يُعدّ الألومنيوم واحداً من أفضل الفلزّات في توصيل الكهرباء، ويعمل في العديد من التطبيقات الصناعية كموصلٍ ممتاز. في الواقع، بين المواد الموصلة، قلّما توجد مادة تستطيع منافسة الألومنيوم. ولهذا السبب تعتمد العديد من الصناعات والتقنيات – من الأجهزة الإلكترونية الاستهلاكية المتقدّمة إلى قطاع الطيران والفضاء والمحولات الثقيلة – على سبائك الألومنيوم كحلّ فعّال.
التركيب الكيميائي للفلزات يكون في أغلب الحالات بحيث تسمح الروابط الفلزية بتوصيل الكهرباء. فذرات الفلزات مُحاطة دائماً بإلكتروناتٍ في حركة مستمرة، ما يسمح للتيار الكهربائي بالتحرك بسهولة بين الأيونات. ورغم أن الألومنيوم ليس أفضل الفلزات توصيلاً، فإن الفضة النقيّة (رقم 1)، والنحاس النقي (رقم 2)، والذهب النقي (رقم 3) فقط تُعتبر موصلات أفضل من الألومنيوم. من ناحية أخرى، يُعدّ الحديد موصلاً متوسّطاً، في حين يُعتبر الفولاذ غير القابل للصدأ من أضعف الموصلات.
وبالنظر إلى التكلفة العالية لاستخدام الفضة والذهب على نطاقٍ صناعي، يبقى النحاس وحده خياراً عملياً لتوصيل الكهرباء. غير أنّ الألومنيوم يملك مزايا عديدة مقارنةً بالنحاس، تجعل منه مادة أكثر جاذبية للمصنّعين والمصمّمين.
في هذه المقالة نستعرض كيفية استخدام سبائك الألومنيوم في الأجهزة الكهربائية، والنقاط التي يجب معرفتها عند اختيار النوع المناسب لاحتياجاتك.
الألومنيوم موصل طبيعي للكهرباء
كما ذكرنا، يُعدّ الألومنيوم من أفضل الفلزات لتوصيل الكهرباء. وهو في الواقع قادر على إظهار ظاهرة تُسمّى “التوصيل الفائق” (الابَرموصلية)، حيث تختفي المقاومة الكهربائية للمادة بشكل كامل، وتُستبعَد حقول الفيض المغناطيسي منها كلياً. في موصلٍ فلزي عادي، تنخفض المقاومة الكهربائية تدريجياً مع التبريد، بينما في الموصّل الفائق توجد درجة حرارة حرجة تهبط عندها المقاومة فجأة إلى الصفر. هذا يعني أنّ تياراً كهربائياً عادياً يمكنه أن يستمر في الجريان داخل سلكٍ فائق التوصيل إلى ما لا نهاية، دون الحاجة إلى مصدر طاقة.
درجة الحرارة الحرجة للتوصيل الفائق في الألومنيوم هي 1.2 كلفن، أما الحقل المغناطيسي الحرج فهو حوالي 100 غاوس. ومن الخصائص الأخرى للألومنيوم أنه بارامغناطيسي، لذلك لا داعي للقلق من الحقول المغناطيسية الساكنة. ومع ذلك، ينبغي الانتباه إلى أنّه يمكن أن يتأثّر بشدّة بتغيّر الحقول المغناطيسية الناتج عن استحثاث التيارات الدوامية.
مقارنةً بالنحاس، لا يُظهر الألومنيوم إلا قليلاً أكثر من نصف (61٪) الموصلية الكهربائية للنحاس. للوهلة الأولى، يبدو النحاس خياراً أفضل كموصل، لكن هذا يتجاهل حقيقة أنّ كثافة الألومنيوم تعادل ثلث كثافة النحاس تقريباً. لذلك، إذا كان لديك سلكان فلزّيان – أحدهما نحاسي والآخر من الألومنيوم – قادران على نقل نفس مقدار التيار الكهربائي، فإن سلك الألومنيوم سيكون بنصف وزن السلك النحاسي تقريباً. لهذا السبب يكون الألومنيوم في العادة أقل كلفة أيضاً.
ما هي التطبيقات الأكثر استخداماً للألومنيوم كموصل؟
يُعد الألومنيوم موصلاً جيداً لدرجة أنّ حتى رقائق الألومنيوم (ورق الألومنيوم) يمكن أن تُستخدم كموصل. وبالطبع فإن الرقائق رقيقة جداً بالنسبة لمعظم التطبيقات الصناعية، لكنها تبرز مزايا هذه المادة.
