デザイナーやエンジニアであれば、導電性に関連する製品を設計する際にアルミニウムは間違いなく検討する価値のある高品質の基本材料です。特に精密部品と効率的な電流伝導を必要とする用途では、アルミニウムの高い導電性が理想的な選択肢となります。アルミニウムの電気特性を十分に活用することで、顧客のニーズを満たすより効率的で信頼性の高い製品を設計できます。
アルミニウムを理解する
アルミニウムは、周期表の原子番号 13 の金属元素です。地球上で最も豊富に存在する金属の 8 つで、地球の地殻の約 XNUMX% を構成しています。
原子番号 13 は、アルミニウム原子に電子軌道に配置された 13 個の電子が存在することを意味します。金属では、電気伝導性は主に、材料内を移動できる自由電子の存在によって決まります。アルミニウムでは、外殻の XNUMX つの電子が比較的自由に移動できるため、電気伝導が容易になります。
しかし、アルミニウムは自然界に純粋な形では存在しないため、鉱石であるボーキサイトから工業規模で生産する必要があります。アルミニウム酸化物を抽出するために精錬が行われ、その後電気分解されて純粋なアルミニウム金属が得られます。
アルミニウムは電気を通すことができますか?
実際、アルミニウムは電気伝導率において純銅に次ぐトップクラスの材料です。純アルミニウムは 37.7 MS/m という驚異的な導電率を誇り、さまざまな電気用途に非常に効果的です。
アルミニウムの導体としての効率性を理解するには、銀に次ぐ主要な導体である銅と比較することがよくあります。しかし、銀はコストが高いため、広範囲の工業用途には適していません。そこで、アルミニウムはコスト効率の高い代替品として有利になります。
この 国際軟銅規格 (IACS) は、材料間の電気伝導率を比較するための基準となります。アルミニウムの IACS は 61% で、銅の 61% の伝導率であることを示しています。これは銅より低い数値ですが、重量とコストが重要な要素となる用途では特に非常に効果的です。
実際には、アルミニウムの導電性は非常に信頼性が高く、ほとんどの送電線にアルミニウムが使用されています。つまり、家庭に届く電気は、おそらくアルミニウム導体を通っていることになります。さらに、アルミニウムは耐腐食性があるため耐久性が高く、電気インフラに長く使用できる選択肢となっています。
認定条件 アルミニウムは電気を通しますか?
アルミニウムの優れた導電性は、その原子構成と原子の結合方法に起因しています。アルミニウム原子は、陽子と中性子でできた原子核と、それを取り囲む特定の軌道の電子で構成されています。アルミニウムには 13 個の陽子と 13 個の電子があるため、周期表では 13 番目の元素として指定されています。これらの電子は、異なるエネルギー レベルまたは殻に分散しており、最外殻には XNUMX つの電子があります。
価電子として知られるこれらの最外殻電子は、原子核にしっかりと結合しておらず、比較的自由に移動できます。アルミニウム原子が集まって固体を形成すると、これらの自由に移動する電子によって「電子の海」と呼ばれる状態が形成されます。この電子の海は、材料の電気伝導能力にとって非常に重要です。
電流と電荷の概念
アルミニウムの電気伝導性を理解するには、電流の概念を把握することが不可欠です。電流は電荷の流れであり、イオンまたは電子によって運ばれます。アルミニウムのような金属では、電荷キャリアは「電子の海」にある自由電子です。
アルミニウム片に電圧をかけると、電界が発生し、自由電子が正極の方向に流れます。この流れが電流となります。電子がアルミニウム内を移動する容易さが、アルミニウムの電気伝導率の尺度となります。
