Понимание электропроводности алюминия

Проводимость алюминия в электронной промышленности

Международный институт алюминия (IAI) прогнозирует, что глобальный спрос на алюминий в электронной промышленности будет расти. Рост с 8 млн тонн до 12 млн тонн в ближайшие годы. Однако ожидается, что спрос на медь достигнет такого же уровня (около 13 млн тонн). Возникает вопрос: насколько хорошим проводником является алюминий?

Значение электропроводности алюминия

Понимание электропроводности алюминия важно для дизайнеров, разработчиков продукции и компаний, которые хотят извлечь выгоду из экономичности алюминия или его легких свойств.

В этом блоге мы рассмотрим алюминиевые проводники, электрические характеристики алюминия и их возможное использование в качестве альтернативы меди и другим проводящим металлам.

Алюминий как металл

Прежде чем мы углубимся в проводимость алюминия и его электрические свойства, приведем несколько основных фактов об алюминии.

Эти базовые знания помогут вам понять таблицу свойств и упростить сравнение алюминиевых проводников.

Алюминий — это металлический элемент таблицы Менделеева с атомным номером 13. Это один из самых распространенных металлов на Земле. К сожалению, алюминий не существует в чистом виде и его приходится производить в промышленных масштабах из его руды.

Алюминиевый проводник широко используется в электронной промышленности и является четвертым по проводимости металлом после серебра, меди и золота; в этой последовательности. Многие сплавы алюминия имеют разную проводимость.

Алюминий легкий, пластичный и устойчивый к коррозии, что помогает ему в электротехнике, поскольку его можно превратить в провода и быстро расплавить для пайки.

Как измерить проводимость?

Проводимость показывает, насколько хорошо металл может проводить электричество. Это мера склонности материала проводить электрический ток.

Проводимость измеряется в Сименсах (См) на метр (м). Для алюминия через алюминиевый образец пропускают известный ток и измеряют падение напряжения с помощью щупов.

Это можно использовать для расчета проводимости металлического алюминия по формуле.

Может ли алюминий проводить электричество?

Алюминий – один из лучших электропроводников. По проводимости он уступает чистой меди. Проводник из чистого алюминия имеет

Чтобы легко понять проводимость, ее часто сравнивают с проводимостью чистой меди. Чистая медь является лучшим электрическим проводником после серебра. Который по экономическим причинам нецелесообразно использовать в качестве проводника в промышленных масштабах.

Проводимость меди и алюминия

Международный стандарт отожженной меди (IACS) дает сравнительные данные по проводимости металлов. Например, алюминий имеет проводимость 61% от проводимости меди.

Преимущества использования алюминия

Алюминий широко используется в электрооборудовании из-за своей экономичности и низкого электрического сопротивления. Он также легче меди на 30%, что делает его идеальным для применения в воздушных силовых кабелях.

Как алюминий проводит электричество?

Алюминий является отличным проводником электричества благодаря своей структуре и атомным связям.

Структура алюминия

Атомы алюминия состоят из протонов, нейтронов и электронов. При потере электрона атом становится положительным ионом. Алюминий состоит из множества атомов, которые плотно упакованы и имеют свободные электроны, способные перемещаться вокруг алюминия.

Проводимость алюминия

Когда на концах алюминиевой детали возникает разность потенциалов, свободные электроны начинают двигаться, обеспечивая проводимость. Таким образом, алюминий проводит электричество.

Процесс термообработки алюминия

Тест на проводимость электричества алюминия помогает определить марки и правильность термообработки металла. Термообработанный алюминий имеет другую проводимость по сравнению с необработанным алюминием.

Используя международные стандарты проводимости, можно определить подходящие сплавы и методы обработки алюминия для различных проектов.

Сравнение проводимости алюминия с другими металлами

Существуют различия в проводимости от алюминиевого сплава к алюминиевому сплаву, а также между алюминием и другими металлами.

