Comprender la conductividad eléctrica del aluminio

El Instituto Internacional del Aluminio (IAI) predice que la demanda mundial de aluminio en la industria electrónica aumentará aumento de 8 millones de toneladas a 12 millones de toneladas en los próximos años. sin embargo, el Se espera que la demanda de cobre alcance el mismo nivel (alrededor de 13 millones de toneladas).. Lo que plantea la pregunta: ¿qué tan buen conductor es el aluminio? 

Comprender la conductividad eléctrica del aluminio es esencial para los diseñadores, desarrolladores de productos y empresas que desean beneficiarse de la naturaleza rentable del aluminio o de sus propiedades livianas. 

En este blog, cubriremos los conductores de aluminio, las características eléctricas del aluminio y su posible uso como alternativa al cobre y otros metales conductores. 

Aluminio como metal

Antes de profundizar en la conductividad del aluminio y sus propiedades eléctricas, aquí hay algunos datos básicos sobre el aluminio. 

Este conocimiento previo le ayudará a comprender la tabla de propiedades y facilitará la comparación entre conductores de aluminio. 

El aluminio es un elemento metálico de la tabla periódica con número atómico 13. Es uno de los metales más abundantes que se encuentran en la tierra. Desafortunadamente, el aluminio no existe en su forma pura y debe producirse a escala industrial a partir de su mineral.Bauxita. 

El conductor de aluminio se usa ampliamente en la industria electrónica y es el cuarto metal más conductor después de la plata, el cobre y el oro; en ese orden. Muchas aleaciones de aluminio tienen diferentes conductividades. 

El aluminio es liviano, dúctil y resistente a la corrosión, lo que lo ayuda en aplicaciones eléctricas porque puede convertirse en cables y fundirse rápidamente para soldarlos. 

Entonces, ¿cuál es el significado del número 13?  Representa el número de electrones en un átomo de aluminio y su disposición en orbitales de electrones. Más adelante descubriremos que son estos electrones los que contribuyen a la conductividad del aluminio.

¿Cómo medir la conductividad?

La conductividad indica qué tan bien un metal puede conducir la electricidad. Es una medida de la tendencia de un material a conducir corriente eléctrica. 

La conductividad se mide en Siemens (S) por metro (m). Para el aluminio, se hace pasar una corriente conocida a través de la muestra de aluminio y la caída de voltaje se mide mediante sondas. 

Esto se puede utilizar para calcular la conductividad del metal de aluminio mediante una fórmula. 

¿Puede el aluminio conducir electricidad?

El aluminio es uno de los mejores conductores eléctricos. Está justo detrás del cobre puro en términos de conductividad. El conductor de aluminio puro tiene una conductividad eléctrica de 33,3x 107 S/m. 

Para comprender fácilmente la conductividad, a menudo se la compara con la del cobre puro. El cobre puro es el mejor conductor eléctrico detrás de la plata. El cual, por razones económicas, no es viable su uso como conductor a escala industrial. 

El Estándar Internacional de Cobre Recocido (IACS) proporciona una referencia comparativa para la conductividad. El aluminio es 61% IACS, lo que significa que tiene una conductividad eléctrica que mide 61% con respecto a la del cobre. 

El aluminio se utiliza ampliamente en equipos eléctricos debido a su rentabilidad y baja resistencia eléctrica. El aluminio pesa aproximadamente 30% más liviano que el cobre, lo que lo hace ideal para cables eléctricos aéreos. 

El aluminio es un conductor de electricidad tan bueno que las líneas de transmisión están hechas en su mayoría de aluminio, y la corriente eléctrica que llega a su casa llega a través de conductores de aluminio. 

¿Cómo conduce el aluminio la electricidad?

Si es diseñador, comprender cómo el aluminio conduce la electricidad puede ayudarlo a decidir entre aleaciones de aluminio y otros metales para su proyecto. 

El aluminio puede conducir electricidad debido a su estructura y enlaces atómicos. 

Esta sección cubre cómo el aluminio puede conducir la electricidad. 

Antecedentes sobre la actualidad

En el nivel más básico, uno pensaría que la corriente es una medida de electricidad. Eso no es del todo cierto. La corriente es la velocidad a la que la carga pasa por un punto dentro de un circuito. 

Para comprender cómo funcionan los conductores de aluminio, es necesario comprender la "carga", que es un ion o electrón positivo o negativo. 

Conducción del aluminio

Los átomos de aluminio están formados por protones y neutrones, firmemente sujetos en el núcleo y rodeados de electrones. 

