アルミニウムの電気伝導性を理解する

国際アルミニウム協会（IAI）は、電子機器産業におけるアルミニウムの世界需要が 800万トンから1200万トンに増加 今後数年間は、 銅の需要も同様のレベル（約1,300万トン）に達すると予想されている。すると、アルミニウムはどの程度優れた導体なのかという疑問が湧いてきます。 

アルミニウムの電気伝導性を理解することは、アルミニウムのコスト効率や軽量特性を活用したい設計者、製品開発者、企業にとって不可欠です。 

このブログでは、アルミニウム導体、アルミニウムの電気的特性、銅やその他の導電性金属の代替としての使用の可能性について説明します。 

金属としてのアルミニウム

アルミニウムの導電性と電気的特性について詳しく説明する前に、アルミニウムに関する基本的な事実をいくつか紹介します。 

この背景知識は、特性表を理解し、アルミニウム導体の比較を容易にするのに役立ちます。 

アルミニウムは周期表の原子番号13の金属元素です。地球上で最も豊富に存在する金属の1つです。残念ながら、アルミニウムは純粋な形では存在せず、鉱石から工業規模で生産する必要があります。ボーキサイト。 

アルミニウム導体はエレクトロニクス業界で広く使用されており、銀、銅、金に次いで 4 番目に導電性の高い金属です。アルミニウムの合金にはさまざまな導電性を持つものがあります。 

アルミニウムは軽量で延性があり、耐腐食性があるため、ワイヤーに加工したり、はんだ付けのために素早く溶かしたりできるため、電気用途に適しています。 

では、13 という数字にはどのような意味があるのでしょうか?  これは、アルミニウム原子内の電子の数と電子軌道におけるそれらの配置を表します。 後で、これらの電子がアルミニウムの導電性に貢献していることがわかります。

導電率を測定するには？

導電性は、金属がどれだけ電気を伝導できるかを示します。これは、材料が電流を伝導する傾向の尺度です。 

導電率は、シーメンス（S）/メートル（m）で測定されます。アルミニウムの場合、既知の電流をアルミニウムサンプルに流し、プローブを使用して電圧降下を測定します。 

これを使用して、式を使用してアルミニウム金属の導電率を計算できます。 

アルミニウムは電気を通すことができますか?

アルミニウムは最も優れた電気伝導体の一つです。導電性の点では純銅に次ぐものです。純アルミニウム導体は 電気伝導性 33.3 xの 107 S/m。 

導電性を簡単に理解するために、純銅と比較されることがよくあります。純銅は銀に次ぐ最高の電気伝導体です。ただし、経済的な理由から、工業規模で導体として使用するのは現実的ではありません。 

国際軟銅規格 (IACS) は、導電性の比較基準を提供します。 アルミニウムは 61% IACS であり、銅と同等の電気伝導率を持つことを意味します。 

アルミニウムはコスト効率が良く、電気抵抗が低いため、電気機器に広く使用されています。アルミニウムの重量は銅よりも約 30% 軽いため、架空電力ケーブルに最適です。 

アルミニウムは電気の優れた導体であるため、送電線はほとんどがアルミニウムで作られており、住宅に供給される電流はアルミニウム導体を経由して供給されます。 

アルミニウムはどのように電気を伝導するのでしょうか?

設計者であれば、アルミニウムがどのように電気を伝導するかを理解することで、プロジェクトに使用するアルミニウム合金と他の金属のどちらを選択するかを決めるのに役立ちます。 

アルミニウムは、その構造と原子結合により電気を伝導することができます。 

このセクションでは、アルミニウムがどのように電気を伝導するかについて説明します。 

背景 現在の状況について

最も基本的なレベルでは、電流は電気の尺度であると考えるでしょう。しかし、それは完全には正しくありません。電流は、電荷がループ内の点を通過する速度です。 

アルミニウム導体の仕組みを理解するには、正または負のイオンまたは電子である「電荷」を理解する必要があります。 

アルミニウムの伝導性

アルミニウム原子は陽子と中性子で構成され、中心核にしっかりと保持され、電子に囲まれています。 

アルミニウム原子が電子を失うと、アルミニウムイオン（正に帯電したアルミニウムイオン）と呼ばれます。

アルミニウムは、これらの原子が密集して多数形成されており、外側の電子は自由電子です。自由電子はアルミニウム原子の中心にしっかりと固定されておらず、アルミニウムの周囲を動き回ることができます。 

