Да, безусловно, между медью и алюминием существует много различий при применении их в электроустановках, таких как проводимость, вес, и, один из самых важных факторов – стоимость. В прошлом веке алюминий был более распространённым металлом для выполнения таких электротехнических изделий как предохранители, шины, автоматические выключатели, использовался для прокладки внутренних сетей в жилых и промышленных зданиях. Под влиянием современных тенденций многие проектировщики активно заменяли в своих изделиях алюминий на медь, однако в последнее время тенденции снова меняются, и от меди переходят снова к алюминию. Вина этому переходу – высокая стоимость меди.
Материалы
Очень часто заблуждения по поводу меди и алюминия возникают из-за использования различных марок металлов, используемых в электроустановках. В проводах, шинах и другом электрооборудовании используют чистую медь. Чистый алюминий слабо подходит для использования в электроустановках, тут медь имеет большое преимущество. Однако, необходимо учитывать и то, что металлургическая промышленность эволюционирует и создает новые сплавы различных металлов.
Соответственно различные свойства алюминия (Al) также могут изменятся – все зависит от обработки. Например, Al 6101 прочнее, чем Al 1350. Тем не менее, после термообработки Al 6101 затвердевает и прочность его повышается. Различные виды металлов, например Al 6101 и Al 1350, могут иметь различные свойства в сравнении с чистой медью (Cu). Поэтому в процессе проектирования очень важно знать свойства материала для конкретного использования.
Свойства проводников
Масса, сечение, стоимость – три основных фактора при выборе материала проводника. Однако нужно учитывать и другие факторы. Например, факторы нагрева – как изменится проводимость при нагреве, насколько расширится металл и другие. Как известно, при нагреве металлы расширяются, соответственно, если этот фактор не учесть, можно получить деформацию точек контактов. Это свойство особенно актуально при использовании алюминия или его сплавов, так как его коэффициент теплового расширения, в зависимости от сплава, примерно на 42% больше, чем у меди. Но также стоит отметить и то, что коэффициент теплоотдачи у алюминия больше чем у меди.
Решения нашли довольно простое – увеличили поверхность алюминиевых шин, что, в свою очередь, увеличило теплоотдачу, и при нагреве шины не деформировались. При проектировании, независимо от типа проводящего материала, необходимо особое внимание уделить надежным соединениям проводников. Это необходимо для предотвращения ухудшения качества контактов с течением времени, а также предотвратить деформацию при тепловом расширении и ползучести.
Распространенным заблуждением является то, что алюминий мягкий и должен использовать специальные разъемы для сжатия при монтаже. Алюминий может нуждаться в специальном покрытии для уменьшения окисления. Это связано с тем, что окисления может оказывать существенное влияние на качество проводимости материала даже в случае соединения Al – Al. Для предотвращения процесса окисления часто покрывают проводники (это касается и меди и алюминия) оловом или серебром, так как эти материалы имеют хорошую проводимость и не склонны к окислению при атмосферных воздействиях.
Достаточно проблем может принести и коррозия, которая возникает при использовании разнородных металлов в одной системе. Al электрохимически реагирует с медью при повышенной влажности (влага действует как электролит). Проводники из меди и алюминия с кабельными наконечниками располагаются в разъемы, которые после свариваются трением и капсулируются для предотвращения коррозионных процессов в соединении Al – Cu. Правильное соединение позволяет максимально избежать коррозионных процессов. Al и медь совместимые металлы, однако не стоит забывать то, что при неправильном их соединении могут возникать коррозионные процессы.
Вес и электрическая проводимость
Пожалуй, не последним фактором при выборе между алюминиевыми и медными проводниками является их электрическая проводимость. Да, безусловно, медь имеет лучшую проводимость на единицу объема, но алюминий легче, и это его большой плюс. По словам Уве Шенка, менеджера Helukabel – «Необработанный Al примерно на 70% легче Cu. А алюминиевые шины и кабели примерно на 60% легче, чем медные».
Однако главным показателем все же является проводимость. Al марки Al6101 имеет практически половинную проводимость Cu (56%). Различие в соотношениях массы и электрической проводимости выглядит примерно так, на один фунт Al приходится приблизительно 1,85 фунта Cu. Например, сборка медных шин весит 550 фунтов, а алюминиевых 300 фунтов. Такое различие в весе может помочь сэкономить не только на материалах, но и на транспортировке и даже погрузке-разгрузке.
Применение меди и алюминия в различных электроустановках
Алюминий в электроустановках
Практически во всем мире применяется в линиях электропередач ЛЭП и распределительных устройствах. Это вызвано меньшим весом и ценой по сравнению с Cu, что позволяет уменьшать количество опор высоковольтных линий при передаче электрической энергии на значительные расстояния.