Cuando un átomo de aluminio pierde un electrón, se llama ion aluminio, un ion de aluminio cargado positivamente.

El aluminio está formado por muchos de estos átomos, que están muy juntos y tienen su electrón exterior como electrones libres. No están sujetos firmemente por el núcleo de los átomos de aluminio y pueden moverse alrededor del aluminio. 

Para ser específicos, los átomos de aluminio tienen 13 electrones y 13 protones. Por eso está marcado como 13 en la tabla periódica. La disposición de estos 13 electrones en orbitales da como resultado 3 electrones en su capa exterior, que experimentan una débil atracción por parte del núcleo. 

El aluminio y otros metales están rodeados por un mar de electrones que pueden moverse libremente. Siempre que hay una diferencia de potencial entre los extremos de una pieza de aluminio, estos electrones de conducción pueden moverse en la dirección de la polaridad (positiva o negativa). 

Este movimiento de electrones libres hace que el aluminio conduzca electricidad, y una medida de la velocidad a la que estos electrones pasan por un punto es la corriente. 

¿Cómo se compara la conductividad del aluminio con la de otros metales?

La prueba de conductividad del aluminio también puede identificar los grados correctos de aluminio y determinar si se ha realizado un proceso de tratamiento térmico del aluminio. Una muestra de aluminio tratada térmicamente tiene una conductividad diferente a la del aluminio sin tratar. 

Existen proporciones definidas del Estándar Internacional de Cobre Recocido para diferentes aleaciones y métodos de tratamiento.

Hay una variación de conductividad de una aleación de aluminio a otra y entre aluminio y metales. Esta tabla de Puerta de la investigación Compara la conductividad del aluminio con metales conocidos.

De la tabla se desprende rápidamente que el hierro no es la mejor opción para aplicaciones eléctricas. El hierro se utiliza principalmente en su forma de acero inoxidable y es uno de los peores conductores. 

Pero, ¿por qué el cobre ocupa un lugar tan alto en términos de conducción de electricidad?

¿Por qué el cobre es más conductor que el aluminio?

Por muchas razones, el cobre sigue siendo la opción principal para los conductores eléctricos. Es más dúctil, tiene un acabado marrón dorado que puede ayudar a la estética y tiene mejor resistencia y dureza. Sí, es un excelente conductor de electricidad y mejor que el aluminio.

El cobre es un mejor conductor eléctrico que el aluminio debido a su resistencia a la corriente eléctrica. 

La resistencia es una medida de oposición al flujo actual. Los materiales con alta resistencia, como el plástico o el caucho, se denominan aislantes. Todos los materiales tienen resistencia, pero en los metales es extremadamente pequeña. 

La resistencia depende de las dimensiones y de una propiedad del material llamada resistividad. Si considera conductores de cobre con la misma longitud y área que sus homólogos de aluminio, encontrará que los conductores de cobre tienen una alta conductividad. Esto es porque El cobre tiene una resistividad menor que el aluminio. 

En términos experimentales, El cobre es un buen conductor porque es menos probable que sus electrones libres experimenten un fenómeno llamado colisión de fonones. Esto ocurre cuando los átomos que vibran producen una forma mecánica de energía que interfiere con el movimiento de los electrones. Como resultado, los electrones libres del aluminio, a pesar de estar en mayor concentración que el cobre, experimentan más colisiones de fonones y se dispersan, o en otras palabras, contribuyen a la resistencia a la corriente eléctrica. 

Grados de aluminio y conductividad eléctrica

En su forma bruta, el aluminio tiene una baja resistencia a la corriente eléctrica. Sin embargo, no es así como se utiliza el aluminio. La mayoría de las aplicaciones del aluminio requieren un tratamiento específico, adición de impurezas o formación de aleaciones. 

Las aleaciones de aluminio se clasifican en grados. Los grados de aluminio comienzan en la serie 1000 y van hasta la serie 8000. Puede leer más sobre los grados de aluminio y sus mejores aplicaciones. aquí.

El aluminio de la serie 1000 es el más puro y conductor. La serie 2000 son aleaciones de cobre y la serie 6000 son aleaciones de magnesio-silicio y aluminio. 

No existe una regla estricta para adivinar la conductividad de los grados de aluminio. En cambio, la mayoría de los datos son experimentales. 

Los grados CE de aluminio conducen mejor la electricidad. Se trata de un aluminio serie 1000 (1350 Al) con buena conductividad eléctrica y térmica. CE se refiere al grado eléctrico. Tiene aproximadamente 61 Conductividad IACS %. 