Эта таблица сравнивает проводимость алюминия с известными металлами:

МеталлПроводимость
АлюминийВысокая
МедьВысокая
ЖелезоНизкая
СереброОчень высокая

Из таблицы можно сделать вывод, что железо не является лучшим выбором для электротехники из-за его низкой проводимости. С другой стороны, медь и серебро обладают высокой проводимостью электричества.

Почему медь лучше проводит электричество, чем алюминий?

Медь остается основным выбором для электрических проводников по многим причинам. Ее пластичность, коричнево-золотистая отделка, прочность и твердость делают медь лучшим проводником, чем алюминий. Это связано с тем, что медь обладает большей устойчивостью к электрическому току.

Преимущество меди в электропроводности

Медь имеет меньшее удельное сопротивление, чем алюминий, что делает ее превосходным проводником электричества. Экспериментально установлено, что медь практически не испытывает фононных столкновений, что способствует ее высокой электропроводности.

Изображение проводимости меди

Марки алюминия и их электропроводность

В необработанном виде алюминий имеет низкую устойчивость к электрическому току, однако большинство применений алюминия требуют его обработки или сплавления. Марки алюминия, такие как серия 1000, 2000 и 6000, представляют сплавы различных металлов и обеспечивают определенные характеристики проводимости.

Изображение алюминиевых сплавов

Сплавы алюминия, такие как EC-марки, обладают хорошей проводимостью электричества. Например, EC1350 из 1000 серии алюминия обладает хорошей электропроводностью и является одним из лучших выборов для проводников.

Применение алюминия в автомобильной промышленности

Алюминий также широко используется в автомобильной промышленности, особенно для изготовления автомобильных частей, таких как кузов, моторы и рамы. Использование алюминия в автопроизводстве позволяет уменьшить вес автомобиля, что способствует экономии топлива и снижению выбросов в атмосферу.

Изготовление алюминиевых автомобильных частей также увеличивает общую производительность автомобиля, улучшает его управляемость, устойчивость и ускорение. Помимо этого, алюминиевые детали автомобилей обладают высокой прочностью и долговечностью, что делает автомобиль более надежным и безопасным для водителя.

Таблица: Применение алюминия в автомобильной промышленности

Часть автомобиляПреимущества использования алюминия
КузовУменьшение веса, увеличение производительности
МоторыЭкономия топлива, снижение выбросов в атмосферу
РамыУлучшенная управляемость, устойчивость и безопасность

Заключение

В заключение, алюминий является отличным материалом для использования в электронике и электротехнике благодаря своим выдающимся проводящим свойствам и легкости. Он широко применяется в различных областях, начиная от проводок и кабелей до автомобильных частей.

Помните, что отделка алюминия может изменить его электрические свойства, поэтому необходимо тщательно выбирать методы обработки. В целом, алюминий продолжает оставаться одним из наиболее востребованных материалов в электротехнике и автопромышленности благодаря своей универсальности и прочности.

Быстрорастущим рынком алюминия являются электромобили, где в корпусах двигателя и электродвигателя используется алюминий, чтобы тяжелая батарея не увеличивала вес.

Его теплопроводность делает его идеальным для радиаторов и часто встречается в компьютерах и процессорах. Они также используются в лампах и усилителях.

Понимание электропроводности алюминия

Алюминиевые радиаторы существенно увеличивают площадь рассеивания тепла, что приводит к быстрому охлаждению и более быстрому отводу тепла от электронного устройства.

Алюминий — один из лучших проводников, область применения которого постоянно расширяется. Он имеет небольшой вес, низкую стоимость и доступность по всему миру, что делает его идеальным для многих электрических применений.

Алюминий является одним из двух коммерчески используемых проводников, помимо меди. Несмотря на то, что он немного менее проводящий, чем медь, его легкий вес делает его чрезвычайно полезным во многих отраслях промышленности, от автомобилей до электросетей.

Проводимость алюминия настолько высока, что простая алюминиевая фольга может выступать в качестве электрического проводника. Однако проводимость фольги будет намного меньше, чем у проволоки или чистого алюминия.