В осветительных установках и различных соединителях ранее использовались латунные контакты. Сейчас они активно заменяются алюминиевыми контактами.
Медь в электроустановках
Очень распространена в коммуникационных электроустановках – тут главный ее плюс гибкость, так как позволяет легко вести монтаж на сложных участках и при этом не ломается.
Электрические двигатели и трансформаторы – вызвано тем, что данные устройства должны иметь минимальные габариты и максимальную производительность, а так как проводимость и гибкость меди намного лучше алюминия практически все производители электродвигателей и трансформаторов используют ее в своих изделиях.
Обоюдное применение меди и алюминия
Оба материала могут активно применятся при монтаже проводки в зданиях. В прошлом веке все внутренние сети выполняли алюминиевыми проводами. Это позволяло существенно экономить, так как длина проводки могла достигать нескольких километров. В современных жилых домах для монтажа проводки используют медь. Ее плюсы тоже очевидны – лучше проводимость (меньшее сечение) и лучшая эластичность.
У многих сложился стереотип, что алюминиевые кабели и шины это плохо. Но при правильном их применении можно сэкономить средства и получить хорошую проводимость.
Такие электротехнические устройства как электрические шины, трансформаторы, электрические кабели также используют оба материала.
Конструкционные стали.
Их классифицируют по характеристикам и по химическому составу сплавов. Если качественные и обыкновенные. И те и другие - углеродистые стали, хоть содержание углерода в них незначительное.
Предназначение обыкновенных конструкционных сплавов - изготовление промышленных изделий, которые должны подвергаться серьезным механическим нагрузкам: гвоздей, болтов, уголков, швеллеров, балок и т.п. Качественные конструкционные стали подходят для изготовления деталей, используемых в машиностроении. Конечно, выдерживаемые нагрузки у них гораздо ниже, такие марки стали гораздо мягче, их используют для изготовления деталей методом холодной штамповки. Кроме того есть особо-высококачественные марки, их называют криогенными. Они сохраняют прочностные характеристики при экстремально низких температурах. Из них делают емкости для транспортировки и хранения сжиженных газов, а так же применяют при строительстве объектов в условиях вечной мерзлоты.
Отличается устойчивостью к коррозиям в агрессивных средах. Это ее главное свойство. Сплав подвергают легированию, основной легирующий элемент при этом - хром, и чем его больше, тем устойчивей сталь к коррозийному воздействию, например, кислот. Содержание хрома может быть от 12 до 20 % (если хрома 17 и более процентов, сплав выдержит воздействие в том числе и азотной кислоты 50% концентрации). Чтобы усилить это замечательное свойство нержавеющей стали, придать ей дополнительные физико-химические свойства, ее легируют еще никелем, титаном, ниобием, молибденом. Соотношение тех или иных элементов и их количество определяет марку стали и ее устойчивость к сильным кислотам (фосфорной, серной и т.д.)
Чем объяснить такую коррозийную стойкость? На границе хромосодержащего сплава и среды образуется пленка окислов и прочих нерастворимых соединений, которая и защищает поверхность. Из нержавейки изготавливают множество различной продукции. И не только в промышленности. Это не только прочный, но и с эстетической точки зрения приятный материал - в архитектуре, в дизайне бытовых предметов он используется очень часто.
Медь.
Это самый распространенный цветной металл. Устойчив к коррозиям в воздушной среде (только углекислый газ, содержащийся в воздухе, образует зеленоваты налет - патину), в пресной и соленой воде, с щелочными растворами, но растворяется в сильных кислотах (азотной, серной). Легко обрабатывается пайкой и давлением, однако литейные свойства ее не очень высоки. Раскисленная и бескислородная медь применяется в электронике.
Медные сплавы отличаются износостойкостью, как и чистая медь антикоррозийны.
По взаимодействию меди с примесями выделяют 3 группы:
- Твердые растворы: с алюминием, цинком, сурьмой, никелем, олово, железом (снижается электропроводность и теплопроводность);
- Не растворяющиеся примеси: висмут, свинец (электропроводность не изменяется, но затрудняется обработка давлением);
- Хрупкие химические соединения: сера и кислород (кислород снижает прочность, а сера способствует лучшей резке).
Медь и медные сплавы издавна и по сей день используются в изготовлении посуды, предметов быта, используются в искусстве и архитектуре.
Алюминий
Это металл, обладающий высокой электропроводимостью, коррозийной стойкостью (на воздухе быстро покрывается тонкой «пленкой» оксида алюминия и дальше не окисляется) и, пожалуй, одно из главных его свойств - он обладает малой плотностью, следовательно, легкостью, мягкостью и прекрасной обрабатываемостью в холодном состоянии, т.е. гибке и штамповке.
