انتخاب فلز مناسب به عنوان هادی در ساخت سیم و کابل، تصمیمی حیاتی است که مستقیماً بر کارایی (Efficiency)، پایداری بلندمدت (Longevity) و ایمنی (Safety) سیستم‌های الکتریکی تأثیر می‌گذارد. اگرچه مس و آلومینیوم هر دو رسانای عالی الکتریسیته محسوب می‌شوند، اما تفاوت‌های بنیادی در خواص فیزیکی، مکانیکی و شیمیایی آن‌ها، کاربردهایشان را در صنعت به طور واضح تقسیم می‌کند. معیارهای کلیدی که مهندسان برای مقایسه این دو فلز در نظر می‌گیرند شامل رسانایی الکتریکی، خواص مکانیکی (مانند استحکام و انعطاف‌پذیری)، چگالی (وزن)، مقاومت در برابر خوردگی و ملاحظات اقتصادی است.
برتری مس در سیم و کابل‌های عمومی و ساختمانی، عمدتاً ریشه در خواص الکتریکی برتر و پایداری اتصالات آن دارد، که مستقیماً به ایمنی بلندمدت مربوط می‌شود. برای ارزیابی عملکرد الکتریکی، از استاندارد بین‌المللی مس آنیل شده (IACS) استفاده می‌شود. مس خالص آنیل شده به عنوان معیار مرجع، با ۱۰۰٪ رسانایی تعریف می‌شود. مس پس از نقره، بهترین رسانای شناخته‌شده است.
مس دارای رتبه‌بندی ۱۰۰٪ IACS است و به همین دلیل امکان انتقال جریان الکتریکی با حداقل مقاومت و افت ولتاژ را فراهم می‌آورد. در مقابل، آلومینیوم با رسانایی حدود ۶۱٪ IACS از مس عقب‌تر است. این اختلاف به معنای مقاومت بالاتر آلومینیوم است، که باعث می‌شود الکترون‌ها هنگام عبور از آن با مخالفت بیشتری مواجه شوند.
برای جبران این شکاف رسانایی و دستیابی به ظرفیت حمل جریان (Ampacity) مس، هادی آلومینیومی معمولاً باید سطح مقطعی حدود ۱.۵ تا ۱.۶ برابر بزرگتر داشته باشد. اگرچه این جبران، عملکرد الکتریکی را برابر می‌کند، اما مستقیماً منجر به افزایش اندازه کلی کابل، نیاز به کانال‌کشی بزرگتر و افزایش هزینه عایق می‌شود.
مقاومت بالاتر آلومینیوم باعث می‌شود انرژی بیشتری به شکل گرما تلف شود. این اتلاف انرژی در فواصل طولانی یا سیستم‌هایی که بازده انرژی در آن‌ها اولویت دارد، بسیار مهم است و می‌تواند هزینه‌های عملیاتی را به طور تجمعی در طول عمر پروژه افزایش دهد.
همچنین، مس در برابر جریان‌های لحظه‌ای و اتصال کوتاه پایداری حرارتی بالاتری نشان می‌دهد. برای مثال، یک کابل مسی با سطح مقطع ۲۵ میلیمتر مربع، ظرفیت تحمل اتصال کوتاه ۴۰۰۰ آمپر را برای یک ثانیه داراست، در حالی که کابل آلومینیومی با همان سطح مقطع، تنها ۲۵۰۰ آمپر را تحمل می‌کند. این تفاوت نشان‌دهنده توانایی مس در مدیریت تنش‌های حرارتی ناگهانی در سیستم است.
در حالی که مس برتری الکتریکی دارد، آلومینیوم مزیت‌های فیزیکی مهمی در زمینه وزن و چگالی ارائه می‌دهد که کاربرد آن را در خطوط انتقال هوایی توجیه می‌کند.