電気伝導におけるアルミニウムの役割
アルミニウムが効率的に電気を伝導できるのは、自由電子の可動性によるものです。これらの電子は原子核にしっかりと固定されていないため、電界に素早く反応します。この電子の動きにより、アルミニウムは電流を効率的に伝導できます。
アルミニウム原料
純粋なアルミニウムは、銅や銀などの他の金属に比べて中程度の電気伝導性を示します。 導電率は約 37.7 万ジーメンス/メートル (MS/m) で、銅 (58 MS/m) より低いですが、多くの電気用途には十分です。
次の表は、他のアルミニウム合金の電気伝導率を示しています。
| タイプ/合金 | 電気伝導率（MS/m、20°C） | 備考 |
|---|---|---|
| アルミニウム銅合金（2XXXシリーズ） | 30.0-40.0 | 電気伝導率は銅含有量によって異なり、特殊な電気用途に適しています。 |
| アルミニウムマンガン合金（3XXXシリーズ） | 30.0-35.0 | 優れた加工性と耐腐食性、適度な電気伝導性 |
| アルミニウム - シリコン合金（4XXXシリーズ） | 25.0-30.0 | 主に鋳造に使用され、電気伝導性が低い |
| アルミニウム・マグネシウム合金（5XXXシリーズ） | 30.0-35.0 | 優れた耐腐食性、適度な電気伝導性 |
| アルミニウム-マグネシウム-シリコン合金（6XXXシリーズ） | 32.0-37.0 | 自動車や建築用途に使用され、電気伝導性が高い |
| アルミニウム - 亜鉛合金 (7XXX シリーズ) | 20.0-25.0 | 主に航空宇宙分野で使用され、電気伝導性が低い |
| その他のアルミニウム合金（8XXXシリーズ） | 25.0-35.0 | 特定の用途では、電気伝導性は合金の組成に応じて異なります。 |
アルマイト
陽極酸化処理は、アルミニウムの表面特性を向上させる電気化学処理です。金属の表面に制御された酸化層を形成し、耐腐食性、耐久性、さらには美観を向上させることができます。ただし、陽極酸化処理はアルミニウムの電気伝導性に影響を与えます。
最初に、陽極酸化処理中に、アルミニウムの表面に非導電性の多孔質酸化物層が形成されます。 この層は、さらに処理したり密封したりして、望ましい特性を得ることができます。この絶縁酸化物層により、純粋な陽極酸化アルミニウムの電気伝導率は未加工のアルミニウムよりも大幅に低くなりますが、正確な伝導率は陽極酸化の厚さと種類によって異なります。
の導電性 陽極酸化された 酸化アルミニウムの導電率は、陽極酸化処理されていない純アルミニウムまたはアルミニウム合金よりもはるかに低くなります。特定の導電率は酸化膜の厚さと密度に依存しますが、通常は純アルミニウムの 37.7 MS/m (20 °C) よりもはるかに低くなります。
陽極酸化処理された変種の電気伝導率:
- タイプ II 陽極酸化処理: このタイプの陽極酸化処理では、タイプ III 陽極酸化処理に比べて酸化層が薄くなります (通常、厚さは 1 ～ 25 ミクロン)。酸化層は多孔質で、染色または密封することができ、導電性に影響します。
- タイプIII陽極酸化処理（硬質陽極酸化処理）： このプロセスにより、より厚く密度の高い酸化層（通常 25 ～ 150 ミクロン）が形成されます。結果として得られる層は耐摩耗性が高く、絶縁性も向上し、アルミニウムの電気伝導性が大幅に低下します。
アルミニウムの表面仕上げは電気伝導性に影響しますか?