Соединения алюминия абсолютно неядовиты, поэтому его активно используют в пищевой промышленности, изготавливая посуду, фольгу, упаковку и т.д.
В электротехнике его активно применяют из-за его высокой электропроводности, почти такой же как у меди, но алюминий заметно дешевле.
Чтобы добавить прочности, алюминий сплавляют с медью и магнием (в малых количествах), получается сплав «дюралюминий».
Аллюминий широко применяется в различных отраслях промышленности.
Латунь.
Сплав меди с цинком. Различное соотношение этих двух составляющих позволяют получать сплавы с различными свойствами. Если цинка от 5 до 20 % - латунь называется красной, и желтой, если содержание цинка 20-36 %
Эти сплавы ковкие и имеют достаточно низкую температуру плавления. Внешне латунь напоминает золото, поэтому часто используется в прикладном искусстве и декоре. Мебельная фурнитура, замки, декоративные элементы. Из латуни делают музыкальные инструменты. Используется она и в военной промышленности.
ВОЗМОЖНО ВАМ БУДЕТ ИНТЕРЕСНО
Чем отличается алюминий от меди? Проще сказать, что у них общего. А общего только то, что оба эти химических элемента являются металлами (со всеми присущими металлам свойствами) и хорошими проводниками. По другим параметрам – плотности, стоимости, распространению в природе и «стажу» использования человеком – у них больше различий.
История открытия
Медь – один из первых металлов, которые человечество научилось добывать и эксплуатировать; по мнению археологов, примерно одновременно с медью люди стали использовать золото. Дело в том, что оба эти металла встречаются в природе в самородном виде, и куску меди для применения его в качестве орудия труда или оружия надо было просто придать после нагрева нужную форму. Это случилось, скорее всего, 6-7 тысяч лет назад. Постепенно люди научились выплавлять металл из руды, и шлак, свидетельствующий о наличии медной металлургии, находят при раскопках древнего поселения Чатал-Хююк в Турции. Первоначально делали оружие и сельскохозяйственные орудия из чистого металла, но со временем люди обнаружили, что в соединении с оловом из меди получается куда более прочная бронза.
Отличие алюминия от меди в том, что дата его первого получения четко зафиксирована в истории. Это случилось в 1825 году в Дании и «отцом» алюминия стал химик Ганс Эрстед. Алюминий в природе в самородном виде не встречается, а при взаимодействии с кислородом образует стойкое соединение, поэтому его производство вначале было делом очень дорогим. Первый алюминий стоил дороже золота, а великому русскому химику Дмитрию Менделееву в знак признания его заслуг перед человечеством в 1889 году британцы подарили весы именно из золота и алюминия.
Сравнение
Электропроводность меди в полтора раза выше, чем у алюминия, но при этом плотность алюминия в 3,3 раза меньше, чем у меди. О цене и говорить не приходится – после освоения промышленной технологии производства алюминия его стоимость очень сильно упала и сейчас она значительно меньше, чем у меди. Эти обстоятельства и предопределили использование алюминия для выпуска многожильных проводов и кабелей. Обратите внимание, когда увидите ЛЭП высокого напряжения: все провода выполнены именно из алюминия. Так и дешевле, и нагрузка на опоры гораздо ниже. Ну а что электропроводность меньше – с этим приходится мириться.
Используется медь и для производства бронзы. В древности из нее изготавливали холодное оружие и орудия труда, пока не была освоена выплавка железа. Но и позже из бронзы лили пушки, причем это продолжалось довольно долго, вплоть до 19 века. Из бронзы отлиты Царь-пушка и Царь-колокол. Кроме этого, медь благодаря высокой коррозионной стойкости нашла применение при изготовлении труб для транспортировки различных жидкостей и газов, а также в некоторых других отраслях промышленности.
Алюминий называют «крылатым металлом». Это название говорит о второй масштабной области его применения (после электротехнической). При соединении алюминия (95,6 %) и меди (4,4 %) получают сплав, который называется дюралюминий, или дюраль. Обладая плотностью, близкой к плотности алюминия, он имеет значительно более высокие прочностные характеристики, поэтому широко используется для производства самолетов.
Таблица
В чем разница между алюминием и медью, видно из приведенной ниже таблицы.
Только два металла - медь и алюминий нашли широкое применение в качестве проводников электрического тока. Их использование в этом качестве обусловливается комплексом физических свойств самих металлов и их ценой.
Физические основы протекания электрического тока в проводниках
Как известно из физики, электрический ток - это упорядоченное движение электрических зарядов в проводнике, под действием сил электрического поля. При перемещении электрических зарядов в проводнике они подвергаются противодействию, которое оценивают величиной электрического сопротивления и которое измеряется в омах (Ом).
