Comprendre la conductivité électrique de l'aluminium

L'Institut international de l'aluminium (IAI) prévoit que la demande mondiale d'aluminium dans l'industrie électronique va passer de 8 millions de tonnes à 12 millions de tonnes dans les années à venir. Cependant, la la demande de cuivre devrait atteindre le même niveau (environ 13 millions de tonnes). Ce qui soulève la question : dans quelle mesure l’aluminium est-il un bon conducteur ? 

Comprendre la conductivité électrique de l’aluminium est essentiel pour les concepteurs, les développeurs de produits et les entreprises qui souhaitent bénéficier de la nature rentable de l’aluminium ou de ses propriétés légères. 

Dans ce blog, nous aborderons les conducteurs en aluminium, les caractéristiques électriques de l'aluminium et leur utilisation possible comme alternative au cuivre et à d'autres métaux conducteurs. 

L'aluminium en tant que métal

Avant de nous plonger dans la conductivité de l’aluminium et ses propriétés électriques, voici quelques faits de base sur l’aluminium. 

Ces connaissances de base vous aideront à comprendre le tableau des propriétés et à faciliter la comparaison entre les conducteurs en aluminium. 

L'aluminium est un élément métallique du tableau périodique dont le numéro atomique est 13. C'est l'un des métaux les plus abondants sur terre. Malheureusement, l'aluminium n'existe pas sous sa forme pure et doit être produit à l'échelle industrielle à partir de son minerai.Bauxite. 

L'aluminium est un conducteur largement utilisé dans l'industrie électronique. Il est le quatrième métal le plus conducteur après l'argent, le cuivre et l'or, dans cet ordre. De nombreux alliages d'aluminium ont des conductivités différentes. 

L'aluminium est léger, ductile et résistant à la corrosion, ce qui l'aide dans les applications électriques car il peut être transformé en fils et rapidement fondu pour la soudure. 

Alors, quelle est la signification du nombre 13 ?  Il représente le nombre d'électrons dans un atome d'aluminium et leur disposition dans les orbitales électroniques. Plus tard, nous découvrirons que ce sont ces électrons qui contribuent à la conductivité de l’aluminium.

Comment mesurer la conductivité ?

La conductivité indique dans quelle mesure un métal peut conduire l'électricité. Il s'agit d'une mesure de la tendance d'un matériau à conduire le courant électrique. 

La conductivité est mesurée en Siemens (S) par mètre (m)Pour l’aluminium, un courant connu traverse l’échantillon d’aluminium et la chute de tension est mesurée à l’aide de sondes. 

Ceci peut être utilisé pour calculer la conductivité du métal aluminium à l'aide d'une formule. 

L’aluminium peut-il conduire l’électricité ?

L'aluminium est l'un des meilleurs conducteurs électriques. Il est juste derrière le cuivre pur en termes de conductivité. Le conducteur en aluminium pur a une conductivité électrique de 33,3 x 107 S/m. 

Pour comprendre facilement la conductivité, on la compare souvent à celle du cuivre pur. Le cuivre pur est le meilleur conducteur électrique derrière l'argent. Ce dernier, pour des raisons économiques, n'est pas viable à utiliser comme conducteur à l'échelle industrielle. 

La norme internationale sur le cuivre recuit (IACS) fournit une référence comparative pour la conductivité. L'aluminium est 61% IACS, ce qui signifie qu'il a une conductivité électrique qui mesure 61% par rapport à celle du cuivre. 

L'aluminium est largement utilisé dans les équipements électriques en raison de sa rentabilité et de sa faible résistance électrique. L'aluminium pèse environ 30% de moins que le cuivre, ce qui le rend idéal pour les câbles électriques aériens. 

L'aluminium est un si bon conducteur d'électricité que les lignes de transmission sont principalement constituées d'aluminium et que le courant électrique qui arrive dans votre maison passe par des conducteurs en aluminium. 

Comment l’aluminium conduit-il l’électricité ?

Si vous êtes un concepteur, comprendre comment l'aluminium conduit l'électricité peut vous aider à choisir entre les alliages d'aluminium et d'autres métaux pour votre projet. 

L'aluminium peut conduire l'électricité en raison de sa structure et de sa liaison atomique. 

Cette section explique comment l’aluminium peut conduire l’électricité. 

Contexte À propos de Current

Au niveau le plus élémentaire, on pourrait penser que le courant est une mesure de l'électricité. Ce n'est pas tout à fait vrai. Le courant est la vitesse à laquelle la charge passe par un point à l'intérieur d'une boucle. 

Pour comprendre comment fonctionnent les conducteurs en aluminium, vous devez comprendre la « charge », qui est un ion ou un électron positif ou négatif. 

La conduction de l'aluminium

Les atomes d'aluminium sont constitués de protons et de neutrons, étroitement retenus dans le noyau et entourés d'électrons. 

