Die physikalischen Eigenschaften von Kupfer und Aluminium
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Die physikalischen Eigenschaften von Kupfer und Aluminium

Welche physikalischen Eigenschaften haben Kupfer und Aluminium?

Kupfer hat eine Dichte von 8,96 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von 1084,62 °C. Nach dem Schmelzen und Reinigen wird Kupfer zu einem weichen Metall mit sehr guter Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit.

Kupfer kann kalt und warm plastisch verarbeitet werden, aber bei der Kaltumformung tritt eine Verfestigung des Metalls (durch Verformung) auf, die durch Rekristallisationsglühen (bei 400–600 °C) beseitigt wird. Die Warmumformung erfolgt bei Temperaturen von 650–800 °C. Auf makroskopischer Ebene führt die Entstehung länglicher Gitterfehler, wie Korngrenzen oder Flussstörungen unter Krafteinwirkung, zu einer Erhöhung der Härte von Kupfer. Deshalb liegt handelsübliches Kupfer in feinkörniger polykristalliner Form vor, die eine höhere mechanische Festigkeit als die monokristalline Form aufweist.

Die geringe Härte von Kupfer erklärt teilweise seine hohe elektrische Leitfähigkeit (59,6⋅10⁶ S/m) und Wärmeleitfähigkeit, die bei reinen Metallen bei Raumtemperatur die zweithöchsten sind. Dies liegt daran, dass der Widerstand beim Elektronentransport in Metallen hauptsächlich durch die Streuung der Elektronen an thermischen Schwingungen des Kristallgitters verursacht wird, die in weichen Metallen relativ schwach sind.

Die maximal zulässige Stromdichte für Kupfer in Luft beträgt etwa 3,1⋅10⁶ A/m² Querschnittsfläche, oberhalb dessen es übermäßig heiß wird. Wie bei anderen Metallen tritt auch bei Kupfer in Kontakt mit anderen Metallen galvanische Korrosion auf. Zusammen mit Osmium (bläulich), Cäsium (gelb) und Gold (gelb) ist Kupfer eines von vier Metallen, deren natürliche Farbe nicht grau oder silbrig ist. Reines Kupfer ist orange-rot und dunkelt an der Luft durch Oxidation nach. Die charakteristische Farbe von Kupfer stammt von Elektronenübergängen zwischen den gefüllten 3d-Schalen und den halbgefüllten 4s-Schalen – die Energieunterschiede zwischen diesen Schalen entsprechen der Energie des orangenen Lichts. Derselbe Mechanismus ist für die gelbe Farbe von Gold verantwortlich.

Physikalische Eigenschaften von Kupfer

1. Atomgewicht 63,57
2. Ordnungszahl 29
3. Dichte bei 20 °C 8,89 g/cm3
4. Schmelztemperatur 1083 °C
5. Siedetemperatur 2310 °C
6. Spezifische Wärme von 18 °C bis 100 °C 0,093 cal/g
7. Schmelzwärme 43,3 cal/g °C
8. Längenausdehnungskoeffizient von 18 °C bis 100 °C 0,000017 °C⁻¹
9. Dielektrische Festigkeit bei 20 °C 0,017241 mm2/m
10. Widerstandskoeffizient bei 20 °C 0,00393 °C⁻¹
11. Wärmeleitfähigkeit 340 kcal/mh°C
12. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,04 bis 0,50 mm 24-31 kg/mm2
13. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,51 bis 3,00 mm 19-27 kg/mm2
14. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 3,01 bis 6,00 mm 16-24 kg/mm2

Physikalische Eigenschaften von Aluminium

1. Atomgewicht 26,98
2. Ordnungszahl 13
3. Dichte bei 20 °C 2,703 g/cm3
4. Schmelztemperatur 650 °C
5. Siedetemperatur 2270 °C
6. Spezifische Wärme von 18 °C bis 100 °C 0,23 kcal/kg °C
7. Schmelzwärme 92,4 kcal/kg
8. Längenausdehnungskoeffizient von 18 °C bis 100 °C 0,000024 °C⁻¹
9. Dielektrische Festigkeit bei 20 °C 0,027808 mm2/m
10. Widerstandskoeffizient bei 20 °C 0,0040 °C⁻¹
11. Wärmeleitfähigkeit 187,2 kcal/mh°C
12. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,04 bis 0,50 mm 9-10 kg/mm2
13. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,51 bis 3,00 mm 8-10 kg/mm2
14. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 3,01 bis 6,00 mm 7-10 kg/mm2

Vergleich von Kupfer- und Aluminiumleitern

Für gleiche Temperatur und Stromstärke Für gleiche Leitfähigkeit
Durchmesser Aluminium = Durchmesser Kupfer x 1,19 Durchmesser Aluminium = Durchmesser Kupfer x 1,27
Querschnitt Aluminium = Querschnitt Kupfer x 1,42 Querschnitt Aluminium = Querschnitt Kupfer x 1,63
Gewicht Aluminium = Gewicht Kupfer x 0,4 Gewicht Aluminium = Gewicht Kupfer x 0,5
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Welche physikalischen Eigenschaften haben Kupfer und Aluminium?

