Что нагреется быстрее алюминий или медь: Медь или алюминий? Преимущества и недостатки медных и алюминиевых проводников.

Медь или алюминий? Преимущества и недостатки медных и алюминиевых проводников.

28.12.2020

В одной из прошлых статей мы рассмотрели типы классификации кабельно-проводниковой продукции в зависимости от сферы применения. Сегодня мы остановимся на ее разновидностях в зависимости от материала проводника.

В настоящее время в мире используют два основных металла для изготовления токопроводящих жил – медь и алюминий. Каждый из этих металлов имеет свои особые свойства, преимущества и недостатки, которые необходимо учитывать при выборе материала проводника.

Медь – один из самых древних металлов. Ее пластичность и электропроводимость были использованы еще во времена изобретения телеграфа, телефона и электрического двигателя. Однако этот металл всегда был довольно дорогим.

Изобретение сравнительно дешевого способа добычи алюминия сделало переворот в глобальном развитии электрификации. Ведь по уровню электропроводимости этот металл находится на четвертом месте, уступая только серебру, меди и золоту. Это позволило максимально удешевить производство проводов и кабелей и способствовало проведению всеобщей электрификации. Алюминиевые кабели начали активно использовать в 60-70-х годах прошлого века. А в советские времена вся проводка была алюминиевой. Однако, сегодня в современных системах электроснабжения для подключения жилых, общественных и промышленных объектов применяется преимущественно медь. Почему же так произошло? Давайте разбираться.

Медь

Медь, как материал для электрической проводки имеет ряд преимуществ. К ним в первую очередь можно отнести ее электропроводимость. По этому показателю медь находится на втором месте и лишь на 5% уступает серебру. Удельное сопротивление меди составляет 0,017 Ом*мм²/м против 0,028 Ом*мм²/м удельного электрического сопротивления алюминия. Разница почти в два раза! Соответственно, медный провод выдерживает большую нагрузку чем алюминиевый при одинаковом сечении, а потери напряжения в медных проводниках меньше.

Благодаря своим высоким пластическим свойствам, медь может выпускаться в форме очень тонкой жилы, что добавляет универсальности медному силовому кабелю.

Медные провода компактнее, что в свою очередь упрощает процесс создания штробы при проектировании проводки в доме или квартире.

А также медные жилы механически более прочные и гибкие по сравнению с алюминиевыми. Они выдерживают многократные перегибы, не ломаются от частых сгибаний и не повреждаются при скручивании. Это значительно облегчает установку и ремонтопригодность проводки. Позволяет электрику легко раскрутить старую скрутку, добавить провод и скрутить заново. Алюминий в такой ситуации может даже не раскрутиться и лопнуть.

Гибкость материала позволяет изготавливать медные проводники с мягкими многопроволочными жилами любых сечений. Это позволяет использовать их для нестационарной прокладки, присоединения передвижного оборудования и изготовления шнуров для электроприборов повышенной гибкости. Все гибкие провода и кабели изготавливаются исключительно из меди.

Медь также характеризуется высокой прочностью на разрыв и способностью выдерживать высокое напряжение, при этом проявляя минимальные признаки износа. Благодаря этому медный кабель практически не требует обслуживания.

Медь тверже чем алюминий, поэтому имеет меньшую текучесть, а ее контакты надежнее.

Кроме того, этот металл хорошо поддается обработке, легко паяется и сваривается, а также практически не окисляется. Точнее окисляется, но очень медленно, а сама по себе пленка (зеленоватый налет) достаточно легко разрушается и не препятствует прохождению электрического тока.

Медный кабель по сравнению с алюминиевым имеет большую химическую стойкость. Медь относится к благородным (инертным) металлам и не вступает в химическую реакцию с большинством веществ. Тогда как алюминий подвергается химическому воздействию и в результате разрушается.

