بر اساس تحقیقات علمی، یک میله مسی با ضخامت 4 اینچ را می‌توان با گرم کردن به سیمی به طول بیش از 2000 کیلومتر (یعنی نازکتر از تار موی انسان) تبدیل کرد! این قابلیت به‌دلیل تطبیق‌پذیری بی‌حد و حصر فلز مس است. از این رو از فلز مس در تولید و انتقال گسترده نیرو، توزیع توان برای شبکه‌های مخابراتی، مدارهای الکترونیکی و ساخت کنتاکت‌های الکتریکی استفاده می‌شود. در این مطلب از مس تاج، به بررسی مهمترین کاربردهای فلز مس در صنعت برق و الکترونیک می‌پردازیم. همراه ما باشید.
حقایقی از فلز مس، مس چه خصوصیاتی دارد؟
جالب است بدانید که مس اولین فلز کشف شده توسط انسان است. کاربرد مس برای انسان نوسنگی در ساخت تیغه‌های چاقو، تبر، ظرف، سرنیزه و خنجر بود. با عبور از عصر مس و تکامل پیدا کردن انسان، کاربردهای این فلز نیز هر روز کاملتر و بیشتر می‌شود، تا جایی که امروزه در حوزه برد مدارها و برد مدار چاپی (PCB)، آلیاژهای مس به دلیل رسانایی الکتریکی و حرارتی استثنایی خود، انتخاب ارجح هستند.
برای شناخت بیشتر کاربردهای مس، ابتدا خلاصه‌ای از خصوصیات منحصر به فرد این فلز را بیان می‌کنیم:
- یکی از منحصربه‌فردترین ویژگی مس، رسانایی الکتریکی بالای آن (بعد از نقره) است و از دیرباز یکی از اجزای کلیدی بسیاری از دستگاه‌های مخابراتی-از تلگراف گرفته تا تلفن- بوده است.
- خاصیت دیگر مس انتقال گرما است و از آنجایی که گرما را به خوبی هدایت می‌کند، می‌تواند از گرم شدن بیش از حد تراشه‌های کامپیوتری (به طور موثرتری نسبت به آلومینیوم و سایر فلزات) جلوگیری نماید.
- انعطاف‌پذیری بالای مس خاصیتی است که باعث شده بتوان از این فلز برای ساخت انواع اشکال هندسی استفاده کرد. از این رو از مس برای ساخت سیم‌های بسیار نازک و درهم تنیده استفاده می‌شود.
- دیگر خصوصیت این فلز مقاومت در برابر خوردگی است که باعث شده استفاده از آن حتی در شرایط نامساعد آب و هوایی امکانپذیر شود و ماندگاری زیادی داشته باشد.
کاربردهای مس در صنایع برق
مس در تولید برق، انتقال نیرو، توزیع برق برای مخابرات، مدارهای الکترونیکی و انواع بی‌شماری از تجهیزات الکتریکی استفاده می‌شود. از مس و آلیاژهای آن برای ایجاد تماس‌های الکتریکی نیز استفاده می‌شود. سیم‌کشی برق در ساختمان‌ها مهمترین بازار صنعت مس است. حدود نیمی از کل مس استخراج شده برای تولید سیم و کابل برق استفاده می‌شود. عمده کاربردهای مس در صنعت برق شامل موارد زیر هستند:
سیم‌کشی
در طول سال‌های 2015 و 2019، سیم‌های برق عامل اصلی 614 آتش‌سوزی سالانه ملک در کانادا بودند. پس از مدتی، میزان آتش‌سوزی‌ها کاهش پیدا کرد، زیرا خانه‌های مسکونی استفاده از آلومینیوم را کنار زدند و شروع به استفاده از مس برای سیم‌کشی برق کردند. برای سیم‌کشی برق، مس دارای استاندارد طلایی است. مس در سیم‌کشی برق هم در منازل مسکونی و هم در اماکن تجاری به عنوان رسانای قوی الکتریسیته استفاده می‌شود و بسیار انعطاف‌پذیر است.
موتورهای القایی
مس همیشه به‌عنوان ماده ارجحی برای هدایت الکتریسیته شناخته شده است، به‌همین دلیل است که از آن به‌طور جهانی در سیم پیچ موتورها استفاده می‌شود.
امروزه از موتورهای القایی با موفقیت در خودروهای تولیدی استفاده می‌شود. این موتورها هنگام چرخش موتور، دچار افت پسا نمی‌شوند و در شرایط سرعت بالا و گشتاور کم، کارایی خود را از دست نمی‌دهند که این ویژگی آنها را برای کاربردهای هیبریدی و پلاگین هیبریدی مناسب می‌کند. اکنون صنعت مس به مهندسان کمک می‌کند تا استفاده از فلز مس را به روتور موتور خودروهای هیبریدی و الکتریکی بیاورند.