Lorsqu’un atome d’aluminium perd un électron, on l’appelle un ion aluminium, c’est-à-dire un ion aluminium chargé positivement.

L'aluminium est constitué de plusieurs de ces atomes, qui sont étroitement regroupés et dont l'électron extérieur est un électron libre. Ils ne sont pas maintenus fermement par le noyau des atomes d'aluminium et peuvent se déplacer autour de l'aluminium. 

Pour être plus précis, les atomes d'aluminium ont 13 électrons et 13 protons. C'est pourquoi il est marqué 13 dans le tableau périodique. La disposition de ces 13 électrons en orbitales donne 3 électrons dans sa couche externe, qui subissent une faible attraction du noyau. 

L'aluminium et d'autres métaux sont entourés d'une mer d'électrons qui peuvent se déplacer librement. Chaque fois qu'il y a une différence de potentiel entre les extrémités d'une pièce d'aluminium, ces électrons de conduction peuvent se déplacer dans le sens de la polarité (positive ou négative). 

Ce mouvement d'électrons libres permet à l'aluminium de conduire l'électricité, et une mesure de la vitesse à laquelle ces électrons passent à travers un point est le courant. 

Comment la conductivité de l'aluminium se compare-t-elle à celle d'autres métaux

Le test de conductivité sur l'aluminium permet également d'identifier les bonnes qualités d'aluminium et de déterminer si un traitement thermique a été effectué sur l'aluminium. Un échantillon d'aluminium traité thermiquement a une conductivité différente de celle de l'aluminium non traité. 

Il existe des ratios internationaux de cuivre recuit définis pour différents alliages et méthodes de traitement.

Il existe une variation de conductivité d'un alliage d'aluminium à un autre et entre l'aluminium et les métaux. Ce tableau de RechercheGate compare la conductivité de l'aluminium avec celle des métaux connus.

D'après le tableau, vous pouvez rapidement constater que le fer n'est pas le premier choix pour les applications électriques. Le fer est principalement utilisé sous sa forme d'acier inoxydable et est l'un des pires conducteurs. 

Mais pourquoi le cuivre est-il si bien classé en termes de conduction de l’électricité ?

Pourquoi le cuivre est plus conducteur que l’aluminium ?

Pour de nombreuses raisons, le cuivre reste le premier choix pour les conducteurs électriques. Il est plus ductile, possède une finition brun doré qui peut aider à l'esthétique et possède une meilleure résistance et dureté. Oui, c'est un excellent conducteur d'électricité et meilleur que l'aluminium.

Le cuivre est un meilleur conducteur électrique que l’aluminium en raison de sa résistance au courant électrique. 

La résistance est une mesure de l'opposition au passage du courant. Les matériaux à haute résistance, comme le plastique ou le caoutchouc, sont appelés isolants. Tous les matériaux ont une résistance, mais dans les métaux, elle est extrêmement faible. 

La résistance dépend des dimensions et d'une propriété du matériau appelée résistivité. Si vous considérez les conducteurs en cuivre de longueur et de surface égales à leurs homologues en aluminium, vous constaterez que les conducteurs en cuivre ont une conductivité élevée. Cela est dû au fait que le cuivre a une résistivité plus faible que l'aluminium. 

Dans termes expérimentaux, le cuivre est un bon conducteur car ses électrons libres sont moins susceptibles de subir un phénomène appelé collision de phonons. C'est le cas lorsque les atomes en vibration produisent une forme d'énergie mécanique qui interfère avec le mouvement des électrons. En conséquence, les électrons libres de l'aluminium, bien qu'ils soient en concentration plus élevée que ceux du cuivre, subissent plus de collisions de phonons et se dispersent, ou en d'autres termes, contribuent à la résistance au courant électrique. 

Nuances d'aluminium et conductivité électrique

Sous sa forme brute, l'aluminium présente une faible résistance au courant électrique. Cependant, ce n'est pas ainsi qu'il est utilisé. La plupart des applications de l'aluminium nécessitent un traitement spécifique, l'ajout d'impuretés ou la formation d'alliages. 

Les alliages d'aluminium sont classés en nuances. Les nuances d'aluminium commencent à partir de la série 1000 et vont jusqu'à la série 8000. Vous pouvez en savoir plus sur les nuances d'aluminium et leurs meilleures applications ici.

L'aluminium de la série 1000 est le plus pur et le plus conducteur. La série 2000 est constituée d'alliages de cuivre et la série 6000 est constituée d'alliages de magnésium-silicium et d'aluminium. 

Il n'existe pas de règle absolue pour deviner la conductivité des différentes qualités d'aluminium. La plupart des données sont expérimentales. 

Les aluminiums de qualité EC conduisent mieux l'électricitéIl s'agit d'un aluminium de la série 1000 (1350 Al) avec une bonne conductivité électrique et thermique. EC fait référence à la qualité électrique. Il a environ 61 % Conductivité IACS. 