Это связано с тем, что особенности поверхности алюминия влияют на его проводимость. Покраска, покрытие или анодирование могут значительно снизить проводимость. Таким образом, вам следует подумать об окончательном применении вашего алюминиевого изделия, прежде чем рассматривать какую-либо обработку поверхности.

Известно, что в процессе передачи электроэнергии от источника к потребителю некоторая её часть теряется. При этом совершенно неважен масштаб звеньев цепи: такая картина наблюдается как между блоком питания и контуром светодиодной подсветки в квартире, так и между ближайшей трансформаторной подстанцией и домом. Сегодня мы поговорим о том, насколько значимо данное явление для бытового использования электрики, и каким образом снижают подобные потери.

В целом, речь далее пойдёт о достаточно знакомых большинству фактах – просто не все ранее задумывались о их связи. Например, прямым указанием на то, что в проводах и кабелях при их работе под нагрузкой наблюдаются потери, является нагрев проводников. Температура наружных оболочек растёт из-за того, что некоторая часть энергии при прохождении тока расходуется на преодоление сопротивления металла проводов. В результате получается простейшая зависимость: чем выше ток, тем толще нужен провод, а потому тем больше на нём будет потеря напряжения. При этом важно не забывать, что величина силы тока не является закреплённой за источником – она всегда определяется потребителем. Потому напрашивается логичный вывод: если сечение кабеля не было корректно подобрано для коммутации определённой нагрузки, металл будет греться, а потери вырастут до такой степени, что полезную работу в полном объёме ток совершать перестанет. Справедливо и другое: проводники значительной длины способны оказаться непригодны для подключения некой мощности, которая смогла бы нормально работать при том же сечении кабеля, не будь у него избыточной протяжённости.

Таким образом, потери напрямую завязаны на том, какова величина сопротивления в системе, а оно, в свою очередь, зависит от материала жил, их сечения и длины проводника. Неправильный расчёт кабельных элементов всегда ведёт к неоправданным потерям, а потому повышает вероятность неэффективной работы оборудования. Опасно ли это? Давайте разбираться.

Понимание электропроводности алюминия

Беспокойство о потерях

Зачастую люди начинают беспокоиться о присутствии потерь в системе не по техническим причинам, а по эксплуатационным и материальным. Слово «потери» напрямую ассоциируется у них с неоправданными финансовыми тратами. То есть, потери в сетях вообще, в глобальном понимании, мало кого интересуют, но вот в собственной квартире, на отрезке между вводным щитом и розеткой – уже вопрос с материальными последствиями для семейного бюджета. Никто не хочет платить за насчитанные счётчиком киловатт-часы, если они не были использованы полезно, а просто рассеялись в окружающую среду в виде тепла.

В основе всех тепловых потерь лежит закон Джоуля-Ленца. Он гласит, что количество теплоты, которое выделяется при прохождении тока, будет пропорционально произведению квадрата силы этого тока, сопротивления провода и времени работы:

Q = I^2 * R* t.

К сожалению или к счастью, человек не может ощутить масштаб этого явления по одной только формуле, потому рассмотрим приближенный к жизни пример. Возьмём обычный бойлер с паспортной мощностью 2 кВт и подключим его к сети. Если через несколько минут потрогать шнур питания, он окажется ощутимо тёплым. Это объясняется тем, что через проводник бежит ток силой около 9 А. Предположим, кабель имеет сечение в 1,5 кв. мм, тогда один метр его длины имеет сопротивление 0,024 Ом. Рассчитав потери, обнаружим, что при работе бойлера в виде тепла рассеивается почти 2 Вт энергии. И так происходит на каждом мощном приборе: утюге, обогревателе, электрочайнике и пр. Чем длиннее у них кабель питания, тем выше потери. А если в системе присутствует удлинитель или сетевой фильтр низкого качества, провод будет греться ещё больше, и потери возрастут.