Еще одним важным фактором является способность проводников рассеивать тепло. Так, коэффициент теплопроводности меди составляет 389,6 Вт/м*°С, а алюминия 209,3 Вт/м*°С. То есть медь почти вдвое лучше рассеивает тепло (не нагревается) по сравнению с алюминием. Что особенно важно в местах соединений, где провод нагревается наиболее сильно.

С точки зрения безопасности, медный силовой кабель является одним из наиболее безопасных вариантов организации электроснабжения объектов. Меди не свойственно высокое циклическое расширение и сжатие в отличие от алюминия. А температура плавления медной жилы составляет аж 1083°С. Поэтому даже если кабель перегружен, то вряд ли он расплавится или сгорит. А это значит, что риск возникновения пожара, при проблемах с питанием, будет минимальным.

Благодаря всем этим свойствам именно медь рекомендуется использовать для обустройства электропроводки в современных домах. Однако это редкий и дорогой металл. Именно высокая стоимость является, вероятно, главным недостатком этого материала. Медные месторождения истощаются, доля содержания меди в руде уменьшается, новые месторождения бедны и географически труднодоступны, а сама добыча меди становится все сложнее. Вследствие указанных причин, и так высокие цены на медь продолжают расти. Поэтому в современных условиях применение алюминиевых проводников является в несколько раз более дешёвым, нежели медных.

К минусам использования медных проводников также можно отнести их усиленную коррозию на побережьях морей, за счет наличия солей в воздухе, и значительный вес медной проволоки. Плотность меди составляет 8900 кг/м³, а алюминия – 2700 кг/м³. Чем выше плотность, тем тяжелее проводник. Соответственно, при равном объеме медный провод будет весить в 3,3 раза больше, чем алюминиевый. Этот фактор особенно важен при прокладке кабелей по воздуху, поскольку требует установки большего количества опор чтобы конструкция могла выдерживать тяжелые проводники.

Алюминий

Электропроводимость алюминия составляет лишь 65-70% электропроводимости меди. Поэтому сечение алюминиевой жилы будет большим нежели медной для передачи электричества одинакового напряжения. Соответственно для обеспечения необходимой проводимости придется выбирать более толстые кабели, работать с которыми может быть сложно и неудобно.

Алюминий имеет высокую склонность к окислению, особенно при контакте с влагой и разнородными металлами. Конечно, медь также окисляется под действием воздуха, однако у алюминия этот процесс происходит гораздо быстрее, а сама оксидная пленка очень плотная. С одной стороны, она предохраняет металл от дальнейшей коррозии, на него не действует водяной пар, пресная и морская вода. Но, с другой стороны, оксидная пленка плохо проводит ток и повышает сопротивление контактов в соединениях. Контакты, покрытые пленкой, сильно нагреваются и плавятся, что в конечном итоге может привести к пожару. Проблемный контакт приходится искать, подтягивать и менять зажимы.

Для предупреждения этих негативных явлений в алюминиевом силовом кабеле используют антиокислительные соединения. Такие линии требуют более высокого уровня обслуживания по сравнению с медными, включающего проверку проводников на герметичность и наличие окисления.

Необходимость периодической подтяжки контактов обусловлена еще одной особенностью алюминия – низким пределом текучести. Алюминий более мягкий металл, по сравнению с медью, и со временем под действием зажимов начинает растекаться, теряя упругость и первоначальную форму. В результате ослабляется контакт, которым токопроводящие жилы скрепляются между собой или с любым устройством. Проводник начинает нагреваться и искрить, что также может стать причиной возгорания. Для того чтобы этого избежать необходимо постоянно подтягивать контакт, что опять же ведет к нагреванию и ускорения коррозионных процессов.

Также алюминий обладает невысокой прочностью и гибкостью, он менее устойчив к растяжениям и перегибам. В среднем он выдерживает около 12 сгибаний, после чего просто ломается. В то время как медные жилы выдерживают не менее 80 перегибов без повреждений. Однако для стационарной прокладки, если проводка проходит в стене, полу или спрятана под потолком, эта особенность не является важной.