D'autres qualités d'aluminium comme AA-8006 et AA-8011 sont également de bons conducteurs pour des applications telles que les fils d'aluminium et la construction. 

Finition et conductivité de l'aluminium

La finition de surface de l'aluminium peut modifier ses propriétés électriques. En d'autres termes, si vous utilisez de l'aluminium pour des appareils électroniques et que vous vous retrouvez avec une forme d'altération de surface, cela peut diminuer la conductivité de l'aluminium. Par conséquent, cela va à l'encontre de votre objectif initial d'avoir un bon conducteur. 

L'aluminium est doté d'une couche d'oxyde d'aluminium naturelle extrêmement fine. De nombreuses personnes souhaitent que leurs produits durent plus longtemps et procèdent à une anodisation qui peut augmenter leur résistance à la corrosion en faisant croître la couche d'oxyde. 

Cependant, la couche d'oxyde d'aluminium ne conduit pas l'électricité car elle ne contient pas d'électrons libres. De cette façon, l'aluminium est entouré d'un conducteur d'électricité extrêmement faible. 

Le revêtement en poudre, le traitement thermique, la peinture et les revêtements en plastique affectent tous les conducteurs en aluminium de manière différente. Comme mentionné précédemment, leur rapport de conductivité par rapport à l'IACS est parfois utilisé pour identifier le traitement thermique qui a été effectué sur l'aluminium. 

Par exemple, le 6009-T4 correspond à 44 % IACS, tandis que le 6009-T6 correspond à 47% IACS. T4 et T6 sont des types différents de processus de traitement thermique pour le même alliage d'aluminium.

Applications de l'aluminium dans les produits électroniques et électriques

Il existe de nombreuses raisons d'utiliser l'aluminium comme conducteur électrique. Cependant, ses propriétés le rendent idéal pour quelques applications particulières dans l'industrie électrique. 

Câblage et câblage

Le fil d'aluminium est souvent utilisé dans les lignes aériennes de transmission car l'aluminium a une densité inférieure à celle du cuivre. Cela signifie qu'il est plus léger que le cuivre. 

L'utilisation de fil d'aluminium plutôt que de fil de cuivre permet d'obtenir un poids trois fois plus léger, ce qui permet d'éviter que ces câbles ne s'affaissent. Ainsi, pour une ligne en aluminium de 1 m pesant environ 6 kg, un conducteur en cuivre équivalent de 18 kg serait nécessaire. 

L'aluminium offre environ 60% – 64% IACS, ce qui constitue une excellente conductivité par rapport à son poids et à son abondance. 

L’aluminium est également plus rentable à produire et plus facile à manipuler que le cuivre. 

Alors que les maisons et les chantiers de construction utilisent davantage de fils de cuivre, les industries et les principales sources de production d'énergie utilisent des fils d'aluminium. Les fils d'aluminium de la série 8000 ont une excellente conductivité et sont utilisés dans le câblage électrique des bâtiments résidentiels. 

Composants électriques

La conductivité électrique de l'aluminium est également utilisée pour fabriquer des composants électriques, des petits connecteurs aux grands appareils électroniques où ses propriétés de légèreté peuvent être utilisées. 

Un marché en pleine croissance pour l'aluminium est celui des voitures électriques, où les boîtiers du moteur et du moteur électrique utilisent de l'aluminium pour empêcher la lourde batterie d'ajouter du poids. 

Dissipateurs thermiques

Sa conductivité thermique le rend idéal pour les dissipateurs thermiques et on le retrouve souvent dans les ordinateurs et les unités de traitement. On les utilise également dans les lampes et les amplificateurs.

Les dissipateurs thermiques en aluminium augmentent essentiellement la zone de dissipation thermique, ce qui entraîne un refroidissement rapide et un transfert de chaleur plus rapide loin de l'appareil électronique. 

Conclusion

L'aluminium est l'un des meilleurs conducteurs et ses applications sont en constante expansion. Il est léger, peu coûteux et facilement disponible dans le monde entier, ce qui le rend idéal pour de nombreuses utilisations électriques.

L'aluminium est l'un des deux conducteurs les plus utilisés dans le commerce, avec le cuivre. Bien qu'il soit légèrement moins conducteur que le cuivre, sa légèreté le rend extrêmement utile dans de nombreux secteurs, de l'automobile aux réseaux électriques. 

La conductivité de l'aluminium est si élevée qu'une simple feuille d'aluminium peut servir de conducteur électrique. Cependant, la conductivité de la feuille sera bien inférieure à celle d'un fil ou de l'aluminium pur.

Cela est dû au fait que les caractéristiques de surface de l'aluminium affectent sa conductivité. La peinture, le revêtement ou l'anodisation peuvent réduire considérablement la conductivité. Vous devez donc tenir compte de l'application finale de votre produit en aluminium avant d'envisager tout traitement de surface.