سیم و کابل برق از چه فلزی ساخته می‌شود؟ به منظور تعیین بهترین فلز برای ساختن سیم و کابل برق باید جدول تناوبی عناصر را بررسی کنیم تا بتوانیم توضیح دهیم کدام فلزات الکتریسیته را بهتر هدایت می‌کنند. هدایت جریان الکتریکی در سطح یک ماده به تعداد الکترون‌های آزاد در لایه ظرفیت اتم‌های آن بستگی دارد. با ما در تکه کابل با ما تا انتهای این مطلب همراه باشید.
رسانایی الکتریکی در سطح فلزات چگونه رخ می‌دهد؟
در بیشتر موارد، هادی‌ها یک یا دو (گاهی اوقات سه) الکترون آزاد در لایه ظرفیت اتم‌های خود دارند. مس، طلا، پلاتین و نقره دارای یک الکترون ظرفیت هستند. آهن دو الکترون ظرفیت دارد و آلومینیوم اگرچه دارای سه الکترون ظرفیتی است، اما یک رسانای عالی به شمار می‌رود. عناصری که در لایه ظرفیت اتم‌های خود چهار الکترون دارند در گروه مواد نیمه هادی قرار می‌گیرند. بنابراین بهتر است برای ساختن سیم و کابل برق از فلزاتی استفاده کنیم که تنها یک الکترون ظرفیتی دارند. پیوند فلزی بین اتم‌های یک عنصر فلزی عاملی است که سبب هدایت جریان الکتریسیته می‌شود. در یک پیوند فلزی، اتم‌های فلز توسط «دریایی از الکترونها» که دائماً در حال حرکت هستند، احاطه شدهاند. این دریای متحرک از الکترون‌های آزاد حرکت جریان الکتریسیته از میان یون‌ها را تسهیل می‌کند. به این ترتیب پیوند فلزی هدایت جریان الکتریسیته را بر عهده می‌گیرد. با توجه به اینکه تمامی فلزات دارای پیوند فلزی بین اتم‌های خود هستند، بنابراین قادرند جریان الکتریسیته را حتی به صورت جزئی انتقال دهند. اما همان گونه که گفته شد فلزاتی که دارای یک اتم در لایه ظرفیت خود هستند (به غیر از آلومینیوم) رسانایی بسیار بهتری دارند.
کدام فلز بهترین رسانای الکتریسیته است؟
از زمان ساخت نخستین سیم و کابل‌های فلزی آزمایشات زیادی انجام شد تا بهینه‌ترین عناصر فلزی برای ساخت هادی‌های الکتریکی انتخاب شود. برای این که بتوان بهترین رسانای الکتریکی را انتخاب کرد، علاوه بر قابلیت تحرک الکترون‌های لایه ظرفیت به میزان مقاومت فلزات نیز باید توجه نمود. بر اساس آزمایشاتی که در شرایط یکسان (عناصر خالص و از نظر شکل و اندازه مشابه باشند) بر روی فلزات مختلف انجام شده است، 13 مورد از فلزات به ترتیب از بهترین رسانا تا ضعیف‌ترین هادی الکتریکی در زیر لیست شده است.
| رتبه | بهترین فلز برای ساخت سیم و کابل برق |
| 1 | نقره |
| 2 | فلز مس |
| 3 | طلا |
| 4 | آلومینیوم |
| 5 | فلز روی |
| 6 | نیکل |
| 7 | برنج |
| 8 | برنز |
| 9 | اهن |
| 10 | پلاتین |
| 11 | فولاد |
| 12 | سرب |
| 13 | فولاد ضد زنگ |
نقره؛ بهترین رسانای فلزی برای ساخت سیم و کابل برق
شاید این مسئله که نقره را به عنوان سیم و کابل‌های رایج برق مشاهده نمی‌کنیم، گروهی را به این اشتباه بیاندازد که نقره هدایت الکتریکی ضعیفی دارد. اما در واقع علت عدم استفاده از نقره به عنوان رسانای الکتریکی قیمت بسیار بالای آن نسبت به سایر فلزات است. به همین منظور تنها در مواردی که ضرورت‌های ساختاری ایجاب می‌کند از نقره به عنوان رسانای الکتریکی استفاده می‌شود (مانند ساخت CPU یا سایر قطعات الکترونیکی حساس). نقره بهترین رسانای الکتریسیته است زیرا حاوی تعداد بیشتری الکترون متحرک (الکترون آزاد) است. برای اینکه یک ماده رسانای خوبی باشد، الکتریسیته عبوری از آن باید بتواند الکترونها را به حرکت درآورد. هرچه الکترون‌های آزاد در یک فلز بیشتر باشد، رسانایی آن بیشتر است.
