ในชีวิตประจำวันของเรา สายไฟและสายเคเบิลที่เราเผชิญมักเป็นอุปสรรคในการเลือกใช้วัสดุ โลหะบางชนิดไม่สามารถทำหน้าที่ให้กระแสไหลได้อย่างราบรื่น แล้วใครล่ะที่เหมาะสมที่สุด? คำตอบย่อมเกี่ยวข้องกับเงิน ทองแดง และอะลูมิเนียม
เงินมีค่าการนำไฟฟ้าที่แข็งแกร่งที่สุด ตามทฤษฎีแล้ว การใช้เงินสำหรับสายเคเบิลสามารถทำให้อิเล็กตรอนแข่งขันได้เหมือนกับรถแข่ง อย่างไรก็ตาม ปัญหาคือเงินมีราคาแพงเกินไป คนส่วนใหญ่ไม่สามารถจ่ายได้ เฉพาะอุปกรณ์ที่มีความต้องการสัญญาณสูงมาก เช่น สายสัญญาณเสียงชั้นนำและเครื่องดนตรีที่สำคัญบางอย่างเท่านั้นที่ยินดีใช้สีเงิน คนส่วนใหญ่เลือกทองแดง ทองแดงมีอัตราการนำไฟฟ้ารองจากเงินเท่านั้น และยังทนทานและแปรรูปได้ง่ายอีกด้วย โรงไฟฟ้า โทรคมนาคม และวงจรในครัวเรือน สายหลักเหล่านี้ส่วนใหญ่ใช้ทองแดง
ค่าการนำไฟฟ้าของอะลูมิเนียมมีค่าการนำไฟฟ้าเพียงประมาณ 60% ของทองแดงเท่านั้น ดูเหมือนว่าจะขาดไปสักหน่อยใช่ไหม? แต่อะลูมิเนียมมีน้ำหนักเบา โดยมีความหนาแน่นเพียงหนึ่ง-ในสามของทองแดง นอกจากนี้ยังมีค่าใช้จ่ายน้อยกว่าในแง่ของต้นทุน ตัวอย่างเช่น ในสายไฟฟ้าแรงสูง-และระบบส่งไฟฟ้าแรงสูงพิเศษ- แทนที่จะใช้ทองแดง จะใช้อะลูมิเนียมแทน เพราะการขยายระยะทางและการลดน้ำหนักมีความสำคัญมากกว่าการนำไฟฟ้า นอกจากนี้อลูมิเนียมอัลลอยด์ยังสามารถเสริมกำลังได้อีกด้วย ในหลายภูมิภาคของออสเตรเลียและอเมริกาเหนือ สายไฟเหนือศีรษะจำนวนมากชอบอะลูมิเนียม
คุณสมบัติของวัสดุนั้นเป็นตัวกำหนดบรรทัดล่างของตัวนำ ในระดับอะตอม ยิ่งอิเล็กตรอนชั้นนอกมีปฏิกิริยามากเท่าไร วัสดุก็จะยิ่งปล่อยให้กระแสไหลได้อย่างรวดเร็วมากขึ้นเท่านั้น แต่ความจริงก็ไม่ง่ายขนาดนั้น เมื่อความบริสุทธิ์เพิ่มขึ้น ประสิทธิภาพก็จะดีขึ้น ไม่ว่าจะเป็นทองแดงหรืออะลูมิเนียม ยิ่งมีสิ่งเจือปนมากขึ้น ก็เหมือนกับการกีดขวางสิ่งกีดขวางบนทางหลวง เมื่ออิเล็กตรอนพบกับออกซิเจน ฟอสฟอรัส และอะตอมเจือปนอื่นๆ ไปได้ครึ่งทาง พวกมันจะ "ติดอยู่" และความต้านทานจะเพิ่มขึ้นทันที ทองแดงปราศจากออกซิเจน-ที่มีความบริสุทธิ์สูง-สามารถทำความสะอาดสิ่งสกปรกเหล่านี้ได้อย่างทั่วถึง ดังนั้นจึงเป็นที่นิยมอย่างมากในสายสัญญาณเสียงและสายวัด