陽極酸化処理中に形成される酸化層は非常に薄く非導電性であるため、アルミニウムは電子用途で導電性の損失を考慮する必要があります。陽極酸化や粉末噴霧などの表面処理後、さまざまな種類のアルミニウムの導電性が低下します。陽極酸化は、さまざまな厚さと特性を持つ酸化層を生成する可能性があり、それによって最終製品の電気伝導性に影響を与えます。対照的に、粉末噴霧はアルミニウム表面に完全に分離された酸化層を形成しませんが、それでも導電性にある程度の影響を及ぼします。
電子機器では、良好な電気伝導性を確保するために、未処理または軽く処理されたアルミニウムが通常好まれます。耐腐食性と環境保護を必要とする外部用途では、アルミニウムの耐久性と外観を向上させるために、陽極酸化処理または粉体スプレー処理がより好まれます。
アルミニウムの導電率を測定する方法は？
アルミニウムの導電率を測定するには、まず、アルミニウムのサンプルに既知の電流を流します。次に、プローブを使用してサンプル全体の電圧降下を測定します。これらの測定値とサンプルの寸法から、次の式を使用して導電率を計算できます。
導電率 (σ) = (電流 (I) × 長さ (L)) / (電圧降下 (V) × 断面積 (A))
ここで、σ はシーメンス/メートル (S/m) 単位の導電率、I はアンペア (A) 単位の電流、L はメートル (m) 単位のサンプルの長さ、V はボルト (V) 単位の電圧降下、A は平方メートル (m²) 単位のサンプルの断面積です。
電気伝導体としてのアルミニウムの幅広い用途
アルミニウムは電気導体として広く利用されており、特に電力業界では独自の利点が実証されています。高電圧の電柱では、他の素材に比べて優れた利点があるため、技術者や作業員はアルミニウム導体を頻繁に目にします。
近年、アルミニウムは住宅、航空機、建物、家電製品にも人気が高まっています。たとえば、アルミニウム線は、家庭の電気回路で従来の銅線の代わりに使用されることが多く、配線の重量とコストを削減します。航空機の製造では、アルミニウム導体の軽量性により、さまざまな電気回路やシステムの接続に最適です。建物では、アルミニウムバスバーを使用してさまざまな回路やフロアに電力を分配し、建物の電気需要を満たします。
アルミニウムの電気伝導率と他の金属との比較
以下は、アルミニウムとその他の一般的に使用される金属の電気伝導率の比較表です。
| 金属 | 電気伝導率(MS/m) |
|---|---|
| アルミ | 37.7 |
| 銅 | 58.0 |
| シルバー | 63.0 |
| ゴールド | 45.0 |
| 真鍮 | 15.9 – 28.0 |
| 鉄（純粋） | 10.0 |
| スチール（低炭素） | 6.99 |
| 亜鉛（純粋） | 16.6 |
| ニッケル（純） | 14.0 |
注: 電気伝導率は通常、百万ジーメンス/メートル (MS/m) またはメガジーメンス/メートル (MS/m) の単位で測定されます。
この表から、アルミニウムの導電性は良好であることがわかります。ただし、優れた導電性で知られる銅や銀に比べると導電性は低いです。ただし、アルミニウムはコストが低く、重量が軽いため、高い導電性だけが考慮されないさまざまな電気用途では、アルミニウムが好まれることがよくあります。
なぜ銅はアルミニウムよりも導電性が高いのでしょうか?
銅は、優れた延性、魅力的な黄金色の仕上げ、高い強度と硬度など、いくつかの理由から、電気導体の第一選択肢であり続けています。しかし、銅の最も大きな利点は、アルミニウムに比べて電気伝導性に優れていることです。この優位性は、主に銅の電流抵抗が低いことに起因しています。
電気抵抗と導電率を理解する
電気抵抗は、物質が電流の流れにどれだけ抵抗するかを測定します。プラスチックやゴムなどの高抵抗の物質は絶縁体として知られています。すべての物質にはある程度の抵抗がありますが、金属は通常、非常に低い抵抗を示すため、電気の優れた導体となります。
抵抗は、導体の寸法と、抵抗率と呼ばれる材料固有の特性という 2 つの要素によって決まります。抵抗率は、特定の材料が電流の流れにどれだけ強く抵抗するかを数値化した固有の特性です。長さと断面積が同じ銅導体とアルミニウム導体を比較すると、銅は抵抗率が低いため、導電性が高くなります。
銅とアルミニウムの抵抗率