خودروهای هیبریدی و SUVها از موتورهای القایی با سیم مسی استفاده می‌کنند که نیروی خود را از باتری‌ها تامین می‌کنند. جایگزینی روتور آلومینیومی با روتور مسی مزایای موتور القایی را افزایش می‌دهد. میله‌های روتور مسی و حلقه‌های انتهایی، اتلاف الکتریکی را کاهش می‌دهند که منجر به ایجاد موتور کوچک‌تر و کارآمدتری می‌شود. تسلا رودستر اولین خودروی تجاری موجود است که از موتور الکتریکی با استفاده روتور (چرخانه) مسی نیرو می‌گیرد.
ژنراتورها
ژنراتورهای برق از اصول الکترومغناطیسی برای تبدیل انرژی مکانیکی به جریان الکتریکی از طریق استفاده از استاتورها و روتورهای عظیم با پیچ مسی استفاده می‌کنند. استفاده از سیم پیچ مسی با کیفیت در ژنراتور، به افزایش بهره‌وری و عمر دستگاه کمک می‌کند؛ به‌عنوان مثال ژنراتورهای باوآلته از سیم پیچ‌های تمام مس استفاده می‌کنند. مس مطلوب‌ترین گزینه برای سیم پیچی ژنراتورهای مورد استفاده در تاسیسات انرژی بادی، کابل‌ها، سیم‌ها، شین‌ها، کانکتورها، ترانسفورماتورها، سیستم‌های زمین، سیستم‌های حفاظت در برابر صاعقه و اینورترها است.
کاربردهای مس در صنایع الکترونیک
مس به عنوان یک فلز همه کاره و پرکاربرد، نقش مهمی در تولید لوازم الکترونیکی دارد. خواص هدایت الکتریکی و حرارتی عالی مس، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای اجزا و مدارهای مختلف در دستگاه‌های الکترونیکی تبدیل کرده است. عمده کاربردهای مس در صنعت الکترونیک شامل موارد زیر هستند:
هادی‌ها
رسانایی الکتریکی استثنایی مس، آن را به ماده‌ای مناسب برای هدایت الکتریسیته در دستگاه‌های الکترونیکی تبدیل می‌کند. مقاومت کم آن امکان انتقال موثر جریان الکتریکی، به حداقل رساندن تلفات برق و به حداکثر رساندن عملکرد دستگاه را فراهم می‌نماید. در مقایسه با فلزات دیگر مانند آلومینیوم یا طلا، مس تعادلی بین مقرون به‌صرفه بودن و رسانایی ارائه می‌دهد که آن را به انتخابی ارجح در تولید لوازم الکترونیکی تبدیل می‌کند.
بردهای مدار چاپی (PCB)
بردهای مدار چاپی (PCB) ستون فقرات دستگاه‌های الکترونیکی را تشکیل می‌دهند و بستری را برای اتصال اجزای مختلف الکترونیکی به یکدیگر فراهم می‌کنند. مس در PCBها نقش محوری دارد و به عنوان ماده رسانا برای مدار عمل می‌کند. اکثر بردهای مدار چاپی برای محصولات الکترونیکی با لمینت کردن یک ورق مس بر روی یک فیلم انعطاف‌پذیر و سپس حکاکی کردن مقدار زیادی از مس برای باقی ماندن خطوط نازکی از مس جامد که جریان را حمل می‌کنند، ساخته می‌شوند. استفاده از مس در PCBها، اتصالات الکترونیکی قابل اعتماد و کارآمد را تضمین می‌نماید.
سینک‌های حرارتی
اتلاف گرما یک جنبه حیاتی در تولید لوازم الکترونیکی است، زیرا گرمای بیش از حد می‌تواند بر عملکرد و طول عمر دستگاه تأثیر بگذارد. هدایت حرارتی استثنایی مس، آن را به گزینه‌ای ایده‌آل برای هیت سینک تبدیل می‌کند که به دفع گرمای تولید شده توسط قطعات الکترونیکی کمک می‌نماید. هیت سینک‌های مسی به طور موثر گرما را از اجزای حساس انتقال می‌دهند و دمای عملیاتی بهینه را تضمین و از مسائل گرمای بیش از حد جلوگیری می‌کنند.
تراشه‌ها
کمپانی آی‌بی‌ام -غول تکنولوژی دنیا- از مس به جای آلومینیوم در قوی‌ترین تراشه‌های رایانه‌ای خود استفاده می‌کند. به‌دلیل هدایت الکتریکی برتر مس، این فناوری طول و عرض کانال هادی را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد. در نتیجه سرعت عملیات بسیار سریعتر و یکپارچگی مدار بیشتر است.