Традиционно считается, что соединения проводов из алюминия из-за их хрупкости более сложная задача. Однако это актуально только при обычном объединении проводки, путем скручивания. В случае применения оконцевателей, клеммников или винтов такая проблема отпадает.

Следует также отметить, что из-за плотной оксидной пленки алюминий не паяется обычным способом, а требует использования специальных паяльников. А его сварку выполняют в камере с инертным газом. Он имеет низкую технологичность дальнейшей переработки и употребления, и невысокую ремонтопригодность.

Особые проблемы алюминиевая проводка создает тогда, когда нужно ремонтировать соединения в распределительных коробках – старый алюминий уже имеет микротрещины, поэтому при одном неверном движении жила может просто обломаться и придется снимать часть штукатурки, чтобы хоть немного вытянуть провода.

Алюминиевый силовой кабель повышает потенциальный риск пожара на объекте. Согласно статистике, пожары из-за неисправности в электропроводке с использованием алюминиевых проводов случаются на 60% чаще, чем в электроустановках с использованием медных проводов. Этому способствуют и циклы расширения-сжатия свойственные алюминию, существенно влияющие на безопасность соединений, и низкая температура плавления этого металла, которая составляет менее 700°С.

Также у алюминия крайне невысокая коррозионная стойкость и во влажной среде срок его службы значительно уменьшается.

Однако, этот металл имеет и свои преимущества. Одним из них является его легкий вес. Алюминиевые провода на 30-50% (в зависимости от марки) легче медных. Этот фактор особенно важен при прокладке воздушных линий электропередачи, ведь нагрузка на электрические опоры и изоляторы при прокладке алюминиевых проводов будет существенно меньше.

Легкий вес алюминия также облегчает прокладку длинных и толстых кабелей, ведь значительно удобнее раскатывать бухту или катушку с легким кабелем.

Еще одним неоспоримым преимуществом алюминия является его низкая стоимость, которая примерно в три раза ниже цены на медь. Алюминий широко распространен в природе. Его добыча постоянно совершенствуется и растет на фоне сокращения рудных запасов меди. Поэтому при существующем уровне цен, применение алюминиевых проводов в несколько раз выгоднее, чем медных.

Также необходимо помнить, что алюминиевые и медные проводники нельзя соединять непосредственно между собой, поскольку медь и алюминий образуют гальваническую пару. В такой гальванической паре алюминий вследствие электрокоррозии очень быстро разрушается, что ухудшает электрический контакт. Место с плохим контактом будет нагреваться и искрить. В результате этого надежность контактов будет уменьшаться, что опять-таки, может привести к пожару. Поэтому при необходимости соединения медного и алюминиевого проводов используют стальные клеммы, разъемы и переходники, которые предотвращают непосредственный контакт алюминия и меди.

Выводы.

Подводя итог всего вышеизложенного, можно утверждать, что решающим фактором при использовании медных проводов является их чрезвычайно хорошая электропроводимость, которая в полтора раза выше, чем у алюминия. Соответственно, и тепловые потери, и потери напряжения в медных проводниках меньше. Медные провода при меньшем сечении выдерживают больший ток и более устойчивы к частым изгибам. А медная проводка требует меньше усилий при прокладке и практически не требует обслуживания.

Сеть, выполненная при помощи алюминия, наоборот, потребует периодической проверки проводников и подтягивания контактов. Невысокая прочность и пониженная эластичность этого металла затрудняет его использование при монтаже распределительных коробок и розеток. Большое сопротивление вызывает потери электроэнергии, при предельных нагрузках проводник будет сильнее нагреваться, а его изоляция преждевременно стареть. Алюминиевая проводка не является безопасной, поскольку при ослабленном контакте, характерном для этого металла, риск возникновения пожара очень велик.

