Comprensione della conduttività elettrica dell'alluminio

L'International Aluminum Institute (IAI) prevede che la domanda globale di alluminio nell'industria elettronica aumenterà passare da 8 milioni di tonnellate a 12 milioni di tonnellate nei prossimi anni. Tuttavia, il si prevede che la domanda di rame raggiungerà lo stesso livello (circa 13 milioni di tonnellate)Il che porta a chiedersi: quanto è buono l'alluminio come conduttore? 

Comprendere la conduttività elettrica dell'alluminio è essenziale per progettisti, sviluppatori di prodotti e aziende che desiderano trarre vantaggio dalla convenienza dell'alluminio o dalle sue proprietà di leggerezza. 

In questo blog parleremo dei conduttori in alluminio, delle caratteristiche elettriche dell'alluminio e del loro possibile utilizzo come alternativa al rame e ad altri metalli conduttori. 

Alluminio come metallo

Prima di approfondire la conduttività dell'alluminio e le sue proprietà elettriche, ecco alcuni dati di base sull'alluminio. 

Queste conoscenze di base ti aiuteranno a comprendere la tabella delle proprietà e a semplificare il confronto tra i conduttori in alluminio. 

L'alluminio è un elemento metallico nella tavola periodica con numero atomico 13. È uno dei metalli più abbondanti sulla Terra. Sfortunatamente, l'alluminio non esiste nella sua forma pura e deve essere prodotto su scala industriale dal suo minerale–Bauxite. 

Il conduttore di alluminio è ampiamente utilizzato nell'industria elettronica ed è il quarto metallo più conduttivo dopo argento, rame e oro; in quest'ordine. Molte leghe di alluminio hanno conduttività diverse. 

L'alluminio è leggero, duttile e resistente alla corrosione, caratteristiche che lo rendono utile nelle applicazioni elettriche perché può essere trasformato in fili e fuso rapidamente per la saldatura. 

Qual è quindi il significato del numero 13?  Rappresenta il numero di elettroni in un atomo di alluminio e la loro disposizione negli orbitali elettronici. Più avanti scopriremo che sono proprio questi elettroni a contribuire alla conduttività dell'alluminio.

Come misurare la conduttività?

La conduttività indica quanto bene un metallo può condurre l'elettricità. È una misura della tendenza di un materiale a condurre corrente elettrica. 

La conduttività si misura in Siemens (S) per metro (m)Per l'alluminio, una corrente nota viene fatta passare attraverso il campione di alluminio e la caduta di tensione viene misurata utilizzando sonde. 

Questo può essere utilizzato per calcolare la conduttività dell'alluminio metallico utilizzando una formula. 

L'alluminio può condurre l'elettricità?

L'alluminio è uno dei migliori conduttori elettrici. È subito dietro al rame puro in termini di conduttività. Il conduttore in alluminio puro ha un conduttività elettrica di 33,3 x 107 Taglia: S/m. 

Per comprendere facilmente la conduttività, spesso viene paragonata a quella del rame puro. Il rame puro è il miglior conduttore elettrico dopo l'argento. Che, per ragioni economiche, non è fattibile da usare come conduttore su scala industriale. 

Lo standard internazionale del rame ricotto (IACS) fornisce un riferimento comparativo per la conduttività. L'alluminio è 61% IACS, ovvero ha una conduttività elettrica pari a 61% rispetto a quella del rame. 

L'alluminio è ampiamente utilizzato nelle apparecchiature elettriche per la sua convenienza e bassa resistenza elettrica. L'alluminio pesa circa 30% in meno del rame, il che lo rende ideale per i cavi elettrici aerei. 

L'alluminio è un conduttore di elettricità talmente buono che la maggior parte delle linee di trasmissione sono realizzate in alluminio e la corrente elettrica che arriva alle nostre case passa attraverso conduttori di alluminio. 

Come conduce l'elettricità l'alluminio?

Se sei un progettista, comprendere come l'alluminio conduce l'elettricità può aiutarti a decidere tra leghe di alluminio e altri metalli per il tuo progetto. 

L'alluminio può condurre l'elettricità grazie alla sua struttura e ai legami atomici. 

Questa sezione spiega come l'alluminio può condurre l'elettricità. 

Informazioni generali sulla corrente

Al livello più elementare, si potrebbe pensare che la corrente sia una misura dell'elettricità. Non è del tutto vero. La corrente è la velocità con cui la carica passa attraverso un punto all'interno di un circuito. 

Per comprendere il funzionamento dei conduttori in alluminio, è necessario comprendere il concetto di "carica", ovvero uno ione positivo o negativo o un elettrone. 

Conduzione dell'alluminio

Gli atomi di alluminio sono costituiti da protoni e neutroni, strettamente legati nel nucleo e circondati da elettroni. 

