Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium verstehen

Das International Aluminum Institute (IAI) prognostiziert, dass die weltweite Nachfrage nach Aluminium in der Elektronikindustrie Anstieg von 8 Millionen Tonnen auf 12 Millionen Tonnen in den kommenden Jahren. Allerdings Die Nachfrage nach Kupfer dürfte das gleiche Niveau erreichen (rund 13 Millionen Tonnen).. Das wirft die Frage auf, wie gut Aluminium als Leiter tatsächlich ist. 

Das Verständnis der elektrischen Leitfähigkeit von Aluminium ist für Designer, Produktentwickler und Unternehmen von entscheidender Bedeutung, die von der Kosteneffizienz oder dem geringen Gewicht des Aluminiums profitieren möchten. 

In diesem Blog behandeln wir Aluminiumleiter, die elektrischen Eigenschaften von Aluminium und ihre mögliche Verwendung als Alternative zu Kupfer und anderen leitfähigen Metallen. 

Aluminium als Metall

Bevor wir uns mit der Leitfähigkeit von Aluminium und seinen elektrischen Eigenschaften befassen, hier einige grundlegende Fakten über Aluminium. 

Dieses Hintergrundwissen hilft Ihnen beim Verständnis der Eigenschaftstabelle und erleichtert den Vergleich zwischen Aluminiumleitern. 

Aluminium ist ein Metallelement im Periodensystem mit der Ordnungszahl 13. Es zählt zu den am häufigsten vorkommenden Metallen auf der Erde. Leider kommt Aluminium nicht in reiner Form vor und muss industriell aus Erz gewonnen werden.Bauxit. 

Aluminiumleiter werden häufig in der Elektronikindustrie verwendet und sind nach Silber, Kupfer und Gold das viertleitfähigste Metall. Viele Aluminiumlegierungen weisen unterschiedliche Leitfähigkeiten auf. 

Aluminium ist leicht, dehnbar und korrosionsbeständig, was bei elektrischen Anwendungen von Vorteil ist, da es zu Drähten verarbeitet und zum Löten schnell geschmolzen werden kann. 

Welche Bedeutung hat also die Zahl 13?  Es stellt die Anzahl der Elektronen in einem Aluminiumatom und ihre Anordnung in Elektronenorbitalen dar. Später werden wir feststellen, dass es diese Elektronen sind, die zur Leitfähigkeit von Aluminium beitragen.

Wie misst man die Leitfähigkeit?

Die Leitfähigkeit gibt an, wie gut ein Metall Elektrizität leiten kann. Sie ist ein Maß für die Tendenz eines Materials, elektrischen Strom zu leiten. 

Die Leitfähigkeit wird in Siemens (S) pro Meter (m) gemessen.Bei Aluminium wird ein bekannter Strom durch die Aluminiumprobe geleitet und der Spannungsabfall mithilfe von Sonden gemessen. 

Damit lässt sich die Leitfähigkeit von Aluminiummetall mithilfe einer Formel berechnen. 

Kann Aluminium Elektrizität leiten?

Aluminium ist einer der besten elektrischen Leiter. In Bezug auf die Leitfähigkeit liegt es knapp hinter reinem Kupfer. Reiner Aluminiumleiter hat eine elektrische Leitfähigkeit von 33,3 x 107 S/m. 

Um die Leitfähigkeit besser zu verstehen, wird sie oft mit der von reinem Kupfer verglichen. Reines Kupfer ist nach Silber der beste elektrische Leiter. Aus wirtschaftlichen Gründen ist der Einsatz als Leiter im industriellen Maßstab jedoch nicht sinnvoll. 

Der International Annealed Copper Standard (IACS) bietet einen Vergleichsreferenzwert für die Leitfähigkeit. Aluminium hat den Wert 61% IACS, was bedeutet, dass seine elektrische Leitfähigkeit 61% im Vergleich zu der von Kupfer beträgt. 

Aluminium wird aufgrund seiner Kosteneffizienz und seines geringen elektrischen Widerstands häufig in elektrischen Geräten verwendet. Aluminium ist etwa 30 % leichter als Kupfer und eignet sich daher ideal für Freileitungskabel. 