إحدى أقدم وأشهر استخدامات الألومنيوم هي أسلاك الكهرباء. فمعظم كابلات القدرة المعزولة في شبكة الكهرباء في الولايات المتحدة مصنوعة من الألومنيوم بسبب وزنه الأخف وتكلفته الأقل. أما الكابلات النحاسية فهي أثقل بكثير من الكابلات المصنوعة من الألومنيوم، ولهذا استُخدم الألومنيوم في شبكة الكهرباء الوطنية منذ أواخر القرن التاسع عشر.
إضافةً إلى كابلات القدرة الهوائية، يمكن العثور على أسلاك الألومنيوم في بعض الطائرات، والمنازل، والأجهزة الإلكترونية، والأجهزة المنزلية مثل المراوح، والمصابيح، وغيرها.
لكن في مقاطع الأسلاك الصغيرة، غالباً ما يُفضَّل النحاس على الألومنيوم. يعود ذلك إلى أن لأسلاك الألومنيوم عيباً يجب الانتباه إليه: فعندما تُستخدَم مع فلزات أخرى يمكن أن تكون شديدة التآكل، ما يعني أنه لا يمكنك مثلاً استخدام الأسلاك المصنوعة من الألومنيوم مع موصلات نحاسية. وبما أنّ النحاس استُخدم في العديد من أوائل الأجهزة الكهربائية، تعتمد جزءٌ كبير من بنيتنا التحتية الحالية على النحاس. واستبدالها بالألومنيوم سيكون مكلفاً جداً؛ لهذا السبب ظل استخدام الأسلاك المصنوعة من الألومنيوم لعدة عقود مقتصراً في الغالب على كابلات القدرة الهوائية.
ومع ذلك، في الآونة الأخيرة بدأ استبدال المزيد من الأسلاك النحاسية بأسلاك من الألومنيوم. وهذا يعني أنّ عليك إجراء بحثك الخاص وفهم طريقة استخدام التطبيق الذي تريده، ومعرفة متطلبات الأسلاك الحالية (نحاس أم ألومنيوم).
ممَّاذا تُصنَع كابلات القدرة المصنوعة من الألومنيوم؟
هناك أربعة أنواع رئيسية من كابلات القدرة المصنوعة من الألومنيوم:
- الموصل الألومنيومي بالكامل (AAC)
هذا النوع مصنوع من ألومنيوم من درجة EC. هذه السبيكة ليست شديدة المتانة، ورغم أن موصليتها الكهربائية تبلغ 61٪ من موصلية النحاس، فإنها لا تُستخدم كثيراً في خطوط النقل الطويلة. بل تجدها في خطوط التوزيع داخل المدن، حيث تكون المسافات بين الأعمدة أقصر، مع حاجة أعلى لموصلية كهربائية جيدة. - موصل سبيكة الألومنيوم بالكامل (AAAC)
يُصنع من السبيكة 6201. هذه السبيكة تقدّم متانة ممتازة، وتملك حوالي 52٪ من موصلية النحاس. تُستخدم كثيراً في أغراض التوزيع، وهي مفيدة بشكل خاص في المناطق الساحلية بسبب مقاومتها العالية للتآكل. - موصل الألومنيوم المقوّى بالفولاذ (ACSR)
يجمع هذا النوع نواة فولاذية مع طبقات من أسلاك الألومنيوم من السبيكة 1350 ملتفّة بشكل حلزوني حولها. ومع الزيادة الكبيرة في المتانة الناتجة عن النواة الفولاذية، يحدث ترهّل (تدلّي) أقل بكثير في الخطوط، ما يجعل هذا النوع مناسباً لخطوط النقل والتوزيع على حدٍّ سواء. وغالباً ما يُستخدم في عبور الأنهار والمناطق الأخرى التي تتطلّب قوة ميكانيكية عالية. - موصل الألومنيوم المقوّى بسبيكة الألومنيوم (ACAR)
في هذا النوع يُلفّ ألومنيوم 1350 حول نواة من سبيكة الألومنيوم 6201. وهذا يعطي خواص كهربائية وميكانيكية محسّنة مقارنةً بـ ACSR، ما يجعله أكثر موثوقية، وإن كان أعلى كلفة من الأنواع الأخرى. ويمكن استخدام هذا النوع من الكابلات في كلٍّ من خطوط النقل الهوائية وخطوط التوزيع.
المصدر + الترجمة: إلكامهر كيميا
بدون دیدگاه