銅の抵抗率はアルミニウムよりも低くなっています。具体的には、銅の抵抗率は約 1.68 x 10^-8 オームメートルであるのに対し、アルミニウムの抵抗率は約 2.82 x 10^-8 オームメートルです。銅の抵抗率が低いということは、電流の流れに対する抵抗が少なくなり、電子がより自由かつ効率的に材料内を移動できることを意味します。
電子の挙動とフォノン衝突
微視的レベルでは、銅の優れた導電性は自由電子の挙動によるものでもあります。銅の自由電子は、フォノン衝突と呼ばれる現象に遭遇する可能性が低くなります。フォノン衝突は、物質内の振動する原子が電子の動きを妨げる機械的エネルギーを生成するときに発生します。これらの衝突により、物質の電流抵抗が増加します。
アルミニウムは銅よりも自由電子の濃度が高いにもかかわらず、これらの電子はフォノン衝突を起こしやすい傾向があります。アルミニウム内の自由電子の散乱が増加すると、抵抗が高くなり、結果として銅に比べて導電性が低くなります。
実験的証拠と実践的意味
実験データにより、銅はアルミニウムよりも優れた導体であることが確認されています。銅内の自由電子はフォノン衝突が少なく、より効率的に電流を流すことができます。対照的に、アルミニウム内の自由電子はより多くの妨害に遭遇し、抵抗が増加します。
銅の実用的用途と利点
銅は、抵抗率が低く、フォノン衝突が少ないため、多くの電気用途に適した素材です。導電性が高いため、効率的で信頼性の高い電気性能が重要となる住宅、建物、電子機器の配線に最適です。さらに、銅は延性があるため、ワイヤーやケーブルに簡単に成形でき、さまざまな用途で実用性を高めています。
まとめ
結論として、生のアルミニウムは多くの用途に適した適度な電気伝導性を持っていますが、陽極酸化処理により導電性を含む表面特性が変化します。生のアルミニウムでも陽極酸化処理されたアルミニウムでも、アルミニウムの導電性を理解することは、電気性能と材料の耐久性の両方が重要な業界全体でその特性を効果的に活用するために不可欠です。
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Q＆A
アルミニウム電気ケーブルは主にアルミニウム合金で作られており、純粋な電気導体グレードのアルミニウム、合金 6201、アルミニウム 1350 などがあります。ACSR や ACAR などの一部のケーブルでは、アルミニウム合金と鋼またはアルミニウム合金の芯線を組み合わせて強度を高めています。AAC は都市部の配電でよく使用され、AAAC は耐腐食性で知られています。ACSR は鋼の芯線を使用しているため送電と配電に人気があり、ACAR は電気的および機械的特性が向上していますが、コストが高くなります。
アルミニウムは、軽量、導電性、コスト効率に優れているため、電子機器や電気製品に広く使用されています。架空送電線、コネクタやケースなどの電気部品、効率的な熱放散のためのヒートシンクなどによく使用されています。
1000 シリーズから 8000 シリーズまでのアルミニウム グレードは、合金の組成と処理の違いにより、電気伝導率が異なります。最も純粋な 1000 シリーズ (EC グレード アルミニウム) は、約 61% IACS の伝導率を達成し、高い電気伝導率と熱伝導率を必要とする用途に最適です。AA-8006 や AA-8011 などの他のグレードも優れた伝導率を示し、アルミニウム配線や建設などの特定の用途に適しています。
はい、アルミニウムは優れた電気伝導体です。アルミニウムは銀や金ほど導電性は高くなく、日常的に使用するには高価すぎますが、実用的および工業的用途に適した金属の中では銅に次いで 2 番目に導電性が高い金属です。軽量であることは、特に航空宇宙など軽量化が重要な産業では大きな利点となります。
はい、アルミニウムの仕上げは確かに電気伝導性に影響を与える可能性があります。一般的に、未処理のアルミニウムは、電気抵抗を高める酸化層を形成するコーティングや陽極酸化などの表面処理を施したアルミニウムに比べて、導電性が優れています。塗料やエナメルなどの他のコーティングも導電性に影響を与える可能性があります。
アルミニウムの導電性は、電力伝送効率、配線用途、工業用途、電子機器、放熱、軽量であることによるコスト効率に影響を与えるため重要です。効率的な導電性により、エネルギー損失が少なくなり、パフォーマンスが向上し、操作がより安全になります。
カタログ： マテリアルガイド
この記事は、BOYI チームのエンジニアによって執筆されました。Fuquan Chen は、ラピッドプロトタイピング、金型製造、プラスチック射出成形の分野で 20 年の経験を持つプロのエンジニア兼技術専門家です。