Aluminium ist ein so guter Stromleiter, dass Stromleitungen größtenteils aus Aluminium bestehen und der Strom, der in Ihr Haus gelangt, über Aluminiumleiter fließt. 

Wie leitet Aluminium Elektrizität?

Wenn Sie Designer sind, kann Ihnen das Verständnis der Stromleitfähigkeit von Aluminium dabei helfen, sich für Ihr Projekt zwischen Aluminiumlegierungen und anderen Metallen zu entscheiden. 

Aluminium kann aufgrund seiner Struktur und Atombindung Elektrizität leiten. 

In diesem Abschnitt wird erläutert, wie Aluminium Elektrizität leiten kann. 

Hintergrundinformationen zu Current

Im Grunde könnte man meinen, Stromstärke sei ein Maß für Elektrizität. Das stimmt aber nicht ganz. Stromstärke ist die Geschwindigkeit, mit der Ladung durch einen Punkt innerhalb einer Schleife fließt. 

Um zu verstehen, wie Aluminiumleiter funktionieren, müssen Sie den Begriff „Ladung“ verstehen, also ein positives oder negatives Ion oder Elektron. 

Leitfähigkeit von Aluminium

Aluminiumatome bestehen aus Protonen und Neutronen, die fest im Kern gehalten und von Elektronen umgeben sind. 

Wenn ein Aluminiumatom ein Elektron verliert, spricht man von einem Aluminiumion – einem positiv geladenen Aluminiumion.

Aluminium besteht aus vielen dieser Atome, die dicht an dicht gepackt sind und deren äußere Elektronen freie Elektronen sind. Sie werden nicht fest vom Kern der Aluminiumatome gehalten und können sich im Aluminium bewegen. 

Genauer gesagt besitzen Aluminiumatome 13 Elektronen und 13 Protonen. Deshalb trägt es im Periodensystem die Zahl 13. Die Anordnung dieser 13 Elektronen in Orbitalen führt zu drei Elektronen in der äußeren Schale, die eine schwache Anziehungskraft vom Atomkern erfahren. 

Aluminium und andere Metalle sind von einem Meer frei beweglicher Elektronen umgeben. Bei Potenzialunterschieden an den Enden eines Aluminiumstücks können sich diese Leitungselektronen in Polaritätsrichtung (positiv oder negativ) bewegen. 

Diese Bewegung freier Elektronen macht Aluminium elektrisch leitfähig. Ein Maß für die Geschwindigkeit, mit der diese Elektronen einen Punkt passieren, ist der Strom. 

Wie ist die Leitfähigkeit von Aluminium im Vergleich zu anderen Metallen?

Der Leitfähigkeitstest an Aluminium kann auch die richtige Aluminiumqualität identifizieren und feststellen, ob eine Wärmebehandlung durchgeführt wurde. Eine wärmebehandelte Aluminiumprobe weist eine andere Leitfähigkeit auf als unbehandeltes Aluminium. 

Für verschiedene Legierungen und Behandlungsmethoden gibt es definierte internationale Standardverhältnisse für geglühtes Kupfer.

Die Leitfähigkeit variiert von Aluminiumlegierung zu Aluminiumlegierung und zwischen Aluminium und Metallen. Diese Tabelle von Researchgate vergleicht die Leitfähigkeit von Aluminium mit bekannten Metallen.

Aus der Tabelle lässt sich schnell erkennen, dass Eisen für elektrische Anwendungen nicht die beste Wahl ist. Eisen wird hauptsächlich in Edelstahlform verwendet und ist einer der schlechtesten Leiter. 

Aber warum wird Kupfer im Hinblick auf die elektrische Leitfähigkeit so hoch eingestuft?

Warum ist Kupfer leitfähiger als Aluminium?

Aus vielen Gründen ist Kupfer nach wie vor die erste Wahl für elektrische Leiter. Es ist dehnbarer, hat eine goldbraune Oberfläche, die die Ästhetik verbessern kann, und weist eine höhere Festigkeit und Härte auf. Es ist ein ausgezeichneter Stromleiter und besser als Aluminium.

