Compreendendo a condutividade elétrica do alumínio

O Instituto Internacional do Alumínio (IAI) prevê que a demanda global por alumínio na indústria eletrônica irá aumentar de 8 milhões de toneladas para 12 milhões de toneladas nos próximos anos. No entanto, o a procura de cobre deverá atingir o mesmo nível (cerca de 13 milhões de toneladas). O que levanta a questão: quão bom condutor é o alumínio? 

Entender a condutividade elétrica do alumínio é essencial para designers, desenvolvedores de produtos e empresas que desejam se beneficiar da natureza econômica do alumínio ou de suas propriedades leves. 

Neste blog, abordaremos os condutores de alumínio, as características elétricas do alumínio e seu possível uso como alternativa ao cobre e outros metais condutores. 

Alumínio como metal

Antes de nos aprofundarmos na condutividade do alumínio e suas propriedades elétricas, aqui estão alguns fatos básicos sobre o alumínio. 

Esse conhecimento prévio ajudará você a entender a tabela de propriedades e facilitará a comparação entre condutores de alumínio. 

Alumínio é um elemento metálico na tabela periódica com número atômico 13. É um dos metais mais abundantes encontrados na Terra. Infelizmente, o alumínio não existe em sua forma pura e tem que ser produzido em escala industrial a partir de seu minério–Bauxita. 

O condutor de alumínio é amplamente usado na indústria eletrônica, e é o 4º metal mais condutor depois da prata, cobre e ouro; nessa ordem. Muitas ligas de alumínio têm condutividades diferentes. 

O alumínio é leve, dúctil e resistente à corrosão, o que o ajuda em aplicações elétricas porque pode ser transformado em fios e rapidamente derretido para soldagem. 

Então, qual é o significado do número 13?  Representa o número de elétrons em um átomo de alumínio e seu arranjo em orbitais eletrônicos. Mais tarde, descobriremos que são esses elétrons que contribuem para a condutividade do alumínio.

Como medir a condutividade?

Condutividade diz o quão bem um metal pode conduzir eletricidade. É uma medida da tendência de um material de conduzir corrente elétrica. 

A condutividade é medida em Siemens (S) por metro (m). Para o alumínio, uma corrente conhecida é passada através da amostra de alumínio, e a queda de tensão é medida usando sondas. 

Isso pode ser usado para calcular a condutividade do metal alumínio usando uma fórmula. 

O alumínio pode conduzir eletricidade?

O alumínio é um dos melhores condutores elétricos. Ele está logo atrás do cobre puro em termos de condutividade. O condutor de alumínio puro tem uma condutividade elétrica de 33,3 x 107 S/m. 

Para entender facilmente a condutividade, ela é frequentemente comparada à do cobre puro. O cobre puro é o melhor condutor elétrico atrás da prata. O que, por razões econômicas, não é viável para uso como condutor em escala industrial. 

O Padrão Internacional de Cobre Recozido (IACS) fornece uma referência comparativa para condutividade. O alumínio é 61% IACS, o que significa que tem uma condutividade elétrica que mede 61% em relação à do cobre. 

O alumínio é amplamente usado em equipamentos elétricos devido à sua relação custo-benefício e baixa resistência elétrica. O alumínio pesa cerca de 30% mais leve que o cobre, tornando-o ideal para cabos de energia aéreos. 

O alumínio é um condutor de eletricidade tão bom que as linhas de transmissão são feitas principalmente de alumínio, e a corrente elétrica que chega à sua casa vem por meio de condutores de alumínio. 

Como o alumínio conduz eletricidade?

Se você é um designer, entender como o alumínio conduz eletricidade pode ajudá-lo a decidir entre ligas de alumínio e outros metais para seu projeto. 

O alumínio pode conduzir eletricidade devido à sua estrutura e ligação atômica. 

Esta seção aborda como o alumínio pode conduzir eletricidade. 

Histórico Sobre o Current

No nível mais básico, você pensaria que corrente é uma medida de eletricidade. Isso não é inteiramente verdade. Corrente é a taxa na qual a carga passa por um ponto dentro de um loop. 

Para entender como os condutores de alumínio funcionam, você precisa entender o que é "carga", que é um íon ou elétron positivo ou negativo. 

Condução do Alumínio

Os átomos de alumínio são feitos de prótons e nêutrons, firmemente mantidos no núcleo e cercados por elétrons. 