Quando un atomo di alluminio perde un elettrone, viene chiamato ione alluminio, ovvero uno ione di alluminio caricato positivamente.

L'alluminio è costituito da molti di questi atomi, che sono strettamente impacchettati insieme e hanno il loro elettrone esterno come elettroni liberi. Non sono tenuti saldamente dal nucleo degli atomi di alluminio e possono muoversi attorno all'alluminio. 

Per essere precisi, gli atomi di alluminio hanno 13 elettroni e 13 protoni. Ecco perché è contrassegnato con 13 sulla tavola periodica. La disposizione di questi 13 elettroni in orbitali si traduce in 3 elettroni nel suo guscio esterno, che subiscono una debole attrazione dal nucleo. 

L'alluminio e altri metalli sono circondati da un mare di elettroni che possono muoversi liberamente. Ogni volta che c'è una differenza di potenziale tra le estremità di un pezzo di alluminio, questi elettroni di conduzione possono muoversi nella direzione della polarità (positiva o negativa). 

Questo movimento di elettroni liberi fa sì che l'alluminio conduca elettricità e una misura della velocità con cui questi elettroni attraversano un punto è la corrente. 

Come si confronta la conduttività dell'alluminio con quella di altri metalli?

Il test di conduttività sull'alluminio può anche identificare i gradi corretti di alluminio e determinare se è stato eseguito un processo di trattamento termico sull'alluminio. Un campione di alluminio trattato termicamente ha una conduttività diversa rispetto all'alluminio non trattato. 

Esistono rapporti standard internazionali per il rame ricotto definiti per diverse leghe e metodi di trattamento.

C'è una variazione di conduttività da lega di alluminio a lega di alluminio e tra alluminio e metalli. Questa tabella da RicercaGate confronta la conduttività dell'alluminio con quella dei metalli noti.

Dalla tabella, si può rapidamente capire che il ferro non è la scelta migliore per le applicazioni elettriche. Il ferro è utilizzato principalmente nella sua forma di acciaio inossidabile ed è uno dei peggiori conduttori. 

Ma perché il rame è considerato un metallo così conduttore di elettricità?

Perché il rame è più conduttivo dell'alluminio?

Per molte ragioni, il rame è ancora la scelta principale per i conduttori elettrici. È più duttile, ha una finitura marrone dorato che può aiutare l'estetica e ha una migliore resistenza e durezza. Sì, è un eccellente conduttore di elettricità e migliore dell'alluminio.

Il rame è un conduttore elettrico migliore dell'alluminio perché resiste alla corrente elettrica. 

La resistenza è una misura dell'opposizione al flusso di corrente. I materiali con elevata resistenza, come la plastica o la gomma, sono chiamati isolanti. Tutti i materiali hanno resistenza, ma nei metalli è estremamente piccola. 

La resistenza dipende dalle dimensioni e da una proprietà del materiale chiamata resistività. Se si considerano i conduttori in rame con lunghezza e area uguali alle loro controparti in alluminio, si scoprirà che i conduttori in rame hanno un'elevata conduttività. Questo perché il rame ha una resistività inferiore a quella dell'alluminio. 

In termini sperimentali, Il rame è un buon conduttore perché i suoi elettroni liberi hanno meno probabilità di subire un fenomeno chiamato collisione fononica. Questo avviene quando gli atomi vibranti producono una forma meccanica di energia che interferisce con il movimento degli elettroni. Di conseguenza, gli elettroni liberi dell'alluminio, nonostante siano in una concentrazione maggiore rispetto al rame, subiscono più collisioni di fononi e si disperdono, o in altre parole, contribuiscono alla resistenza alla corrente elettrica. 

Gradi di alluminio e conduttività elettrica

Nella sua forma grezza, l'alluminio ha una bassa resistenza alla corrente elettrica. Tuttavia, non è così che viene utilizzato. La maggior parte delle applicazioni dell'alluminio richiede un trattamento specifico, l'aggiunta di impurità o la formazione di leghe. 

Le leghe di alluminio sono classificate in gradi. I gradi di alluminio partono dalla serie 1000 e arrivano fino alla serie 8000. Puoi leggere di più sui gradi di alluminio e sulle loro migliori applicazioni Qui.

L'alluminio della serie 1000 è il più puro e il più conduttivo. La serie 2000 è composta da leghe di rame, mentre la serie 6000 è composta da leghe di magnesio, silicio e alluminio. 

Non esiste una regola fissa per indovinare la conduttività dei gradi di alluminio. Invece la maggior parte dei dati è sperimentale. 

I gradi EC dell'alluminio conducono meglio l'elettricità. Questo è un alluminio serie 1000 (1350 Al) con buona conduttività elettrica e termica. EC si riferisce al grado elettrico. Ha circa 61 % Conduttività IACS. 