Kupfer ist aufgrund seines Widerstands gegen elektrischen Strom ein besserer elektrischer Leiter als Aluminium. 

Der Widerstand ist ein Maß für den Widerstand gegen den Stromfluss. Materialien mit hohem Widerstand, wie Kunststoff oder Gummi, werden als Isolatoren bezeichnet. Alle Materialien haben einen Widerstand, bei Metallen ist er jedoch extrem gering. 

Der Widerstand hängt von den Abmessungen und einer Materialeigenschaft namens spezifischer Widerstand ab. Betrachtet man Kupferleiter mit gleicher Länge und Fläche wie ihre Aluminium-Gegenstücke, stellt man fest, dass Kupferleiter eine hohe Leitfähigkeit aufweisen. Dies liegt daran, dass Kupfer hat einen geringeren spezifischen Widerstand als Aluminium. 

In experimentelle Begriffe, Kupfer ist ein guter Leiter, da bei seinen freien Elektronen die Wahrscheinlichkeit geringer ist, dass es zu einem Phänomen namens Phononenkollision kommt. Dabei erzeugen vibrierende Atome mechanische Energie, die die Elektronenbewegung stört. Infolgedessen erfahren die freien Elektronen von Aluminium, obwohl sie in einer höheren Konzentration als Kupfer vorliegen, mehr Phononenkollisionen und streuen, was, anders ausgedrückt, zum Widerstand gegen elektrischen Strom beiträgt. 

Aluminiumsorten und elektrische Leitfähigkeit

Aluminium hat in seiner Rohform einen geringen Widerstand gegen elektrischen Strom. Dies ist jedoch nicht die Verwendungsart von Aluminium. Die meisten Anwendungen von Aluminium erfordern eine spezielle Behandlung, die Zugabe von Verunreinigungen oder die Bildung von Legierungen. 

Aluminiumlegierungen werden in verschiedene Güteklassen eingeteilt. Die Aluminiumsorten reichen von der 1000er-Serie bis zur 8000er-Serie. Mehr über Aluminiumsorten und ihre besten Anwendungen erfahren Sie hier. Hier.

Aluminium der 1000er-Serie ist das reinste und leitfähigste. Die 2000er-Serie sind Kupferlegierungen und die 6000er-Serie sind Magnesium-Silizium- und Aluminiumlegierungen. 

Es gibt keine feste Regel zur Schätzung der Leitfähigkeit von Aluminiumsorten. Die meisten Daten sind experimentell. 

EC-Aluminium leitet Strom am besten. Dies ist ein Aluminium der 1000er-Serie (1350 Al) mit guter elektrischer und thermischer Leitfähigkeit. EC steht für elektrische Güte. Es hat etwa 61 % IACS-Leitfähigkeit. 

Andere Aluminiumsorten wie AA-8006 und AA-8011 sind ebenfalls gute Leiter und finden Anwendung in Aluminiumdrähten und im Bauwesen. 

Aluminiumoberfläche und Leitfähigkeit

Die Oberflächenbeschaffenheit von Aluminium kann dessen elektrische Eigenschaften verändern. Einfach ausgedrückt: Wenn Sie Aluminium für elektronische Geräte verwenden und dabei eine Oberflächenveränderung feststellen, kann dies die Leitfähigkeit von Aluminium verringern. Dadurch wird der ursprüngliche Zweck, ein guter Leiter zu sein, zunichte gemacht. 

Aluminium besitzt eine extrem dünne, natürliche Aluminiumoxidschicht. Viele Anwender möchten eine längere Lebensdauer ihrer Produkte und eloxieren diese, um die Korrosionsbeständigkeit durch die Bildung einer stärkeren Oxidschicht zu erhöhen. 

Die Aluminiumoxidschicht leitet jedoch keinen Strom, da sie keine freien Elektronen enthält. Auf diese Weise umgibt man Aluminium mit einem extrem schlechten Stromleiter. 