Также следует понимать, что любой проводник, который соединяет собой несколько точек, имеет небольшую собственную мощность, что также учитывается счётчиком. Если проводка выполнена из дешёвых материалов, есть риск, что её реальное сечение занижено в сравнении с номинальным, а потому при работе неминуем нагрев и потери. Для примера рассчитаем некий реальный проводник. Формула для вычисления его сопротивления такова:

R = (ρ * l) / S,

где R – искомое сопротивление проводника, ρ – удельное сопротивление металла, l– длина провода, а S – его площадь.

Для чистой меди значение ρ известно из справочников – 0,0175 Ом*м/кв. мм. В электротехнических целях металл такой чистоты не применяется, потому для расчётов принято использовать величину 0,018 Ом*м/кв. мм. Зная её, можно вычислить полное сопротивление отрезка кабеля любой длины и сечения. Упростим задачу и узнаем эту величину для одного метра провода сечением 1 кв. мм: R = (0,018 Ом*м/кв. мм * 1000 мм) / 1 кв. мм = 18 Ом. Получается, что один метр даже довольно тонкого проводника имеет сопротивление в 18 Ом. Соответственно, в метре двужильного при том же сечении будет уже 36 Ом. А ведь именно такими проводами часто подключают люстры и светодиодные светильники в наших домах.

Продолжим расчёты. Падение напряжения на участке цепи можно легко определить из закона Ома, хорошо знакомого нам ещё со школы:

U = R * I.

Умножая полученное падение напряжения на номинальный ток того устройства, которое подключено данным проводом, получим величину мощности, которая рассеивается на проводнике:

Qпот = Pпот = Uпот * I.

Нетрудно проследить общую зависимость: при малом сечении кабеля – большие потери, при избыточной длине – тоже большие потери. Это приводит нас к мысли, что проводники должны всегда иметь правильное сечение и оптимальную длину.

Понимание электропроводности алюминия

Наиболее ярко потери проявляют себя там, где проводники с самого начала чересчур тонкие, а вольтаж низкий. Например, при проектировании подсветки из светодиодной ленты нельзя подключать её отрезками более пяти метров, поскольку у изделия имеется собственное сопротивление. Однако не всегда потребителям говорят, что провода питания не следует тянуть издалека. Оптимальное расстояние составляет всё те же 5 метров, и, если в эти величины не удаётся вложиться, имеет смысл задуматься о том, чтобы поместить блок питания поближе к контуру подсветки.

Разумеется, ограничение в пять метров нельзя называть универсальным. В ряде ситуаций верхняя граница может быть пересмотрена после оценки той самой величины падения напряжения. Но здесь важно понимать, что искомое значение не может быть абсолютным – напротив, оно весьма относительно. К примеру, возьмём обычный потолочный светильник. По паспорту его номинальный вольтаж составляет 220-230 В. Таким образом, потеря первых десяти вольт будет вообще незаметна, а следующих десяти-пятнадцати просто не окажет существенного влияния. Здесь доверительный интервал может составить около 20-25 В. Теперь возьмём другой случай – серию точечных светильников, которые требуют питания 12 В. Здесь даже один вольт будет крайне заметен, а потеря пары вольт может быть критичной для самой работы. То есть, в данной ситуации максимально допустимое значение падения напряжения, которое не повлияет на работу устройства, составит менее 0,5 В.

Всего специалисты выделяют четыре основных негативных последствия падения вольтажа в проводке.

Подводя определённый итог, можно смело утверждать: экономия на площади сечения проводников, которыми Вы подключаете в своём доме приборы или саму электрофурнитуру, обязательно скажется на качестве и долговечности работы оборудования. Стандартный двужильный провод для электроточек, имеющий сечение 2,5 кв. мм. при длине уже в пять метров будет давать более 7 Вт тепловой энергии, выходя на силу тока в 10 А.

Понимание электропроводности алюминия

Как избежать падения напряжения при выборе кабелей?

