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, мм2
Поэтому, в электротехнике, для изготовления проводов используются материалы с низким удельным сопротивлением (медь, алюминий, сталь).
Например: Удельное сопротивление меди — 0, 0175 ом*мм2/м, удельное сопротивление алюминия — 0, 0294 ом*мм2/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/мм2, I — величина тока, а s — площадь поперечного сечения проводника, мм
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 открытие сверхпроводимости 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/м3 — алюминий, 8,9 т/м3 — медь). Поэтому масса алюминиевого провода, для той же плотности тока, в три раза меньше чем медного.