具体的には、アルミニウム原子には 13 個の電子と 13 個の陽子があります。これが、周期表で 13 と記されている理由です。この 13 個の電子を軌道に配置すると、外殻に 3 個の電子が配置され、原子核から弱い引力を受けます。 

アルミニウムやその他の金属は、自由に移動できる電子の海に囲まれています。アルミニウム片の両端に電位差があると、これらの伝導電子は極性（正または負）の方向に移動できます。 

この自由電子の動きによってアルミニウムは電気を伝導し、これらの電子がある点を通過する速度の尺度が電流です。 

アルミニウムの導電性は他の金属と比べてどうですか

アルミニウムの導電率テストでは、アルミニウムの正しいグレードを識別し、アルミニウムに熱処理プロセスが行われたかどうかを判断することもできます。熱処理されたアルミニウムのサンプルは、未処理のアルミニウムとは導電率が異なります。 

さまざまな合金および処理方法に対して、国際焼鈍銅規格比率が定義されています。

アルミニウム合金ごとに、またアルミニウムと金属の間でも導電率は異なります。この表は リサーチゲート アルミニウムの導電性を既知の金属と比較します。

表から、鉄は電気用途には最適な選択肢ではないことがすぐにわかります。鉄は主にステンレス鋼の形で使用され、最も伝導性が低いものの 1 つです。 

しかし、なぜ銅は電気伝導性においてこれほど高い評価を受けているのでしょうか?

なぜ銅はアルミニウムよりも導電性が高いのでしょうか?

多くの理由から、銅は今でも電気導体の第一候補です。銅は延性が高く、見た目に美しい黄金色の仕上げで、強度と硬度も優れています。確かに銅は電気の優れた導体であり、アルミニウムよりも優れています。

銅は電流に対する抵抗が大きいため、アルミニウムよりも電気伝導性に優れています。 

抵抗は電流の流れに対する抵抗の尺度です。プラスチックやゴムなどの抵抗の高い材料は絶縁体と呼ばれます。すべての材料には抵抗がありますが、金属の場合、抵抗は極めて小さいです。 

抵抗は寸法と抵抗率と呼ばれる材料特性に依存します。長さと面積がアルミニウムの導体と同じ銅導体を考えてみると、銅導体の導電性が高いことがわかります。これは、 銅はアルミニウムよりも抵抗率が小さいです。 

で 実験用語, 銅は自由電子がフォノン衝突と呼ばれる現象を経験する可能性が低いため、優れた導体です。 これは、振動する原子が電子の動きを妨げる機械的なエネルギーを生成するときです。その結果、アルミニウムの自由電子は銅よりも濃度が高いにもかかわらず、より多くのフォノン衝突を経験して散乱し、言い換えれば電流に対する抵抗に寄与します。 

アルミニウムのグレードと電気伝導性

アルミニウムは、そのままの状態では電流に対する抵抗が低いです。しかし、アルミニウムはそのような用途には使われません。アルミニウムのほとんどの用途では、特別な処理、不純物の添加、または合金の形成が必要です。 

アルミニウム合金は等級で分類されています。アルミニウムの等級は1000シリーズから始まり、8000シリーズまであります。アルミニウムの等級とその最適な用途について詳しくは、こちらをご覧ください。 ここ。

1000 シリーズのアルミニウムは最も純粋で導電性に優れています。2000 シリーズは銅の合金で、6000 シリーズはマグネシウム、シリコン、アルミニウムの合金です。 

アルミニウムの等級の導電性を推測するための確固たるルールはありません。ほとんどのデータは実験に基づいています。 

ECグレードのアルミニウムは電気伝導性に優れていますこれは1000シリーズのアルミニウム（1350 Al）で、電気伝導性と熱伝導性に優れています。ECは電気グレードを意味します。 約 61 % IACS導電率。 

