Elektrotechnikbausteine/ Schule/ Verwendung von Leitern

Weltmarktpreise für wichtige Metalle

Großhandelspreise Anfang 2008, pro kg, inklusive Mehrwertsteuer

Wichtige Metalle für elektrische Leiter

Material	spezifischer Widerstand	Preis pro kg
Aluminium	0,0278	2,20 €
Feinkupfer (99,9 %)	0,0178	5,00 €
Rohsilber	0,0167	350 €
Gold	0,0220	17.000 €
Platin	?	32.000 €

Vergleich Kupfer und Aluminium

Aluminium ist etwas billiger als Kupfer, hat aber eine geringere Leitfähigkeit. Vergleichen wir doch einmal, wie viel billiger Aluminiumdraht ist. Nach der Formel $R={\frac {\rho *l}{A}}$, wobei R = Widerstand in [Ω], l = Länge des Leiters in [m], A = Querschnittsfläche des Leiters ist, ergibt sich für einen 1000 m langen Draht vom 1 mm² Querschnitt:

Kupfer ($\rho$ = 0,0178)  R = 17,8 Ohm,
Alu    ($\rho$ = 0,0278)  R = 27,8 Ohm,

Wenn wir für den Aludraht den Querschnitt von 1 mm² auf 1,56 mm² erhöhen, verringert sich der Widerstand des Aludrahtes auf 17,8 Ohm, auf den gleichen Wert wie bei Kupfer.

Wie viel kosten die 1 km langen Drähte?

Kupfer: 0,01   cm2 × 100000 cm × 8,9 g/cm3 = 8,9 kg
Alu:    0,0156 cm2 × 100000 cm × 2,7 g/cm3 = 4,2 kg

Bei den oben genannten Preisen kostet der Kupferdraht 8,9 kg × 3,50 € = 31,15 €, der Alu-Draht 2,7 kg × 2,20 € = 9,28 €.

Wir sehen also, dass Kupferdraht mehr als dreimal teurer als Aludraht ist. Warum wird Kupfer trotzdem so viel verwendet? Welche anderen Eigenschaften spielen eine Rolle, um das am besten geeignete Material für einen konkreten Zweck auszuwählen?

• Aluminium lässt sich schlecht löten. Daher wird für elektrische und elektronische Geräte Kupfer verwendet.
• Aluminium neigt zum Brechen, wenn man es mehrfach biegt.
  • Motoren, Generatoren und andere Elektromaschinen vibrieren und es treten Zentrifugalkräfte auf. Wegen der mechanischen Verformungen wird Kupfer verwendet.
• Unter ständigem Druck „kriecht“ Aluminium, das heißt: Es verformt sich ganz langsam. Wenn man mehrere Aludrähte in einer Abzweigdose mit Schrauben festklemmt, weicht das Aluminium dem Druck aus und „fließt“ in die Breite, wodurch die Schraube weniger fest auf das Material drückt. Wenn man noch eine alte, nicht sanierte Elektroinstallation mit Aludrähten in der Wohnung hat, sollte man einmal jährlich jede Schraube in jeder Abzweig- und Steckdose nachziehen. Andernfalls führt der wachsende Übergangswiderstand zur Erhitzung, später zu Funken und eventuell zu Bränden von Steckdosen und Abzweigdosen. Deshalb wird im Bergbau kein Aluminium verwendet (Explosionsgefahr der Grubengase!).
• Für die Überlandleitungen der Stromversorger wird Aluminium verwendet, weil es wesentlich leichter als Kupfer ist (siehe obige Berechnung: 4,2 statt 8,9 kg pro km). Bei Verwendung von Kupfer müsste der Abstand zwischen den Masten etwa halbiert werden.
• Weil Kupferdrähte bei gleichem Widerstand dünner als Aludrähte sind, nehmen vieladrige Kabelbündel weniger Platz in Kabelkanälen ein und erlauben kleinere Biegeradien.

Vergleich Kupfer und Silber

• Silber – wenn es auf allerbeste Leitfähigkeit ankommt.

Verwendung von Gold

• Gold – wird trotz des hohen Preises als Kontaktmaterial in Buchsen und Relais eingesetzt, weil es nicht oxidiert.

Weitere Leiter

• Kohle – in Kommutatoren für Schleifkontakte, weil Kohle besser gleitet als Metall. Allerdings werden die weichen „Kohlebürsten“ (Kohlekontakte) stark abgenutzt. Sie müssen daher mit einer Feder gegen den Schleifer gedrückt und in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden. Andererseits nutzen sich die kupfernen Schleifkontakte fast gar nicht ab, so dass die Maschine eine hohe Lebensdauer erreichen kann.
• Das Erdreich ist elektrisch leitend, weil darin Feuchtigkeit (Wasser) vorhanden ist und in diesem Wasser gelöste Salze. Die Leitfähigkeit von Erdreich wird in Blitzschutzanlagen ausgenutzt.