Электрическое сопротивление для цилиндрических проводников определяется формулой r=ρ *l/s, где r - электрическое сопротивление проводника, Ом, ρ - удельное электрическое сопротивление материала проводника, Ом*мм2/м, l - длина проводника, м, s - площадь поперечного сечения проводника, мм 2
Поэтому, в электротехнике, для изготовления проводов используются материалы с низким удельным сопротивлением (медь, алюминий, сталь).
Например: Удельное сопротивление меди - 0, 0175 ом*мм 2 /м, удельное сопротивление алюминия - 0, 0294 ом*мм 2 /м
Иногда вместо электрического сопротивления r употребляют обратную величину - проводимость g=1/r, а вместо удельного сопротивления - удельную проводимость γ=1/ρ . Электрическая проводимость измеряется в сименсах (См).
При перемещении электрических зарядов в проводнике, электрическое сопротивление вызывает нагревание проводника. Это нагревание является вредным и, при эксплуатации проводника, должно быть ограничено, с учётом физических свойств проводника и класса изоляции.
Установившаяся температура проводника с током, зависит от плотности тока, которая определяется по формуле: δ=I/s, где δ - плотность тока, а/мм 2 , I — величина тока, а s — площадь поперечного сечения проводника, мм 2
Что же выгоднее применять в качестве электрических проводов — медь или алюминий?
При сравнительном рассмотрении тенденций роста стоимости алюминия и меди в течение ХХ и начала ХХI веков, очевидно, что стоимость алюминия растёт медленнее, чем меди. Эта разница особенно видна в начале ХХI века. С 2006 года стоимость меди на Лондонской бирже металлов доходила до 8500 долл/тонну, в то время как алюминия—2500 долл/тонну. Это связано с усовершенствованием и увеличением производства алюминия, при доступном и недорогом сырье для производства кабельной продукции, которое, в стоимости конечного продукта, составляет 25%.
Для меди - ситуация иная. Медные рудные запасы ухудшаются, содержание меди руде падает, новые месторождения бедны металлом и сложнее в его извлечении. Кроме того, эти месторождения географически более труднодоступны. Поэтому, затраты на сырьё в стоимости конечного продукта, составляют более 50 % и ещё растут.
Эти тенденции не изменяются, так же, как и сравнительная динамика цен, а изменения не предвидятся. Всё это говорит в пользу использования алюминия.
Научное и её промышленное применение пока ещё недостижимы для мировой практики. В свете того, что электрическая проводимость алюминия ниже, чем у меди, сечение алюминиевого провода и, следовательно его объём, должны быть больше чем у медного, причём диаметр алюминиевого провода, для той же плотности тока, должен быть больше чем медного на 25 %.
Однако, увеличение объёма, а следовательно массы алюминиевого провода, нивелируется невысокой плотностью металла (2,7 т/м 3 —алюминий, 8,9 т/м 3 —медь). Поэтому масса алюминиевого провода, для той же плотности тока, в три раза меньше чем медного.
Однако выигрыша по массе, при применении алюминиевого провода вместо медного, из-за требований СНИПа, нет. Например, масса меди в проложенных проводах и кабелях, в панелях современной трёхкомнатной квартиры, составляет 10 кг. Масса трехжильного кабеля длиной в 1000метров кабеля ВВГ (медь) сечением 1,5 мм 2 составляет 93 кг, а масса эквивалентного ему кабеля АВВГ (алюминий) сечением 2,5 мм 2 составляет 101 кг. Выгода от применения алюминиевых проводов получается из-за гораздо меньших цен на алюминий.
При существующих на сегодня ценах, применение алюминиевых проводов в несколько раз выгоднее, чем медных!
Для высоковольтных линий и для подвесных кабельных систем алюминий используется уже давно. Но в изолированных проводах увеличение диаметра жилы требует увеличения расхода кабельного ПВХ пластиката, цена которого (1800 долл/тонну) приближается к цене алюминия. Чем тоньше жила провода, тем больше сравнительные затраты на электроизоляцию, а выгоды от перехода с меди на алюминий - ниже. Однако, при текущих ценах, экономия всё равно получается значительной!
Проектировщики, архитекторы, электрики должны преодолеть предвзятость по отношению к применению алюминиевых проводов при новом строительстве. Это позволит применять выгодный, но трудоёмкий алюминий при разводках в панелях и в подводах к точкам внешней нагрузки (розетки и выключатели), что даст значительную экономию.
Алюминиевые обмоточные провода, могут с заметной выгодой, применяться в производстве маломощных трансформаторов, электродвигателей и других электрических машин.
Всё это определит огромный спрос на алюминий на мировом рынке и использование «крылатого металла» на земле.
А что вы думаете по этому поводу? Оставьте свой комментарий к статье!