Pulverbeschichtung, Wärmebehandlung, Lackierung und Kunststoffbeschichtungen wirken sich unterschiedlich auf Aluminiumleiter aus. Wie bereits erwähnt, wird ihr Leitfähigkeitsverhältnis zu IACS manchmal verwendet, um zu identifizieren, welche Wärmebehandlung an Aluminium durchgeführt wurde. 

Beispielsweise ist 6009-T4 44 % IACS, während 6009-T6 47% IACS ist. T4 und T6 sind unterschiedliche Arten von Wärmebehandlungsprozessen für dieselbe Aluminiumlegierung.

Anwendungen von Aluminium in elektronischen und elektrischen Produkten

Es gibt viele Gründe, Aluminium als elektrischen Leiter zu verwenden. Seine Eigenschaften machen es jedoch für einige spezielle Zwecke in der Elektroindustrie ideal. 

Verdrahtung und Verkabelung

Aluminiumdraht wird häufig in Freileitungen verwendet, da Aluminium eine geringere Dichte als Kupfer aufweist. Dies bedeutet, dass es leichter als Kupfer ist. 

Die Verwendung von Aluminiumdraht anstelle von Kupferdraht führt zu einem dreimal geringeren Gewicht und verhindert so ein Durchhängen der Kabel. Für eine 1 m lange Aluminiumleitung mit einem Gewicht von etwa 6 kg wäre also ein gleichwertiger Kupferleiter von 18 kg erforderlich. 

Aluminium bietet etwa 60% – 64% IACS, was im Vergleich zu seinem Gewicht und seiner Häufigkeit eine ausgezeichnete Leitfähigkeit darstellt. 

Darüber hinaus ist Aluminium kostengünstiger in der Herstellung und einfacher zu handhaben als Kupfer. 

Während in Häusern und auf Baustellen überwiegend Kupferdrähte zum Einsatz kommen, setzen Industrie und bedeutende Stromerzeugungsanlagen auf Aluminiumdrähte. Aluminiumdrähte der Serie 8000 weisen eine hervorragende Leitfähigkeit auf und werden in der elektrischen Verkabelung von Wohngebäuden eingesetzt. 

Elektrische Komponenten

Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium wird auch zur Herstellung elektrischer Komponenten genutzt, von kleinen Steckverbindern bis hin zu großen elektronischen Geräten, bei denen seine Leichtgewichtseigenschaften zum Einsatz kommen. 

Ein schnell wachsender Markt für Aluminium sind Elektroautos, bei denen die Gehäuse für den Motor und den Elektromotor aus Aluminium bestehen, um das zusätzliche Gewicht der schweren Batterie zu reduzieren. 

Kühlkörper

Aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit eignet es sich ideal für Kühlkörper und wird häufig in Computern und Verarbeitungseinheiten verwendet. Es wird auch in Lampen und Verstärkern eingesetzt.

Aluminiumkühlkörper vergrößern im Wesentlichen die Wärmeableitungsfläche, was zu einer schnellen Abkühlung und schnelleren Wärmeableitung vom elektronischen Gerät führt. 

Abschluss

Aluminium ist einer der besten Leiter und bietet immer mehr Einsatzmöglichkeiten. Es ist leicht, kostengünstig und weltweit verfügbar und eignet sich daher ideal für viele elektrische Anwendungen.

Aluminium ist neben Kupfer einer der beiden kommerziell genutzten Leiter. Obwohl es etwas weniger leitfähig als Kupfer ist, ist es aufgrund seines geringen Gewichts in vielen Branchen, von der Automobilindustrie bis hin zu Stromnetzen, äußerst nützlich. 

Die Leitfähigkeit von Aluminium ist so hoch, dass eine einfache Aluminiumfolie als elektrischer Leiter fungieren kann. Die Leitfähigkeit der Folie ist jedoch deutlich geringer als die eines Drahtes oder von reinem Aluminium.

Dies liegt daran, dass die Oberflächenbeschaffenheit von Aluminium dessen Leitfähigkeit beeinflusst. Lackieren, Beschichten oder Eloxieren kann die Leitfähigkeit erheblich verringern. Daher sollten Sie vor der Oberflächenbehandlung die endgültige Anwendung Ihres Aluminiumprodukts berücksichtigen.