، وجاهزة للتوفر في جميع أنحاء العالم، مما يجعلها مثالية للعديد من الاستخدامات الكهربائية.

الألومنيوم هو أحد الموصلين المستخدمين تجاريًا إلى جانب النحاس. على الرغم من كونه أقل موصلية قليلاً من النحاس، إلا أن خفة وزنه تجعله مفيدًا للغاية في العديد من الصناعات، بدءًا من السيارات وحتى شبكات الطاقة. 

موصلية الألومنيوم عالية جدًا بحيث يمكن لرقائق الألومنيوم البسيطة أن تعمل كموصل للكهرباء. ومع ذلك، فإن موصلية الرقاقة ستكون أقل بكثير من موصلية السلك أو الألومنيوم النقي.

وذلك لأن الخصائص السطحية للألمنيوم تؤثر على موصليته. يمكن أن يؤدي الطلاء أو الطلاء أو الأكسدة إلى تقليل الموصلية بشكل كبير. لذا، يجب أن تفكر في التطبيق النهائي لمنتج الألمنيوم الخاص بك قبل التفكير في أي معالجات سطحية. 

 

جدول المحتويات

هنا في WELLSTE، نقدم لك أي قطاعات ألومنيوم وألومنيوم مخصصة.

arالعربية
Scroll to Top

اتصل بنا اليوم وسنرد عليك فورًا

نموذج المدونة

سيتم الاحتفاظ المعلومات الخاصة بك بسرية تامة.

سوف نتصل بك خلال يوم عمل واحد.

مرحبًا، أنا سوزانا لي، مديرة المنظمات في Wellste، وسأكون سعيدًا أنا وفريقي بلقائك ومعرفة كل شيء عن عملك ومتطلباتك وتوقعاتك.