در زندگی روزمره ما، سیمها و کابلهایی که با آنها مواجه میشویم، در واقع یک جنگ بر سر انتخاب مواد را پنهان میکنند. همه فلزات نمی توانند وظیفه جریان روان را انجام دهند. پس چه کسی مناسب ترین است؟ پاسخ ناگزیر شامل نقره، مس و آلومینیوم است.
نقره قوی ترین رسانایی را دارد. از نظر تئوری، استفاده از نقره برای کابلها میتواند الکترونها را مانند اتومبیلهای مسابقهای به مسابقه تبدیل کند. با این حال، مشکل این است که نقره بسیار گران است. اکثر مردم توان پرداخت آن را ندارند. فقط دستگاههایی که نیاز به سیگنال بسیار بالایی دارند، مانند کابلهای صوتی بالا و ابزارهای مهم، مایل به استفاده از نقره هستند. اغلب مردم مس را انتخاب می کنند. مس بعد از نقره دارای ضریب رسانایی است و همچنین بادوام است و پردازش آن آسان است. نیروگاهها، مخابرات و مدارهای خانگی، این خطوط اصلی عمدتاً تحت سلطه مس هستند.
رسانایی آلومینیوم تنها حدود 60 درصد رسانایی مس است. به نظر می رسد کمی کمبود دارد؟ اما آلومینیوم سبک وزن است و چگالی آن تنها یک-مس است. از نظر هزینه نیز هزینه کمتری دارد. به عنوان مثال، در خطوط برق در ارتفاع بالا و انتقال برق با ولتاژ فوق العاده، به جای استفاده از مس، از آلومینیوم استفاده می شود زیرا افزایش فاصله و کاهش وزن مهمتر از هدایت است. علاوه بر این، آلیاژهای آلومینیوم نیز می توانند تقویت شوند. در بسیاری از مناطق استرالیا و آمریکای شمالی، بسیاری از خطوط برق هوایی، آلومینیوم را ترجیح می دهند.
خواص ماده خود خط پایین هادی را تعیین می کند. در سطح اتمی، هرچه الکترونهای بیرونی فعالتر باشند، ماده بیشتر میتواند به جریان اجازه عبور سریع بدهد. اما حقیقت به این سادگی نیست. با افزایش خلوص، عملکرد بهبود می یابد. چه مس باشد چه آلومینیوم، هر چه ناخالصی ها بیشتر باشد، مانند گیرکردن دسته ای از موانع در بزرگراه است. هنگامی که الکترون ها در نیمه راه با اتم های اکسیژن، فسفر و سایر ناخالصی ها مواجه می شوند، "گیر" می کنند و مقاومت بلافاصله افزایش می یابد. مس بدون اکسیژن-با خلوص بالا میتواند این ناخالصیها را کاملاً پاک کند، بنابراین در کابلهای صدا و اندازهگیری بسیار محبوب است.
وقتی صحبت از پردازش می شود، فرآیندهای مختلف نیز باعث می شود که مواد عملکرد متفاوتی داشته باشند. به عنوان مثال وقتی مس کشیده می شود، ساختار کریستالی کشیده می شود و عیوب و اعوجاج های مختلفی ایجاد می شود. این نواحی تغییر شکل یافته دشمن الکترون ها هستند که احتمال پراکندگی و مقاومت بالایی دارند. عملیات بازپخت میتواند این عیوب را "رفع" کند، دانهها را درشتتر و یکنواختتر میکند، و رسانایی دوباره- افزایش مییابد. تفاوت «مس نرم» و «مس سخت» در بازار در همین جاست. مس نرم حاصل بازپخت شدن است و رسانایی آن بهتر است.
وقتی صحبت از انتقال سیگنالهای جریان متناوب، بهویژه سیگنالهای فرکانس{0}بالا میشود، جریان دیگر به طور یکنواخت توزیع نمیشود، بلکه روی سطح هادی متمرکز میشود. این اثر پوستی نامیده می شود. هنگامی که سیگنال روی سطح حرکت می کند، عملکرد رسانایی لایه سطحی ماده اهمیت بیشتری پیدا می کند. بنابراین، بسیاری از کابلهای فرکانس رادیویی یک ساختار ترکیبی از مس-روکش آلومینیوم یا نقره-مس روکش شده انتخاب میکنند. این می تواند در عین کنترل هزینه و وزن، رسانایی بالایی را در لایه بیرونی تضمین کند. به عنوان مثال، در سیم کشی مرکز داده و انتقال تجهیزات با فرکانس بالا، از این کابل کامپوزیت به طور فزاینده ای استفاده می شود.
انتخاب مواد رسانای مختلف نه تنها بر اساس اینکه چه کسی سریعتر هدایت می کند، بلکه بر اساس نیازهای واقعی صحنه و بودجه است. مهندسان اغلب باید تعادلی مثلثی بین کارایی، قابلیت اطمینان و صرفه جویی ایجاد کنند. به عنوان مثال در خطوط سیگنال مترو شهری نمی توان از آلومینیوم استفاده کرد زیرا مقاومت کششی و پایداری سیگنال از همه مهمتر است. اما در خطوط انتقال برق از راه دور در مناطق روستایی، آلومینیوم انتخاب ارجح است. به عنوان مثال، برخی از خطوط برق شینکانسن ژاپنی ساختار آلومینیومی با روکش مسی- را به کار میگیرند که استحکام و انتقال را متعادل میکند.
نه تنها کابل، بلکه صنعت برق نیز روندهای جدیدی دارد. در زمینه وسایل نقلیه الکتریکی، تقاضا برای سبکوزن منجر به محبوبیت کابلهای آلومینیومی شده است، اما برخی از وسایل نقلیه جدید{1}پر انرژی همچنان اصرار دارند که از مس با خلوص بالا-استفاده کنند. برخی می گویند که آلومینیوم جایگزین مس می شود، اما در واقع هر دو کاربرد خاص خود را دارند.