Otros grados de aluminio como AA-8006 y AA-8011 también son buenos conductores con aplicaciones que incluyen alambre de aluminio y construcción. 

Acabado y conductividad del aluminio.

El acabado de la superficie del aluminio puede cambiar sus propiedades eléctricas. En pocas palabras, si utiliza aluminio para dispositivos electrónicos y termina con algún tipo de alteración en la superficie, puede disminuir la conductividad del aluminio. Por lo tanto, frustrar su propósito original de tener un buen director. 

El aluminio tiene una capa natural de óxido de aluminio que es extremadamente delgada. Muchas personas quieren que sus productos duren más y realizan un anodizado que puede aumentar su resistencia a la corrosión al hacer crecer la capa de óxido. 

Sin embargo, la capa de óxido de aluminio no conduce la electricidad porque no tiene electrones libres. De esta manera, el aluminio queda rodeado de un conductor de electricidad extremadamente pobre. 

El recubrimiento en polvo, el tratamiento térmico, la pintura y los recubrimientos plásticos afectan a los conductores de aluminio de manera diferente. Como se mencionó, su relación de conductividad con respecto a IACS se utiliza a veces para identificar qué tratamiento térmico se ha realizado en el aluminio. 

Por ejemplo, 6009-T4 es 44 % IACS, mientras que 6009-T6 es 47% IACS. T4 y T6 son diferentes tipos de procesos de tratamiento térmico para la misma aleación de aluminio.

Aplicaciones del aluminio en productos electrónicos y eléctricos.

Hay muchas razones para utilizar el aluminio como conductor eléctrico. Sin embargo, sus propiedades lo hacen ideal para algunos propósitos particulares en la industria eléctrica. 

Cableado y cableado

El alambre de aluminio se usa a menudo en líneas aéreas de transmisión porque el aluminio tiene una densidad más baja que el cobre. Esto significa que es más liviano que el cobre. 

El uso de alambre de aluminio en lugar de alambre de cobre da como resultado un peso tres veces más liviano, lo que ayuda a evitar que estos cables se doblen. Así, para una línea de aluminio de 1 m que pese alrededor de 6 Kg, se necesitaría un conductor de cobre equivalente de 18 Kg. 

El aluminio ofrece alrededor de 60% – 64% IACS, lo que supone una excelente conductividad en comparación con su peso y abundancia. 

El aluminio también es más rentable de producir y más fácil de manipular que el cobre. 

Mientras que las casas y las obras de construcción utilizan cada vez más cables de cobre, las industrias y las importantes fuentes de generación de energía emplean cables de aluminio. Los cables de aluminio de la serie 8000 tienen una excelente conductividad y se utilizan en el cableado eléctrico de edificios residenciales. 

Componentes eléctricos

La conductividad eléctrica del aluminio también se utiliza para fabricar componentes eléctricos, desde pequeños conectores hasta grandes dispositivos electrónicos donde se pueden aprovechar sus propiedades livianas. 

Un mercado de rápido crecimiento para el aluminio es el de los automóviles eléctricos, donde las carcasas del motor y del motor eléctrico utilizan aluminio para evitar que la pesada batería agregue más peso. 

Disipadores de calor

Su conductividad térmica lo hace ideal para disipadores de calor y se encuentra a menudo en computadoras y unidades de procesamiento. También se utilizan en lámparas y amplificadores.

Los disipadores de calor de aluminio esencialmente aumentan el área de disipación de calor, lo que resulta en un enfriamiento rápido y una transferencia de calor más rápida fuera del dispositivo electrónico. 

Conclusión

El aluminio es uno de los mejores conductores con usos en constante expansión. Es liviano, de bajo costo y está disponible en todo el mundo, lo que lo hace ideal para muchos usos eléctricos.

El aluminio es uno de los dos conductores utilizados comercialmente además del cobre. A pesar de ser un poco menos conductor que el cobre, su peso ligero lo hace extremadamente útil en muchas industrias, desde automóviles hasta redes eléctricas. 

La conductividad del aluminio es tan alta que una simple lámina de aluminio puede actuar como conductor eléctrico. Sin embargo, la conductividad de la lámina será mucho menor que la de un alambre o la del aluminio puro.

Esto se debe a que las características de la superficie del aluminio afectan su conductividad. Pintar, recubrir o anodizar puede disminuir significativamente la conductividad. Por lo tanto, debe considerar la aplicación final de su producto de aluminio antes de considerar cualquier tratamiento de superficie.