Кроме того, современные нагрузки на бытовую электропроводку существенно возросли. Огромное количество электроприборов в современном доме привело к тому, что люди начали устанавливать по 5 и даже больше розеток в одном месте, тогда как ранее устанавливали одну. В таком случае розетки соединяют шлейфом, что достаточно сложно сделать алюминиевым проводом. Алюминиевая проводка не позволяет использовать такие мощные приборы как индукционные варочные поверхности, печи, автоматические стиральные машины и другие мощные приборы. И даже современные люстры, монтаж которых не требует высокой мощности, часто не могут устанавливаться при помощи алюминиевых проводов поскольку изготовлены с медными вступительными концами, которые нельзя соединять с алюминием. Поэтому сегодня во время электромонтажных работ чаще всего используют именно медную электропроводку.

Все это позволяет утверждать, что проводку в жилых домах и офисных помещениях необходимо прокладывать, используя медные провода и кабели. А старые проводки, смонтированные с использованием алюминиевых проводников, целесообразно заменить на медные.

Алюминиевые кабели используют при проектировании мощных трасс большой протяженности, поскольку затраты на медь могут значительно увеличить стоимость проекта электроснабжения. Алюминий активно используется при строительстве высоковольтных линий, для обустройства воздушных линий электропередачи, на промышленных объектах, при подведении электроэнергии к домам и подключения конечных потребителей к общим электрическим сетям.

Также алюминий широко применяется для кабелей сечением более 16 мм². Это позволяет сделать электромонтаж дешевле, а отрицательные свойства алюминия при таких сечениях менее заметны.

Алюминиевые обмоточные провода могут применяться при производстве маломощных трансформаторов, электродвигателей и других электрических машин.

А алюминиевая проводка может использоваться во временных зданиях и сооружениях, срок эксплуатации которой не превышает двух лет. Также, в целях экономии, алюминий можно использовать при подведении электричества к розеткам и выключателям.

Как видим все преимущества и недостатки этих двух металлов разграничили сферы их применения. И сделали кабельно-проводниковые изделия с жилами из алюминия и меди до сих пор наиболее востребованными во всем мире.

Перспективы

Конкуренция между медными и алюминиевыми проводами существует давно. И при всех преимуществах применения меди, наука все чаще обращает свои взоры на алюминий. Это доступное и недорогое сырье на фоне истощения мировых запасов меди имеет весьма привлекательную цену и существенно удешевляет прокладку электрических линий. Поэтому одним из направлений развития производства кабельно-проводниковой продукции является создание алюминиевых сплавов с содержанием небольшого количества железа и меди, призванных повысить гибкость алюминиевых проводников и обеспечить их надежное контактное соединение с устройствами.

По мнению некоторых экспертов применение новых материалов может позволить создавать новые кабели и провода увеличенного рабочего ресурса при относительно невысокой стоимости. А конкуренция на рынке будет только способствовать повышению качества кабельной продукции.

При этом следует учитывать, что все комплектующие и фурнитура на сегодняшний день приспособлены под медные провода. И при замене существующего провода на новый сплав придется менять также марку соединителей и розеток. Кроме того, кабель из алюминиевого сплава при одинаковой проводимости с медным, имеет увеличенное сечение и больший диаметр. А уже построенные шахты и стойки существующих жилых домов на это не рассчитаны.

В мире алюминиевые сплавы при прокладке проводок в жилых помещениях применяются уже десятки лет. Однако их доля на рынке невелика. Например, в США, Европе и Китае она составляет около 30%. Массового спроса на алюминиевые сплавы пока нет. И несмотря на то, что такие кабели дешевле и легче медных при одинаковой с ними проводимости, вытеснить медь алюминиевом сплаву пока так и не удалось.

Поделиться

Видеоурок «Физические свойства металлов»

§ 2 Общие физические свойства металлов Пластичность– способность металла изменять форму под действием внешних сил без разрушения и сохранять ее после прекращения воздействия. При воздействии на металлическую кристаллическую решетку происходит смещение слоев атом-ионов металла относительно друг друга без разрыва связей, поэтому для них характерна высокая пластичность.