Разумеется, для того, чтобы рассчитать наилучшие параметры всех элементов электрической сети, необходимо владеть максимальным объёмом информации о её структуре и предполагаемой нагрузке. В реальной жизни добиться стопроцентной вероятности, что в конкретные розетки всегда будут включаться определённые приборы невозможно. Точно так же нельзя сказать с полной уверенностью, что в доме не будет перестановок, что лампочки в люстрах никто никогда не поменяет на более мощные и пр. Дабы нивелировать влияние такой непредсказуемости, мастерами принято закладывать некоторый запас в отдельные характеристики узлов и коммуникаций бытовых сетей.

При выборе кабелей для снижения процента потерь принято искать тот самый баланс, при котором расчётное сопротивление будет соответствовать предполагаемой силе тока. Безусловно, потребитель может раскошелиться на толстый кабель, который обеспечит огромный эксплуатационный запас с точки зрения аварийного достижения точки перегрева, но разумно ли это? Однозначно, нет: во-первых, такое решение – беспочвенная переплата за лишний металл, во-вторых, из-за кабелей большого сечения может начать некорректно работать защитная автоматика. При этом весь полезный эффект от пониженного сопротивления в большом сечении проводника окажется скомпенсирован избыточной площадью рассеивания тепла.

Зачастую питающая бытовая электросеть выдаёт чуть больше 220 В, которые мы считаем ориентиром. Согласно замерам, в обычной украинской розетке скрывается 224-226 В, если рядом с жилым домом нет никаких промышленных объектов. В то же время, известно, что в корректно спроектированных бытовых сетях при длине проводов до десяти метров потерями можно пренебречь. Как раз те лишние четыре-шесть вольт успевают рассеяться, превратившись в тепловую энергию проводов, благодаря чему до приборов доходит заветные 220 В.

Обращаем внимание, что мы здесь не учитываем внешние факторы падения напряжения – плохое качество снабжения, перегрузка подстанций и пр. Всё то, что находится на стороне поставщика, совершенно вне власти конечного потребителя, а потому при изначально заниженном вольтаже в сети уже неважно, какие кабели находятся в доме. Если снижение напряжения наблюдается системно, следует просто ставить повышающие трансформаторы или стабилизаторы.

Отдельно нужно сказать и о том, как напряжение теряется на звеньях – в неверно выполненных соединениях. Чаще всего такое случается в зоне скруток из-за недостаточной площади контакта проводников. Сегодня эта проблема решается быстро и недорого: современные клеммные колодки и клеммы быстрого монтажа обеспечивают отличный прижим жилы и дают процент снижения напряжения в точке разрыва менее 0,5% от входного номинала. В самых крайних случаях, когда падение вольтажа наблюдается в доселе нормально работавшей сети и при отсутствии проблем со стороны поставщика энергии, следует начинать беспокоиться. Возможно, где-то в сети появилась утечка тока. Не непосредственно найти, но хотя бы зафиксировать её наличие поможет УЗО или дифференциальный автомат.

Удельное сопротивление проводника. Расчет сопротивления проводника.

Сопротивление проводника рассчитывается по формуле:

( l ) -длина проводника в метрах

( s ) -площадь поперечного сечения проводника в (мм^2 )

Это единственная формула в физике, где удобнее считать в квадратных миллиметрах, то есть не в системе СИ. Квадратные миллиметры сократятся.

Репетитор по физике

8 916 478 10 32

Задача 1. (Расчет сопротивления проводника.)

Показать ответ Показать решение Видеорешение

Задача 2. (Расчет сопротивления проводника.)

Задача 3. (Расчет сопротивления проводника.)

Задача 4. (Расчет длины проводника.)

Задача 5. (Расчет длины проводника.)

Задача 6. (Расчет длины проводника.)

Задача 7. (Расчет удельного сопротивления материала проводника.)

Задача 8. (Расчет удельного сопротивления материала проводника.)

Задача 9. (Расчет площади поперечного сечения проводника.)