Anche altri gradi di alluminio, come AA-8006 e AA-8011, sono buoni conduttori e trovano applicazione, tra l'altro, nei fili di alluminio e nelle costruzioni. 

Finitura e conduttività dell'alluminio

La finitura superficiale dell'alluminio può modificarne le proprietà elettriche. In parole povere, se si usa l'alluminio per dispositivi elettronici e si finisce con una qualche forma di alterazione della superficie, ciò può diminuire la conduttività dell'alluminio. Quindi, vanificando lo scopo originale di avere un buon conduttore. 

L'alluminio ha uno strato di ossido di alluminio naturale estremamente sottile. Molte persone vogliono che i loro prodotti durino più a lungo e eseguono l'anodizzazione, che può aumentare la sua resistenza alla corrosione aumentando lo strato di ossido. 

Tuttavia, lo strato di ossido di alluminio non conduce elettricità perché non ha elettroni liberi. In questo modo, stai circondando l'alluminio con un pessimo conduttore di elettricità. 

Verniciatura a polvere, trattamento termico, vernice e rivestimenti in plastica influenzano tutti i conduttori in alluminio in modo diverso. Come accennato, il loro rapporto di conduttività rispetto a IACS viene talvolta utilizzato per identificare quale trattamento termico è stato eseguito sull'alluminio. 

Ad esempio 6009-T4 è 44 % IACS, mentre 6009-T6 è 47% IACS. T4 e T6 sono diversi tipi di processi di trattamento termico per la stessa lega di alluminio.

Applicazioni dell'alluminio nell'elettronica e nei prodotti elettrici

Ci sono molte ragioni per usare l'alluminio come conduttore elettrico. Tuttavia, le sue proprietà lo rendono ideale per alcuni scopi particolari nel settore elettrico. 

Cablaggio e cablaggio

Il filo di alluminio è spesso utilizzato nelle linee di trasmissione aeree perché l'alluminio ha una densità inferiore a quella del rame. Ciò significa che è più leggero del rame. 

Utilizzando filo di alluminio su filo di rame si ottiene un peso tre volte più leggero, il che aiuta a prevenire che questi cavi cedano. Quindi, per una linea di alluminio da 1 m che pesa circa 6 Kg, sarebbe necessario un conduttore di rame equivalente da 18 Kg. 

L'alluminio offre circa 60% – 64% IACS, che è un'eccellente conduttività rispetto al suo peso e alla sua abbondanza. 

L'alluminio è anche più economico da produrre e più facile da maneggiare rispetto al rame. 

Mentre case e cantieri edili utilizzano di più fili di rame, industrie e importanti fonti di generazione di energia impiegano fili di alluminio. I fili di alluminio della serie 8000 hanno un'eccellente conduttività e sono utilizzati nel cablaggio elettrico degli edifici residenziali. 

Componenti elettrici

La conduttività elettrica dell'alluminio viene sfruttata anche per realizzare componenti elettrici, dai piccoli connettori ai grandi dispositivi elettronici, sfruttando le sue proprietà di leggerezza. 

Un mercato in rapida crescita per l'alluminio è quello delle auto elettriche, in cui gli involucri del motore e del motore elettrico sono realizzati in alluminio per evitare che la pesante batteria aggiunga ulteriore peso. 

Dissipatori di calore

La sua conduttività termica lo rende ideale per i dissipatori di calore e si trova spesso nei computer e nelle unità di elaborazione. Sono utilizzati anche in lampade e amplificatori.

I dissipatori di calore in alluminio aumentano sostanzialmente l'area di dissipazione del calore, il che si traduce in un raffreddamento rapido e in un più rapido trasferimento del calore dal dispositivo elettronico. 

Conclusione

L'alluminio è uno dei migliori conduttori con utilizzi in continua espansione. È leggero, poco costoso e facilmente reperibile in tutto il mondo, il che lo rende ideale per molti usi elettrici.

L'alluminio è uno dei due conduttori utilizzati commercialmente oltre al rame. Nonostante sia leggermente meno conduttivo del rame, la sua leggerezza lo rende estremamente utile in molti settori, dalle automobili alle reti elettriche. 

La conduttività dell'alluminio è così elevata che un semplice foglio di alluminio può fungere da conduttore elettrico. Tuttavia, la conduttività del foglio sarà molto inferiore a quella di un filo o di alluminio puro.

Questo perché le caratteristiche superficiali dell'alluminio influenzano la sua conduttività. Verniciatura, rivestimento o anodizzazione possono ridurre significativamente la conduttività. Quindi, dovresti considerare l'applicazione finale del tuo prodotto in alluminio prima di considerare qualsiasi trattamento superficiale.