Quando um átomo de alumínio perde um elétron, ele é chamado de íon de alumínio, um íon de alumínio com carga positiva.

O alumínio é feito de muitos desses átomos, que são compactados firmemente e têm seus elétrons externos como elétrons livres. Eles não são mantidos firmemente pelo núcleo dos átomos de alumínio e podem se mover ao redor do alumínio. 

Para ser específico, átomos de alumínio têm 13 elétrons e 13 prótons. É por isso que ele é marcado como 13 na tabela periódica. Organizar esses 13 elétrons em orbitais resulta em 3 elétrons em sua camada externa, que experimentam atração fraca do núcleo. 

Alumínio e outros metais são cercados por um mar de elétrons que podem se mover livremente. Sempre que há uma diferença de potencial entre as extremidades de uma peça de alumínio, esses elétrons de condução podem se mover na direção da polaridade (positiva ou negativa). 

Esse movimento de elétrons livres faz com que o alumínio conduza eletricidade, e uma medida da taxa na qual esses elétrons passam por um ponto é a corrente. 

Como a condutividade do alumínio se compara a outros metais

O teste de condutividade em alumínio também pode identificar os graus corretos de alumínio e determinar se um processo de tratamento térmico foi feito em alumínio. Uma amostra de alumínio tratado termicamente tem uma condutividade diferente do alumínio não tratado. 

Existem proporções definidas de Norma Internacional de Cobre Recozido para diferentes ligas e métodos de tratamento.

Há variação de condutividade de liga de alumínio para liga de alumínio e entre alumínio e metais. Esta tabela de PesquisaGate compara a condutividade do alumínio com metais conhecidos.

Da tabela, você pode rapidamente dizer que o ferro não é a melhor escolha para aplicações elétricas. O ferro é usado principalmente em sua forma de aço inoxidável e é um dos piores condutores. 

Mas por que o cobre tem uma classificação tão alta em termos de condução de eletricidade?

Por que o cobre é mais condutor que o alumínio?

Por muitas razões, o cobre ainda é a escolha principal para condutores elétricos. Ele é mais dúctil, tem um acabamento marrom-dourado que pode ajudar na estética e tem melhor resistência e dureza. Sim, é um excelente condutor de eletricidade e melhor que o alumínio.

O cobre é um melhor condutor elétrico que o alumínio devido à sua resistência à corrente elétrica. 

Resistência é uma medida de oposição ao fluxo de corrente. Materiais com alta resistência, como plástico ou borracha, são chamados isolantes. Todos os materiais têm resistência, mas em metais, ela é extremamente pequena. 

A resistência depende das dimensões e de uma propriedade do material chamada resistividade. Se você considerar condutores de cobre com comprimento e área iguais aos de alumínio, verá que os condutores de cobre têm alta condutividade. Isso ocorre porque o cobre tem uma resistividade menor que o alumínio. 

Em termos experimentais, O cobre é um bom condutor porque seus elétrons livres têm menos probabilidade de sofrer um fenômeno chamado colisão de fônons. É quando átomos vibrantes produzem uma forma mecânica de energia que interfere no movimento dos elétrons. Como resultado, os elétrons livres do alumínio, apesar de estarem em uma concentração maior do que o cobre, sofrem mais colisões de fônons e se espalham, ou em outras palavras, contribuem para a resistência à corrente elétrica. 

Graus de alumínio e condutividade elétrica

Em sua forma bruta, o alumínio tem baixa resistência à corrente elétrica. No entanto, não é assim que o alumínio é usado. A maioria das aplicações do alumínio requer um tratamento específico, adição de impurezas ou formação de ligas. 

As ligas de alumínio são classificadas em graus. Os graus de alumínio começam na série 1000 e vão até a série 8000. Você pode ler mais sobre graus de alumínio e suas melhores aplicações aqui.

O alumínio da série 1000 é o mais puro e condutor. A série 2000 são ligas de cobre, e a série 6000 são ligas de magnésio-silício e alumínio. 

Não há uma regra fixa para adivinhar a condutividade de graus de alumínio. Em vez disso, a maioria dos dados é experimental. 

Os graus EC de alumínio conduzem melhor a eletricidade. Este é um alumínio série 1000 (1350 Al) com boa condutividade elétrica e térmica. EC refere-se ao grau elétrico. Ele tem aproximadamente 61 % Condutividade IACS. 