Наиболее пластичные металлы: золото, серебро, медь, олово, свинец. Например из 1 г золота можно получить тончайшую проволоку длиной около 3 км или же лист, способный покрыть потолок трехкомнатной квартиры площадью около 50 м2. Тончайшие листы золота, толщиной от 1 мкм до 3 мкм, называют сусальным золотом. Его применяют для декоративной отделки изделий, изготовленных в основном из дерева. Листочками сусального золота оклеивают резные деревянные рельефы, предназначенные для украшения интерьеров дворцов, храмов, дорогой мебели.

Электропроводность – свойство вещества проводить электрический ток.

В металлической кристаллической решетке присутствуют свободные электроны, которые при обычных условиях двигаются в беспорядке, а при попадании в электрическое поле начинают двигаться направлено, в результате чего возникает электрический ток.

Наибольшей электропроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо;

а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть. При повышении температуры электропроводность металлов уменьшается, это объясняется усилением колебательного движения атомов-ионов металлов, что затрудняет направленное движение электронов. При понижении температуры электропроводность увеличивается и вблизи абсолютного нуля переходит в сверхпроводимость. Медь и алюминий наиболее доступные металлы, поэтому их используют в виде проводников электрического тока.

Теплопроводность – способность металла передавать теплоту от более нагретых его частей менее нагретым. Это свойство металлов также объясняется подвижностью свободных электронов, они при движении сталкиваются с колеблющимися в узлах решетки ионами и обмениваются с ними энергией.

При повышении температуры колебания одних ионов передаются другим ионам с помощью электронов, и температура всего металлического предмета быстро выравнивается. Теплопроводность металлов изменяется в той же последовательности, что и электропроводность.

Наибольшей теплопроводностью обладают серебро, медь, золото, алюминий, железо; а наименьшей – свинец, марганец, вольфрам и ртуть.

Если одновременно в горячую воду опустить например чайные ложки, изготовленные из серебра, меди, золота, алюминия, железа, то быстрее нагреется ложка из серебра, так как ее теплопроводность выше теплопроводности других металлов, затем медная, золотая, алюминиевая и затем железная ложки.

Положение неметаллов и металлов: таблица Менделеева

По внешним признакам и физическим свойствам не всегда можно выяснить, к какой группе относится химический элемент. Свойства металлов и неметаллов можно определить по расположению в периодической таблице.

Для этого нужно зрительно провести диагональ от бора до астата, от 5 до 85 номера. В правом верхнем углу будут преимущественно находиться неметаллы. Их в таблице меньшинство, всего 22 элемента. Металлы находятся в правой части периодической таблицы наверху — в основном в I, II и III группах.

материалов — алюминий или медь, какой лучше контролировать и поддерживать температуру?

спросил
1 год, 3 месяца назад

Изменено
1 год, 3 месяца назад

Просмотрено
214 раз

$\begingroup$

Друзья, я инженер EE/SW/Controls. Пожалуйста, простите меня за возможно неправильную терминологию.
Я работаю над научно-исследовательским проектом: оборудование химической лаборатории состоит из металлической трубы длиной 2 дюйма, заключенной в изоляционный материал. «Один конец» трубы прикреплен к нагревательному элементу и датчику температуры. Моя работа заключается в контроле температуры трубы. Включая инженеров-механиков и химика, как инженера по системам управления, наша группа обсуждает, из какого материала должна быть труба, будь то алюминий или медь. .С точки зрения управления, более быстрая доставка означает меньшую задержку и лучший контроль.Таким образом, моя интуиция подсказывает использовать алюминиевую трубу, в то время как другие предпочитают медь из-за ее более высокой теплопроводности.

Кто-нибудь может объяснить, чем один лучше другого в данном случае?

Отредактировано
Клип YouTube здесь.
Трубка содержит секцию Газовой хроматографии «Колонка», между «Вход + ловушка» и «Печь». В идеале температура должна быть такой же, как и в духовке, которая изменяется со скоростью до 15°C/сек. В противном случае мы пытаемся поддерживать его при определенной температуре (подлежит уточнению), отличной от «холодной точки». Труба может быть парой алюминиевых пластин с каналами, подумал я.