مس؛ رایج ترین فلز برای ساخت سیم و کابل برق
اگرچه رسانایی الکتریکی مس نسبت به نقره پایین‌تر است اما ویژگی‌های جانبی آن، علی الخصوص ارزان‌تر و در دسترس بودن آن، سبب می‌شود که مناسب‌ترین فلز برای ساخت سیم و کابل برق در نظر گرفته شود. فلز مس همچنین به علت قابلیت شکل پذیری بسیار بالا و مقاومت مناسب در برابر حرارت امکانات زیادی را در اختیار طراحان سیم و کابل برق قرار می‌دهد. فرایند سیم کشی و اجرای عملیات با سیم‌های مسی نیز بسیار ساده است زیرا می‌توان آن‌ها را به راحتی لحیم یا به روش مکانیکی به یکدیگر متصل کرد. اکثر سیم‌ها با روکش مسی هستند و هسته‌های الکترومغناطیس معمولاً با سیم مسی پیچیده می‌شوند.
طلا؛ گرانترین فلز برای ساخت سیم و کابل برق
فلز طلا از نظر قابلیت رسانایی جریان الکتریسیته عملکرد بسیار مناسبی دارد و تحت تأثیر عوامل فرساینده قرار نمی‌گیرد. لذا ماندگاری آن بسیار بالاتر از سایر انواع فلزات رساناست. اما گران بودن آن سبب می‌شود تا برای کاربرد‌های معمولی، از استفاده از این فلز گران بها چشم پوشی کنیم. تنها در مواردی که نیازهای کاربری ایجاب می‌کند تا از فلزی با مقاومت بالا در برابر اکسیداسیون و خوردگی به همراه رسانایی بالا استفاده شود، می‌توانیم طلا را به عنوان رسانای الکتریکی استفاده نماییم. این قبیل کاربردها اغلب در ساخت ریزتراشه‌های هوشمند مشاهده می‌شود.
آلومینیوم؛ مقرون به صرفه ترین فلز برای ساخت سیم و کابل برق
طی سال‌های جنگ سرد فلز آلومینیوم محبوب‌ترین فلز برای ساخت سیم و کابل برق در کشور‌های بلوک شرق به حساب می‌آمد، علت هم رسانایی بالا (تنها 60 درصد مس) و مقرون به صرفه بودن آن بود. اما مشکلات از جایی شروع می‌شود که به مرور زمان آلومینیوم در اتصالات الکتریکی یک سطح اکسیدی مقاوم در برابر جریان الکتریکی ایجاد می‌کند که می‌تواند باعث گرم شدن بیش از حد اتصال شود. این پدیده ضمن افت ولتاژ خطر آتش سوزی و تخریب تأسیسات را نیز در پی دارد. به همین علت امروزه از آلومینیوم تنها برای مسافت طولانی، انتقال و توزیع برق با ولتاژ بالا و خطوط انتقال فشار قوی که برای حفاظت بیشتر در فولاد محصور شدهاند استفاده می‌گردد.
تنگستن؛ مقاوم‌ترین فلز برای ساخت سیم و کابل برق
هرچند در لیست بهترین فلزات رسانای جریان الکتریکی نام فلز تنگستن به چشم نمی‌خورد، اما در برخی از کاربرد‌های صنعتی حساس، تنها گزینه قابل اطمینان به منظور هدایت جریان الکتریکی تنگستن یا wolfram است. این فلز که به سبب مقاومت بالای آن تا مدت‌ها به عنوان رشته‌های نسوز در لامپ‌های رشته‌ای مورد استفاده قرار می‌گرفت، مقاومت خارق العاده‌ای در برابر حرارت از خود نشان می‌دهد. همچنین در برابر سایش و آسیب‌های مکانیکی ویژگی‌های منحصر به فردی دارد. به همین دلیل در کاربرد‌هایی که سایر فلزات قادر به تحمل حرارت موجود در محیط استفاده نیستند، تنگستن علی رغم رسانایی ضعیف‌تر آن، تنها گزینه قابل استفاده است زیرا بالاترین نقطه ذوب را در بین سایر فلزات دارد. سیم و کابل برق از جنس فلز تنگستن می‌تواند گران باشد، به همین دلیل تنها در جایی استفاده می‌شود که هیچ فلز دیگری قادر به تحمل دمای بالا نیست.
فولاد ضد زنگ؛ ضعیف ترین رسانای فلزی برای ساخت سیم و کابر برق
شاید برای شما سوال باشد که چرا از فولاد ضد زنگ، علی رغم رسانایی پایین آن همچنان برای ساخت سیم و کابل برق استفاده می‌شود. پاسخ در ویژگی‌های فیزیکی و ساختاری این فلز است. فولاد ضد زنگ با گرید 304 و 316 متداول‌ترین انواع فولاد ضدزنگ (استنلس استیل) هستند که در صنایع مورد استفاده قرار می‌گیرند. این فلز در برابر شرایط تهاجمی محیط آسیب پذیری و خورندگی بسیار کمی دارد به همین دلیل از آن‌ها برای روکش کردن کابل‌های هوایی و زمینی (به خصوص کابل‌های آلومینیومی) استفاده می‌شود.
سخن پایانی
ما در این مطلب از تکه کابل سعی کردیم درباره ساخت سیم و کابل صحبت کنیم. آیا مطلبی که گفتیم برای شما مفید بود؟ چه اطلاعات دیگری در این زمینه دارید؟ لطفا نظرات و تجربیات خود را با ما در قسمت دیدگاه‌ها به اشتراک بگذارید.
1691 بازدید
الهه زینالی