چگالی آلومینیوم (حدود ۲.۷ گرم بر سانتی‌متر مکعب) تقریباً ۳۰.۵ درصد چگالی مس (۸.۹۶ گرم بر سانتی‌متر مکعب) است. این سبک بودن، مهم‌ترین مزیت استراتژیک آلومینیوم در پروژه‌های بزرگ محسوب می‌شود، زیرا استفاده از آن در خطوط انتقال برق فشار قوی و کابل‌های هوایی، وزن کلی سازه را به شدت کاهش داده و نیاز به دکل‌های سنگین و گران‌قیمت را مرتفع می‌سازد.
برای دانستن وزن کابل‌های آلومینیومی خراسان افشارنژاد و داشتن تخمین ذهنی بهتر از وزن این کابل‌ها، لطفا جدول وزن کابل آلومینیوم خراسان افشارنژاد را بررسی بفرمایید.
مس دارای مقاومت مکانیکی بالا و انعطاف‌پذیری عالی است. این ویژگی‌ها نصب آن را در فضاهای تنگ آسان کرده و آن را در برابر خمش‌های مکرر، ارتعاش و خستگی (Fatigue) با دوام می‌سازد. به همین دلیل، مس برای محیط‌های صنعتی سخت و سیم‌کشی‌های پیچیده داخلی مناسب‌تر است.
آلومینیوم خالص، در مقایسه، انعطاف‌پذیری پایینی دارد و در صورت خم شدن مکرر به راحتی ترک می‌خورد یا می‌شکند، که این امر نصب آن را دشوارتر می‌سازد. با این حال، صنعت تولید سیم و کابل با استفاده از آلیاژهای آلومینیوم (مانند افزودن منیزیم و خاک کمیاب) توانسته است استحکام کششی و انعطاف‌پذیری آن را تا حد زیادی بهبود بخشد.
دو عامل ترمودینامیکی مهم، خزش و انبساط حرارتی، بزرگترین دلایل عدم استفاده از آلومینیوم در سیم‌کشی‌های داخلی است:
آلومینیوم ضریب انبساط حرارتی (CTE) بالاتری نسبت به مس دارد. این بدان معناست که هنگام روشن و خاموش شدن مدار (سیکل‌های سرد و گرم)، آلومینیوم تغییر ابعاد محسوس‌تری را تجربه می‌کند.
خزش (Creep) به تغییر شکل دائمی و تدریجی یک ماده تحت تنش مکانیکی ثابت (مانند فشار پیچ در ترمینال) در دمای عملیاتی اشاره دارد. آلومینیوم خالص مقاومت خزشی ضعیفی دارد. سیکل‌های انبساط و انقباض حرارتی همراه با پدیده خزش، باعث می‌شود آلومینیوم از زیر فشار پیچ عقب‌نشینی کرده و اتصال به مرور زمان سست شود.
توجه: سستی مکانیکی اتصالات، مقاومت تماس را به شدت افزایش داده و عامل اصلی گرم شدن بیش از حد در محل اتصال است.
ریسک‌های مرتبط با آلومینیوم در سیم‌کشی داخلی نه در خود هادی، بلکه به طور فزاینده‌ای در پایداری بلندمدت نقاط اتصال نمایان می‌شود.
این لایه اکسیدی در ترکیب با اتصالات سست (ناشی از خزش و انبساط حرارتی)، مقاومت تماس را به شدت افزایش می‌دهد. افزایش مقاومت منجر به تولید گرمای موضعی شدید شده و خطر آتش‌سوزی در پریزها، کلیدها و وسایل الکتریکی را به دنبال دارد. کمیسیون امنیت کالای مصرفی ایالات متحده (CPSC) گزارش داده است که خانه‌هایی که با سیم‌کشی آلومینیومی قدیمی (مربوط به دوره‌ی ۱۹۶۵ تا ۱۹۷۴) سیم‌کشی شده‌اند، ۵۵ برابر بیشتر در معرض خطر آتش‌سوزی الکتریکی نسبت به سیم‌کشی مسی هستند. (باید توجه داشت که این ریسک در آلومینیوم‌های آلیاژی مدرن بسیار کاهش یافته، اما نیازمند اتصالات تخصصی است.)
آلومینیوم فلزی فعال‌تر از مس است (در سری گالوانیک، آلومینیوم موقعیتی آندی‌تر دارد و مس نجیب‌تر و کاتدی‌تر است). هنگامی که این دو فلز به صورت مستقیم و در حضور یک الکترولیت (مانند رطوبت یا دی‌اکسید کربن هوا) به هم متصل می‌شوند، یک باتری گالوانیکی کوچک تشکیل می‌شود. در این فرایند، آلومینیوم به عنوان آند قربانی، دچار خوردگی الکتروشیمیایی شده و اکسیداسیون آن تسریع می‌شود.
برای اتصال ایمن کابل‌های مسی و آلومینیومی، باید از رابط‌های انتقال مس-آلومینیوم یا کانکتورهای ویژه (مانند AlumiConn) استفاده شود تا از تماس مستقیم و فعال شدن فرآیند خوردگی جلوگیری شود.
انتخاب بین مس و آلومینیوم در نهایت به ملاحظات اقتصادی و شرایط محیطی پروژه بستگی دارد. آلومینیوم به طور قابل توجهی ارزان‌تر از مس است. این مزیت هزینه‌ای در پروژه‌های مقیاس بزرگ، که حجم انبوهی از هادی مورد نیاز است، بسیار تعیین‌کننده است.
آلومینیوم به دلیل وزن سبک و هزینه پایین، انتخابی ایده‌آل برای خطوط انتقال هوایی محسوب می‌شود. در این کاربرد، اغلب از هادی‌های آلومینیومی با هسته فولادی (ACSR) استفاده می‌شود. این ترکیب، مزیت رسانایی آلومینیوم را با استحکام کششی بالای فولاد برای تحمل وزن در دهانه‌های طولانی بین دکل‌ها، ترکیب می‌کند. آلومینیوم همچنین به دلیل مقاومت خوب در برابر خوردگی (در حالت آلیاژی) گزینه مناسبی برای مناطق ساحلی است.
در مقابل، مس به دلیل نیاز به سطح مقطع کوچک‌تر برای انتقال جریان بالا و پایداری ذاتی در برابر خوردگی و تنش‌های مکانیکی، برای سیم‌کشی‌های داخلی ساختمان‌ها، تابلوهای توزیع و تجهیزاتی که نیاز به انتقال مؤثر و مطمئن جریان دارند، اولویت دارد. طول عمر بسیار بالای کابل‌های مسی نیز آن را به انتخابی قابل اعتماد و اقتصادی برای پروژه‌های بلندمدت تبدیل می‌کند.
مس و آلومینیوم هر دو نقش‌های حیاتی و غیرقابل جایگزینی در صنعت برق دارند، اما انتخاب هر یک باید بر اساس الزامات فنی و ایمنی پروژه صورت گیرد.
در نهایت، دلایل اصلی ترجیح مس در سیم‌کشی داخلی و تجهیزات حساس را می‌توان به عوامل زیر نسبت داد:
آلومینیوم، به دلیل سبک وزن بودن و قیمت پایین‌تر، قهرمان خطوط انتقال هوایی و زیرساخت‌های شبکه‌ای در مقیاس بزرگ است، جایی که هزینه‌های مواد اولیه و ساختار پشتیبان، مهم‌تر از نیاز به انعطاف‌پذیری بالا و پایداری اتصالات در مقاطع کوچک است. این تقسیم کار، منطق مهندسی مدرن در انتخاب هادی‌ها بر اساس بهینه‌سازی عملکرد، هزینه و ایمنی است.
سیم‌پیچ‌ها (Windings) اجزای حیاتی در هر ماشین الکتریکی، از جمله موتورها، ژنراتورها و ترانسفورماتورها، هستند…
برق یکی از بزرگترین دستاوردهای بشر است و بدون آن، زندگی مدرن امروز قابل تصور…
سیم و کابل‌های برق یکی از حیاتی‌ترین اجزای زیرساخت‌های الکتریکی در جهان مدرن به شمار…