في حياتنا اليومية، تخفي الأسلاك والكابلات التي نواجهها معركة حول اختيار المواد. لا يمكن لجميع المعادن أن تفي بمهمة السماح للتيار بالتدفق بسلاسة. إذن من هو الأنسب؟ الجواب يشمل حتما الفضة والنحاس والألومنيوم.
الفضة لديها أقوى الموصلية. من الناحية النظرية، استخدام الفضة للكابلات يمكن أن يجعل الإلكترونات تتسابق مثل سيارات السباق. ومع ذلك، المشكلة هي أن الفضة باهظة الثمن. معظم الناس لا يستطيعون تحمله. فقط تلك الأجهزة ذات متطلبات الإشارة العالية للغاية، مثل بعض كابلات الصوت العليا والأدوات المهمة، هي التي تكون على استعداد لاستخدام الفضة. في كثير من الأحيان يختار الناس النحاس. يتمتع النحاس بمعدل موصلية يحتل المرتبة الثانية بعد الفضة، كما أنه متين وسهل المعالجة. محطات توليد الطاقة، والاتصالات، والدوائر المنزلية، يهيمن النحاس في الغالب على هذه الخطوط الرئيسية.
تبلغ موصلية الألومنيوم حوالي 60٪ فقط من موصلية النحاس. يبدو أنها تفتقر إلى حد ما؟ لكن الألومنيوم خفيف الوزن، حيث تبلغ كثافته ثلث-كثافة النحاس فقط. كما أنها أقل تكلفة من حيث التكلفة. على سبيل المثال، في خطوط الكهرباء ذات الارتفاعات العالية- وناقلات الطاقة ذات الجهد العالي الفائق-، بدلاً من استخدام النحاس، يتم استخدام الألومنيوم لأن تمديد المسافة وتقليل الوزن أكثر أهمية من التوصيل. وبالإضافة إلى ذلك، يمكن أيضا تعزيز سبائك الألومنيوم. في العديد من مناطق أستراليا وأمريكا الشمالية، تفضل العديد من خطوط الكهرباء العلوية الألومنيوم.
تحدد خصائص المادة نفسها النتيجة النهائية للموصل. على المستوى الذري، كلما كانت الإلكترونات الخارجية أكثر نشاطًا، كلما زادت قدرة المادة على السماح للتيار بالتدفق بسرعة. لكن الحقيقة ليست بهذه البساطة. ومع زيادة النقاء، يتحسن الأداء. سواء كان النحاس أو الألومنيوم، كلما زادت الشوائب، يشبه الأمر تشويش مجموعة من العوائق على الطريق السريع. عندما تواجه الإلكترونات الأكسجين والفوسفور وذرات الشوائب الأخرى في منتصف الطريق، فإنها سوف "تعلق" وترتفع المقاومة على الفور. يمكن للنحاس عالي النقاء- والخالي من الأكسجين- أن ينظف هذه الشوائب تمامًا، لذلك فهو شائع جدًا في كابلات الصوت والقياس.
عندما يتعلق الأمر بالمعالجة، فإن العمليات المختلفة تجعل المواد تعمل بشكل مختلف. على سبيل المثال، عند سحب النحاس، يستطيل التركيب البلوري وتحدث عيوب وتشوهات مختلفة. هذه المناطق المشوهة هي أعداء للإلكترونات، مع احتمالية تشتت عالية ومقاومة عالية. يمكن أن "تصلح" معالجة التلدين هذه العيوب، مما يجعل الحبوب أكثر خشونة وأكثر تجانسًا، كما يتم تعزيز الموصلية -. الفرق بين "النحاس الناعم" و"النحاس الصلب" في السوق يكمن هنا. النحاس الناعم هو نتيجة التلدين، وموصليته أفضل.
عندما يتعلق الأمر بنقل إشارات التيار المتناوب، وخاصة إشارات التردد العالي-، لم يعد التيار يتوزع بشكل متساوٍ ولكنه يتركز على سطح الموصل. وهذا ما يسمى تأثير الجلد. عندما تنتقل الإشارة على السطح، يصبح أداء التوصيلية للطبقة السطحية للمادة أكثر أهمية. لذلك، تختار العديد من كابلات الترددات الراديوية هيكلًا مركبًا من النحاس-المغطى بالألومنيوم أو النحاس-المغطى بالفضة. وهذا يمكن أن يضمن الموصلية العالية على الطبقة الخارجية مع التحكم في التكلفة والوزن. على سبيل المثال، في توصيلات مراكز البيانات ونقل المعدات عالية التردد-، يتم استخدام هذا الكابل المركب بشكل متزايد.
لا يعتمد اختيار مواد الموصلات المختلفة على من يقوم بالتوصيل بشكل أسرع فحسب، بل يعتمد أيضًا على المتطلبات الفعلية للمشهد والميزانية. غالبًا ما يتعين على المهندسين تحقيق توازن ثلاثي بين الكفاءة والموثوقية والاقتصاد. على سبيل المثال، في خطوط الإشارة لمترو الأنفاق في المناطق الحضرية، لا يمكن استخدام الألومنيوم لأن قوة الشد واستقرار الإشارة هما الأكثر أهمية. ولكن في خطوط نقل الطاقة-الطويلة في المناطق الريفية، يصبح الألومنيوم هو الخيار المفضل. على سبيل المثال، تعتمد بعض خطوط الكهرباء في قطارات الشينكانسن اليابانية أيضًا هيكلًا من الألومنيوم المغطى بالنحاس-، مما يؤدي إلى موازنة القوة ونقل الحركة.
ليس فقط الكابلات، ولكن أيضًا الصناعة الكهربائية لديها اتجاهات جديدة. في مجال السيارات الكهربائية، أدى الطلب على الوزن الخفيف إلى انتشار كابلات الألومنيوم، ولكن بعض -مركبات الطاقة الجديدة المتطورة لا تزال تصر على استخدام-النحاس عالي النقاء. يقول بعض الناس أن الألومنيوم سيحل محل النحاس، ولكن في الواقع، لكل منهما استخداماته الخاصة.