از طرفی اکثر قطعات الکترونیکی گرما تولید می‌کنند که می‌تواند باعث فرسودگی و خرابی زودرس آنها شود. این امر به‌ویژه در مورد ریزپردازنده‌های بسیار یکپارچه امروزی (تراشه‌های کامپیوتری) صادق است. رسانایی حرارتی مس یا ظرفیت انتقال حرارت حدود 60 درصد بیشتر از آلومینیوم است، بنابراین مس می‌تواند گرمای بسیار بیشتری را در زمان کمتری از بین ببرد. هرچه حرارت بیشتری از پردازنده گرفته شود، کارآمدتر عمل می‌کند و احتمال آسیب کمتری به سایر اجزای حیاتی خواهد داشت.
لوله‌های الکترونی
لوله‌های الکترونی از زمان اختراع‌شان، برای اجزای داخلی خود به مس و آلیاژهای مس وابسته بودند. با وجود تسلط نیمه هادی‌ها، سالانه حدود 2 میلیارد دلار لوله خلاء تولید می‌شود که شامل لوله‌های پرتو کاتدی مورد استفاده در تلویزیون‌ها و نمایشگرهای رایانه، یکسو‌کننده‌های ولتاژ، تقویت‌کننده‌های صوتی و تصویری و برنامه‌های پخش و مگنترون‌ها در اجاق‌های مایکروویو هستند.
ممانعتاز انتشار امواج
ساختمان‌های آژانس امنیت ملی در مریلند، برای جلوگیری از جاسوسی با مس پوشانده شده است. از روکش مسی همچنین در بیمارستان‌ها برای محصور کردن اتاق‌های حاوی تجهیزات حساس مانند اسکن CAT، MRI و واحدهای اشعه ایکس برای جلوگیری از مشکلات مربوط به ورود یا انتشار تشعشعات الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. در مقیاس کوچک‌تر، از نوار مسی برای پوشاندن لوله‌های الکترونی، ترانزیستورها، مدارهای مجتمع و حتی شاسی‌های الکترونیکی کامل برای جلوگیری از تداخل فرکانس رادیویی (RF) استفاده شده است.
آینده مس در صنایع برق و الکترونیک
در سال 2018، مصرف مس تصفیه شده در سراسر جهان حدود 27.7 میلیون تن بوده که تقریباً 48 درصد آن آن توسط کشور چین مصرف شده است. به عنوان مثال، در بازار مصرف مس چین، 52 درصد از کل مس مصرفی چین در کاربردهای الکتریکی استفاده می شود.
در آینده و با توسعه سریع جهانی شدن، بدون شک نیاز به مس و آلیاژهای آن افزایش زیادی پیدا می‌کند. برای مثال یک خودرو در حدود 22.5 کیلوگرم مس مصرف می‌کند. وجود مس در اجزای الکتریکی خودرو، توانایی مدیریت دنده و موتور و همچنین گسترش سیستم‌های کاربردی و حسگر را فراهم می‌کند. از این رو هرچه سیستم‌های الکتریکی خودروهای مدرن پیچیده‌تر و کارآمدتر باشند، به نیروی الکتریکی بیشتری نیاز دارند. بنابراین، به مس بیشتری نیاز است.
پیشرفت‌های فناوری مانند هوش مصنوعی و اتوماسیون و انتقال انرژی که شامل وسایل نقلیه الکتریکی و انرژی‌های تجدیدپذیر می‌شود، چشم‌انداز تقاضا برای کابل مسی مورد استفاده برای هدایت برق را افزایش داده است. همانطور که ترافیگورا تاجر کالا در گفتگویی به رویترز گفته است: شکوفایی فعالیت در بخش خودروهای الکتریکی، زیرساخت‌های نیرو، هوش مصنوعی و اتوماسیون در دهه آینده منجر به حداقل ده میلیون تن مصرف مس اضافی می‌شود.
سخن پایانی
سفر مس از تمدن‌های باستانی به فناوری مدرن نقش بی‌بدیل آن را در توسعه بشر نشان می‌دهد. خواص منحصر به فرد این فلز، آن را به سنگ بنای صنایع و فناوری‌هایی تبدیل کرده است که دنیای ما را شکل می‌دهند. همانطور که ما به سمت آینده‌ای پایدارتر و آگاهانه‌تر حرکت می کنیم، مس بدون شک همچنان یک ماده کلیدی در هدایت نوآوری و تضمین رفاه ما خواهد بود زیرا داستان مس تازه آغاز شده است.