На практике нередко приходится рассчитывать сопротивление различных проводов. Это можно сделать с помощью формул или по данным, приведенным в табл. 1. Влияние материала проводника учитывается с помощью удельного сопротивления, обозначаемого греческой буквой ? и представляющего собой сопротивление проводника длиной 1 м и площадью поперечного сечения 1 мм2. Наименьшим удельным сопротивлением ? = 0,016 Ом•мм2/м обладает серебро. Приведем среднее значение удельного соротивления некоторых проводников: Серебро – 0,016 Свинец0,21 Медь0,017 Никелин 0,42 Алюминий 0,026 Манганин 0,42 Вольфрам0,055 Константан0,5 Цинк 0,06 Ртуть 0,96 Латунь0,07 Нихром1,05 Сталь0,1 Фехраль 1,2 Бронза фосфористая 0,11 Хромаль 1,45При различных количествах примесей и при разном соотношении компонентов, входящих в состав реостатных сплавов, удельное сопротивление может несколько измениться. Сопротивление рассчитывается по формуле: где R — сопротивление, Ом; удельное сопротивление, (Ом•мм2)/м; l — длина провода, м; s — площадь сечения провода, мм2. Если известен диаметр провода d, то площадь его сечения равна: Измерить диаметр провода лучше всего с помощью микрометра, но если его нет, то следует намотать плотно 10 или 20 витков провода на карандаш и измерить линейкой длину намотки. Разделив длину намотки на число витков, найдем диаметр провода. Для определения длины провода известного диаметра из данного материала, необходимой для получения нужного сопротивления, пользуются формулой 1. Данные для проводов, не указанных в таблице, надо брать как некоторые средние значения. Например, для провода из никелина диаметром 0,18 мм можно приблизительно считать, что площадь сечения равна 0,025 мм2, сопротивление одного метра 18 Ом, а допустимый ток равен 0,075 А.2. Для другого значения плотности тока данные последнего столбца нужно соответственно изменить; например, при плотности тока, равной 6 А/мм2, их следует увеличить в два раза. Найти сопротивление 30 м медного провода диаметром 0,1 мм. Определяем по табл. 1 сопротивление 1 м медного провода, оно равно 2,2 Ом. Следовательно, сопротивление 30 м провода будет R = 30•2,2 = 66 Ом. Расчет по формулам дает следующие результаты: площадь сечения провода: s= 0,78•0,12 = 0,0078 мм2. Так как удельное сопротивление меди равно 0,017 (Ом•мм2)/м, то получим R = 0,017•30/0,0078 = 65,50м. Сколько никелинового провода диаметром 0,5 мм нужно для изготовления реостата, имеющего сопротивление 40 Ом? По табл. 1 определяем сопротивление 1 м этого провода: R= 2,12 Ом: Поэтому, чтобы изготовить реостат сопротивлением 40 Ом, нужен провод, длина которого l= 40/2,12=18,9 м. Проделаем тот же расчет по формулам. Находим площадь сечения провода s= 0,78•0,52 = 0,195 мм2. А длина провода будет l = 0,195•40/0,42 = 18,6 м.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Условие задачи

Найти массу алюминиевого провода, из которого изготовлена линия электропередачи длиной 500 м, если при токе 15 А на концах линии возникает разность потенциалов 10 В.

Задача №7.1.14 из «Сборника задач для подготовки к вступительным экзаменам по физике УГНТУ»

Дано

(L=500) м, (I=15) А, (U=10) В, (m-?)

Решение задачи

Поскольку провод имеет форму цилиндра (то есть его объем можно находить по формуле (V=SL), где (S) – площадь поперечного сечения провода, а (L) – его длина), то его массу будем определять так:

Здесь ( ho) – это плотность алюминия, равная 2700 кг/м3.

Нам неизвестна площадь поперечного сечения провода (S). Чтобы ее найти, сначала вспомним закон Ома для участка цепи:

Подставим (3) в (2), тогда:

Из этого равенства выразим площадь сечения (S):

Полученное выражение подставим в (1), так мы получим решение задач в общем виде:

7.1.13 Определить падение напряжения в линии электропередачи длиной 500 м при токе 7.1.15 Вольтметр показывает 6 В. Найти напряжение на концах участка цепи, состоящей 7.1.16 На сколько надо повысить температуру медного проводника, взятого

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *