Kupferleiter und Eigenschaften von Kupfer

Kupfer wird seit der Erfindung des Elektromagneten und des Telegraphen in den 1820er Jahren in Drähten verwendet. Die Erfindung des Telefons im Jahr 1876 verstärkte den Bedarf an Kupferdraht als elektrischem Leiter weiter.Kupfer ist ein elektrischer Leiter in vielen Drahtarten. Kupferdraht wird in der Erzeugung, Übertragung, Verteilung, Telekommunikation, in elektronischen Schaltungen und unzähligen Arten von Elektrogeräten verwendet. Kupfer und seine Legierungen werden auch zur Herstellung elektrischer Kontakte verwendet. Drähte in Gebäuden sind der wichtigste Absatzmarkt für die Kupferindustrie. Rund die Hälfte des geförderten Kupfers wird zur Herstellung von Draht- und Kabelleitern verwendet.

Eigenschaften von Kupfer

Elektrische Leitfähigkeit:

Die elektrische Leitfähigkeit misst die Fähigkeit eines Materials, elektrische Ladung zu transportieren. Dies ist eine grundlegende Eigenschaft in elektrischen Verdrahtungssystemen. Kupfer hat die höchste Leitfähigkeit aller unedlen Metalle: bei 20 °C beträgt der spezifische Widerstand von Kupfer = 16,78 nΩ•m.Die Festmetalltheorie hilft, die ungewöhnlich hohe elektrische Leitfähigkeit von Kupfer zu erklären. Bei Kupferatomen ist das äußerste 4s-Energieband oder Leitungsband nur halb gefüllt, so dass viele Elektronen in der Lage sind, Strom zu transportieren. Wenn ein elektrisches Feld an das angelegt wird Kupferdraht wird die Leitung von Elektronen zum positiven Anschluss beschleunigt, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. Diese Elektronen treffen auf Widerstand, indem sie mit Fremdatomen, Leerstellen, Gitterionen und Defekten kollidieren. Die durchschnittliche Distanz, die zwischen Kollisionen zurückgelegt wird, definiert als ' Die mittlere freie Weglänge' ist umgekehrt proportional zum spezifischen Widerstand des Metalls. Kupfer ist einzigartig in seiner langen mittleren freien Weglänge (ungefähr 100 Atomabstände bei Raumtemperatur). Wenn das Kupfer abkühlt, bedeutet dies, dass die freie Weglänge schnell zunimmt.

Aufgrund seiner hervorragenden Leitfähigkeit wird geglühtes Kupfer zum internationalen Standard für alle anderen elektrischen Leiter. 1913 definierte die International Electrotechnical Commission die Leitfähigkeit von kommerziell reinem Kupfer in ihrem International Standard for Annealed Copper als 100 % IACS = 58,0 MS/m, mit ein Abfall von 0,393 %/°C bei 20 °C. Da sich die kommerzielle Reinheit im letzten Jahrhundert verbessert hat, übertreffen Kupferleiter, die in elektrischen Gebäudeleitungen verwendet werden, im Allgemeinen den IACS-Standard von 100 % geringfügig.

Die primäre Kupferqualität, die für elektrische Anwendungen verwendet wird, ist elektrolytisch gehärtetes (ETP) Kupfer (CW004A oder ASTM Nr. C11040).Dieses Kupfer ist zu mindestens 99,90 % rein und hat eine Leitfähigkeit von mindestens 101 % IACS. ETP-Kupfer enthält eine geringe Menge Sauerstoff (0,02 bis 0,04 %). , kann extra reines sauerstofffreies Kupfer (CW008A oder ASTM-Bezeichnung C10100) verwendet werden; es erhöht die Leitfähigkeit um etwa 1 % (dh auf mindestens 101 % IACS).

Mehrere leitfähige Metalle haben eine geringere Dichte als Kupfer, erfordern jedoch größere Querschnitte, um den gleichen Strom zu führen, und sind möglicherweise nicht verfügbar, wenn begrenzter Platz die Hauptanforderung ist. Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium beträgt 61 % der von Kupfer. Für den gleichen Strom Tragfähigkeit muss die Querschnittsfläche von Aluminiumleitern um 56 % größer sein als die von Kupfer. Die Notwendigkeit, die Dicke von Aluminiumdraht zu erhöhen, schränkt seine Verwendung in vielen Anwendungen ein, z. B. in kleinen Elektromotoren und Automobilen.Bei manchen Anwendungen, wie Freileitungs-Stromübertragungskabeln, überwiegt jedoch Aluminium, während Kupfer selten verwendet wird.

Silber ist ein Edelmetall und das einzige Metall mit einer höheren Leitfähigkeit als Kupfer. Die Leitfähigkeit von Silber beträgt 106 % der von geglühtem Kupfer auf der IACS-Skala und der spezifische Widerstand von Silber bei 20 °C = 15,9 nΩ•m. Der Höchstwert Die Kosten von Silber und seine geringe Zugfestigkeit schränken seinen Einsatz in speziellen Anwendungen wie Verbindungsbeschichtungen und Gleitkontaktflächen sowie in hochwertigen Koaxialkabeln für Frequenzen über 30 MHz ein.Leiterplattierung.