AA-8006 や AA-8011 などの他のグレードのアルミニウムも、アルミニウム線や建設などの用途で優れた導体です。 

アルミニウムの仕上げと導電性

アルミニウムの表面仕上げは、その電気特性を変える可能性があります。簡単に言えば、アルミニウムを電子機器に使用し、何らかの形で表面が変化すると、アルミニウムの導電性が低下する可能性があります。したがって、優れた導体を得るという本来の目的が達成されません。 

アルミニウムには、極めて薄い天然の酸化アルミニウム層があります。製品を長持ちさせたいと望む人は多く、酸化層を成長させて耐食性を高めることができる陽極酸化処理を行っています。 

しかし、酸化アルミニウム層には自由電子がないので電気を通しません。つまり、アルミニウムの周囲を電気伝導率が極めて低い物質で覆っていることになります。 

粉体塗装、熱処理、塗装、プラスチックコーティングはすべて、アルミニウム導体にそれぞれ異なる影響を与えます。前述のように、IACS に対する導電率の比率は、アルミニウムにどのような熱処理が行われたかを識別するために使用されることがあります。 

たとえば、6009-T4 は 44 % IACS ですが、6009-T6 は 47% IACS です。T4 と T6 は、同じアルミニウム合金に対する異なるタイプの熱処理プロセスです。

電子機器および電気製品におけるアルミニウムの用途

アルミニウムを電気導体として使用する理由はたくさんあります。しかし、アルミニウムの特性は電気産業におけるいくつかの特定の用途に最適です。 

配線とケーブル

アルミニウムは銅よりも密度が低いため、架空送電線によく使用されます。つまり、重量が銅よりも軽いということです。 

銅線の代わりにアルミ線を使用すると、重量が 3 倍軽くなり、ケーブルのたるみを防ぐことができます。したがって、重量が約 6 Kg の 1 m アルミ線の場合、同等の 18 Kg の銅導体が必要になります。 

アルミニウムは約 60% – 64% IACS を提供し、その重量と豊富さに比べて優れた伝導性を示します。 

アルミニウムは銅よりも製造コストが低く、取り扱いも簡単です。 

住宅や建設現場では銅線が多く使用されていますが、産業や重要な発電源ではアルミニウム線が使用されています。8000 シリーズのアルミニウム線は導電性に優れており、住宅の電気配線に使用されています。 

電気部品

アルミニウムの電気伝導性は、その軽量特性を活かすため、小型コネクタから大型電子機器まで、さまざまな電気部品の製造にも利用されています。 

アルミニウムの急成長市場は電気自動車で、重いバッテリーによる重量増加を防ぐためにモーターと電気モーターのケースにアルミニウムが使用されています。 

ヒートシンク

熱伝導率が高いためヒートシンクに最適で、コンピューターや処理装置によく使用されています。ランプやアンプにも使用されています。

アルミニウム ヒートシンクは、本質的に放熱面積を増やすため、急速な冷却と電子機器からの熱の迅速な伝達が実現します。 

結論

アルミニウムは、用途がますます拡大している最高の導体の 1 つです。軽量、低コスト、世界中で容易に入手できるため、さまざまな電気用途に最適です。

アルミニウムは、銅の他に商業的に使用されている 2 つの導体のうちの 1 つです。銅よりも導電性はわずかに劣りますが、軽量であるため、自動車から電力網まで、多くの業界で非常に役立っています。 

アルミニウムの導電性は非常に高いため、単純なアルミホイルは電気伝導体として機能します。ただし、ホイルの導電性は、ワイヤや純粋なアルミニウムの導電性よりもはるかに低くなります。

これは、アルミニウムの表面特性が導電性に影響を与えるためです。塗装、コーティング、または陽極酸化処理により、導電性が大幅に低下する可能性があります。したがって、表面処理を検討する前に、アルミニウム製品の最終的な用途を考慮する必要があります。