Kupfer hat eine Dichte von 8,96 g/cm³ und einen Schmelzpunkt von 1084,62 °C. Nach dem Schmelzen und Reinigen wird Kupfer zu einem weichen Metall mit sehr guter Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit.

Kupfer kann kalt und warm plastisch verarbeitet werden, aber bei der Kaltumformung tritt eine Verfestigung des Metalls (durch Verformung) auf, die durch Rekristallisationsglühen (bei 400–600 °C) beseitigt wird. Die Warmumformung erfolgt bei Temperaturen von 650–800 °C. Auf makroskopischer Ebene führt die Entstehung länglicher Gitterfehler, wie Korngrenzen oder Flussstörungen unter Krafteinwirkung, zu einer Erhöhung der Härte von Kupfer. Deshalb liegt handelsübliches Kupfer in feinkörniger polykristalliner Form vor, die eine höhere mechanische Festigkeit als die monokristalline Form aufweist.

Die geringe Härte von Kupfer erklärt teilweise seine hohe elektrische Leitfähigkeit (59,6⋅10⁶ S/m) und Wärmeleitfähigkeit, die bei reinen Metallen bei Raumtemperatur die zweithöchsten sind. Dies liegt daran, dass der Widerstand beim Elektronentransport in Metallen hauptsächlich durch die Streuung der Elektronen an thermischen Schwingungen des Kristallgitters verursacht wird, die in weichen Metallen relativ schwach sind.

Die maximal zulässige Stromdichte für Kupfer in Luft beträgt etwa 3,1⋅10⁶ A/m² Querschnittsfläche, oberhalb dessen es übermäßig heiß wird. Wie bei anderen Metallen tritt auch bei Kupfer in Kontakt mit anderen Metallen galvanische Korrosion auf. Zusammen mit Osmium (bläulich), Cäsium (gelb) und Gold (gelb) ist Kupfer eines von vier Metallen, deren natürliche Farbe nicht grau oder silbrig ist. Reines Kupfer ist orange-rot und dunkelt an der Luft durch Oxidation nach. Die charakteristische Farbe von Kupfer stammt von Elektronenübergängen zwischen den gefüllten 3d-Schalen und den halbgefüllten 4s-Schalen – die Energieunterschiede zwischen diesen Schalen entsprechen der Energie des orangenen Lichts. Derselbe Mechanismus ist für die gelbe Farbe von Gold verantwortlich.

Physikalische Eigenschaften von Kupfer

1. Atomgewicht 63,57
2. Ordnungszahl 29
3. Dichte bei 20 °C 8,89 g/cm3
4. Schmelztemperatur 1083 °C
5. Siedetemperatur 2310 °C
6. Spezifische Wärme von 18 °C bis 100 °C 0,093 cal/g
7. Schmelzwärme 43,3 cal/g °C
8. Längenausdehnungskoeffizient von 18 °C bis 100 °C 0,000017 °C⁻¹
9. Dielektrische Festigkeit bei 20 °C 0,017241 mm2/m
10. Widerstandskoeffizient bei 20 °C 0,00393 °C⁻¹
11. Wärmeleitfähigkeit 340 kcal/mh°C
12. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,04 bis 0,50 mm 24-31 kg/mm2
13. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,51 bis 3,00 mm 19-27 kg/mm2
14. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 3,01 bis 6,00 mm 16-24 kg/mm2

Physikalische Eigenschaften von Aluminium

1. Atomgewicht 26,98
2. Ordnungszahl 13
3. Dichte bei 20 °C 2,703 g/cm3
4. Schmelztemperatur 650 °C
5. Siedetemperatur 2270 °C
6. Spezifische Wärme von 18 °C bis 100 °C 0,23 kcal/kg °C
7. Schmelzwärme 92,4 kcal/kg
8. Längenausdehnungskoeffizient von 18 °C bis 100 °C 0,000024 °C⁻¹
9. Dielektrische Festigkeit bei 20 °C 0,027808 mm2/m
10. Widerstandskoeffizient bei 20 °C 0,0040 °C⁻¹
11. Wärmeleitfähigkeit 187,2 kcal/mh°C
12. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,04 bis 0,50 mm 9-10 kg/mm2
13. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 0,51 bis 3,00 mm 8-10 kg/mm2
14. Zugfestigkeit bei Durchmesser von 3,01 bis 6,00 mm 7-10 kg/mm2

Vergleich von Kupfer- und Aluminiumleitern

Für gleiche Temperatur und Stromstärke Für gleiche Leitfähigkeit
Durchmesser Aluminium = Durchmesser Kupfer x 1,19 Durchmesser Aluminium = Durchmesser Kupfer x 1,27
Querschnitt Aluminium = Querschnitt Kupfer x 1,42 Querschnitt Aluminium = Querschnitt Kupfer x 1,63
Gewicht Aluminium = Gewicht Kupfer x 0,4 Gewicht Aluminium = Gewicht Kupfer x 0,5
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