เมื่อพูดถึงการประมวลผล กระบวนการที่แตกต่างกันยังทำให้วัสดุมีประสิทธิภาพแตกต่างกันอีกด้วย ตัวอย่างเช่น เมื่อดึงทองแดง โครงสร้างผลึกจะยืดออก และเกิดข้อบกพร่องและการบิดเบี้ยวต่างๆ พื้นที่ที่ผิดรูปเหล่านี้เป็นศัตรูของอิเล็กตรอน โดยมีความน่าจะเป็นในการกระเจิงสูงและมีความต้านทานสูง การอบอ่อนสามารถ "แก้ไข" ข้อบกพร่องเหล่านี้ได้ ทำให้เมล็ดหยาบและสม่ำเสมอมากขึ้น และค่าการนำไฟฟ้าก็-ดีขึ้นอีกครั้ง ความแตกต่างระหว่าง "ทองแดงอ่อน" และ "ทองแดงแข็ง" ในตลาดอยู่ที่นี่ ทองแดงอ่อนเป็นผลมาจากการหลอม และค่าการนำไฟฟ้าจะดีกว่า
เมื่อพูดถึงการส่งสัญญาณกระแสสลับ โดยเฉพาะสัญญาณความถี่สูง- กระแสไฟฟ้าจะไม่กระจายเท่าๆ กันอีกต่อไป แต่มุ่งความสนใจไปที่พื้นผิวของตัวนำ สิ่งนี้เรียกว่าเอฟเฟกต์ผิวหนัง เมื่อสัญญาณเดินทางบนพื้นผิว ประสิทธิภาพการนำไฟฟ้าของชั้นผิวของวัสดุจะมีความสำคัญมากขึ้น ดังนั้น สายเคเบิลความถี่วิทยุจำนวนมากจึงเลือกโครงสร้างคอมโพสิตของทองแดงหุ้มทองแดง-อะลูมิเนียมหุ้มหรือเงิน-หุ้ม สิ่งนี้สามารถรับประกันการนำไฟฟ้าที่สูงบนชั้นนอกในขณะที่ควบคุมต้นทุนและน้ำหนัก ตัวอย่างเช่น ในการเดินสายศูนย์ข้อมูลและการส่งสัญญาณอุปกรณ์ความถี่สูง- สายเคเบิลคอมโพสิตนี้มีการใช้กันมากขึ้น
การเลือกใช้วัสดุตัวนำไฟฟ้าที่แตกต่างกันไม่ได้ขึ้นอยู่กับว่าใครดำเนินการได้เร็วกว่าเท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับข้อกำหนดที่แท้จริงของสถานที่เกิดเหตุและงบประมาณด้วย วิศวกรมักจะต้องสร้างสมดุลรูปสามเหลี่ยมระหว่างประสิทธิภาพ ความน่าเชื่อถือ และความประหยัด ตัวอย่างเช่น ในสายสัญญาณของรถไฟใต้ดินในเมือง ไม่สามารถใช้อลูมิเนียมได้ เนื่องจากความต้านทานแรงดึงและความเสถียรของสัญญาณเป็นสิ่งสำคัญที่สุด แต่สำหรับสายส่งไฟฟ้าระยะไกล-ในพื้นที่ชนบท อะลูมิเนียมกลายเป็นตัวเลือกที่ต้องการ ตัวอย่างเช่น สายไฟบางสายของชินคันเซ็นของญี่ปุ่นใช้โครงสร้างอะลูมิเนียมหุ้มทองแดง- เพื่อสร้างความสมดุลระหว่างความแข็งแกร่งและระบบส่งกำลัง
ไม่เพียงแต่สายเคเบิลเท่านั้น แต่อุตสาหกรรมไฟฟ้ายังมีแนวโน้มใหม่อีกด้วย ในด้านยานพาหนะไฟฟ้า ความต้องการวัสดุน้ำหนักเบาทำให้สายเคเบิลอะลูมิเนียมได้รับความนิยม แต่รถยนต์พลังงานใหม่-ระดับไฮเอนด์บางรุ่นยังคงยืนกรานที่จะใช้ทองแดงที่มีความบริสุทธิ์สูง- บางคนบอกว่าอลูมิเนียมจะมาแทนที่ทองแดง แต่ในความเป็นจริงแล้ว ทั้งสองอย่างนี้มีประโยชน์ในตัวเอง