• материалы
• контрольно-технические
• термодинамика
• теплоперенос
• химико-технологические

$\endgroup$

15

$\begingroup$

Упрощенный анализ для сравнения материалов для различных предельных случаев применения при одинаковой геометрии:

• Требуется максимальная скорость линейного нагрева с электронагревателем фиксированной мощности — минимизация объемного тепловыделения (т. е. удельная теплоемкость * плотность)
• Требуется максимальная скорость рампы охлаждения с охлаждающей жидкостью с фиксированной температурой — минимизация (VolumetricHeat / ThermalConductivity)
• Требуются наилучшие характеристики управления в стационарном режиме или вблизи него — максимизируйте теплопроводность (и, возможно, тепловую массу, но зависит от местоположения и характера шума в тепловой нагрузке)

Алюминий 6061-T6:

• плотность (г/см3) = 2,7
• удельная теплоемкость (Дж/гК) = 0,9
• объемная теплота (Дж/куб. см) = 2,43
• теплопроводность (Вт/мК) = 167·
• КТР (частей на миллион/К) = 24

Медь чистая:

• плотность (г/см3) = 8,9
• удельная теплоемкость (Дж/гК) = 0,385
• объемная теплота (Дж/куб.см) = 3,43
• теплопроводность (Вт/мК) = 385
• КТР (частей на миллион/К) = 17

Редактировать #1, от OP @jay

1. Если бы объем трубы был таким же, алюминий был бы более эффективным для передачи тепла от одного конца к другому. Если бы вес трубы был таким же, медь была бы более эффективной.
2. Поскольку длина/форма трубы ограничены механической структурой, объем имеет большее значение.
3. Таким образом, я бы выбрал алюминиевую трубу, если бы я доверял своему контроллеру.
4. Я бы выбрал медную трубу из-за меньшего влияния помех (например, от окружающей среды), если бы производительность контроллера не учитывалась.

Правка №2 из OP jay

Однако на практике и с точки зрения механического проектирования:

Для 2, если вы строите из трубы/трубы, существует конечное количество конкретных вариантов толщины стенки. Так что просто составьте таблицу объемной теплоемкости в Дж/К для вариантов с заданными механическими ограничениями. Это повлияет на оставшийся анализ, но не обязательно является фактором, ограничивающим производительность. Часто нет.

Действие контроллера зависит от размещения нагревателя и датчика.

Если вы не уверены, что делаете, то большая тепловая масса с медленным откликом может оказаться более практичной, чем что-то легкое и агрессивно настроенное.

$\endgroup$

9

$\begingroup$

Если вы контролируете температуру трубы (для меня это означает температуру стенки трубы), я не думаю, что это имеет значение. Чугунная труба не изменит температуру так быстро, но это относится как к тому, что вы делаете для контроля температуры трубы, так и к изменениям температуры трубы из-за окружающей среды и жидкостей, проходящих через нее. Все, что изменится, это настройка вашей петли.

$\endgroup$

1

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Удельная тепловая энергия | ТЕПЛО~ МИР ФИЗИКИ

Теплоемкость и Удельная теплоемкость

Количество тепловой энергии, необходимое для изменения температуры вещества, зависит от:
(а) что представляет собой вещество
(б) сколько он нагревается
(c) какое повышение температуры происходит

Тепловая энергия, необходимая для повышения температуры объекта на 1 К, называется ТЕПЛОЕМКОСТЬЮ объекта.

УДЕЛЬНАЯ ТЕПЛОЕМКОСТЬ вещества – это количество тепла, необходимое для повышения температуры 1 кг вещества на 1 К (или на 1   ^o C)

Удельная теплоемкость обозначена символом c. Единицы для c: Дж/(кг K) или Дж/(кг ^o C).
Значения удельной теплоемкости некоторых распространенных веществ приведены в следующей таблице:

Помните, что вещества с высокой удельной теплоемкостью требуют много тепловой энергии и поэтому долго нагреваются, а также долго остывают.