Outros tipos de alumínio, como AA-8006 e AA-8011, também são bons condutores, com aplicações que incluem fios de alumínio e construção. 

Acabamento e condutividade do alumínio

O acabamento da superfície do alumínio pode mudar suas propriedades elétricas. Simplificando, se você usar alumínio para dispositivos eletrônicos e acabar com alguma forma de alteração de superfície, isso pode diminuir a condutividade do alumínio. Portanto, derrotando seu propósito original de ter um bom condutor. 

O alumínio tem uma camada natural de óxido de alumínio que é extremamente fina. Muitas pessoas querem que seus produtos durem mais e realizam anodização, o que pode aumentar sua resistência à corrosão aumentando a camada de óxido. 

No entanto, a camada de óxido de alumínio não conduz eletricidade porque não tem elétrons livres. Dessa forma, você está cercando o alumínio com um condutor de eletricidade extremamente ruim. 

Revestimento em pó, tratamento térmico, tinta e revestimentos plásticos afetam condutores de alumínio de forma diferente. Como mencionado, sua taxa de condutividade para IACS é algumas vezes usada para identificar qual tratamento térmico foi feito no alumínio. 

Por exemplo, 6009-T4 é 44 % IACS, enquanto 6009-T6 é 47% IACS. T4 e T6 são tipos diferentes de processos de tratamento térmico para a mesma liga de alumínio.

Aplicações do Alumínio em Produtos Eletrônicos e Elétricos

Há muitas razões para usar alumínio como condutor elétrico. No entanto, suas propriedades o tornam ideal para alguns propósitos particulares na indústria elétrica. 

Fiação e cabeamento

Fio de alumínio é frequentemente usado em linhas de transmissão aéreas porque o alumínio tem uma densidade menor que o cobre. Isso significa que ele é mais leve que o cobre. 

Usar fio de alumínio sobre fio de cobre resulta em um peso três vezes mais leve, o que ajuda a evitar que esses cabos cedam. Então, para uma linha de alumínio de 1 m pesando cerca de 6 Kg, um condutor de cobre equivalente a 18 Kg seria necessário. 

O alumínio oferece cerca de 60% – 64% IACS, o que é uma excelente condutividade em comparação com seu peso e abundância. 

O alumínio também é mais econômico de produzir e mais fácil de manusear do que o cobre. 

Enquanto casas e canteiros de obras usam mais fios de cobre, indústrias e fontes significativas de geração de energia empregam fios de alumínio. Os fios de alumínio da série 8000 têm excelente condutividade e são usados na fiação elétrica de edifícios residenciais. 

Componentes elétricos

A condutividade elétrica do alumínio também é usada para fazer componentes elétricos, desde pequenos conectores até grandes dispositivos eletrônicos, onde suas propriedades leves podem ser utilizadas. 

Um mercado de rápido crescimento para o alumínio é o de carros elétricos, onde as carcaças do motor e o motor elétrico usam alumínio para evitar que a bateria pesada adicione mais peso. 

Dissipadores de calor

Sua condutividade térmica o torna ideal para dissipadores de calor e é frequentemente encontrado em computadores e unidades de processamento. Eles também são usados em lâmpadas e amplificadores.

Dissipadores de calor de alumínio aumentam essencialmente a área de dissipação de calor, o que resulta em resfriamento rápido e transferência de calor mais rápida para longe do dispositivo eletrônico. 

Conclusão

O alumínio é um dos melhores condutores com usos em constante expansão. Ele tem peso leve, baixo custo e pronta disponibilidade no mundo todo, tornando-o ideal para muitos usos elétricos.

O alumínio é um dos dois condutores usados comercialmente além do cobre. Apesar de ser um pouco menos condutor que o cobre, seu peso leve o torna extremamente útil em muitas indústrias, de automóveis a redes de energia. 

A condutividade do alumínio é tão alta que uma simples folha de alumínio pode atuar como um condutor elétrico. No entanto, a condutividade da folha será muito menor do que a de um fio ou alumínio puro.

Isso ocorre porque as características da superfície do alumínio afetam sua condutividade. Pintar, revestir ou anodizar pode diminuir significativamente a condutividade. Então, você deve considerar a aplicação final do seu produto de alumínio antes de considerar qualquer tratamento de superfície.