Kupferleiter

Kupfer wird seit der Erfindung des Elektromagneten und des Telegrafen in den 1820er Jahren für elektrische Leitungen verwendet . ^{[ 1 ] [ 2 ]} Die Erfindung des Telefons im Jahr 1876 führte zu einer weiteren Steigerung der Nachfrage nach Kupferdraht als elektrischem Leiter. ^{[ 3 ]}

Kupfer ist in vielen Bereichen der Elektroinstallation der elektrische Leiter . ^{[ 3 ] [ 4 ]} Kupferdraht wird in der Energieerzeugung , -übertragung und -verteilung , der Telekommunikation , in elektronischen Schaltungen und in unzähligen elektrischen Geräten eingesetzt . ^{[ 5 ]} Kupfer und seine Legierungen dienen auch zur Herstellung elektrischer Kontakte . Die elektrische Verkabelung in Gebäuden ist der wichtigste Markt für die Kupferindustrie. ^{[ 6 ]} Etwa die Hälfte des gesamten geförderten Kupfers wird zur Herstellung von elektrischen Drähten und Kabeln verwendet. ^{[ 5 ]}

Die elektrische Leitfähigkeit ist ein Maß dafür, wie gut ein Material elektrische Ladung transportiert . Dies ist eine wesentliche Eigenschaft in elektrischen Leitungssystemen. Kupfer besitzt die höchste elektrische Leitfähigkeit aller Nichtedelmetalle : Der spezifische elektrische Widerstand von Kupfer beträgt 16,78 nΩ·m bei 20 °C.

Die Theorie der Metalle im festen Zustand ^{[ 7 ]} trägt zur Erklärung der ungewöhnlich hohen elektrischen Leitfähigkeit von Kupfer bei. Im Kupferatom ist die äußerste 4s-Energiezone, das Leitungsband , nur halb besetzt, sodass viele Elektronen elektrischen Strom transportieren können . Wird an einen Kupferdraht ein elektrisches Feld angelegt, beschleunigen sich die Elektronen zum elektropositiven Ende hin und erzeugen so einen Strom. Diese Elektronen stoßen auf Widerstand, indem sie mit Fremdatomen, Leerstellen, Gitterionen und Gitterfehlern kollidieren. Die mittlere freie Weglänge, die die Elektronen zwischen den Kollisionen zurücklegen , ist umgekehrt proportional zum spezifischen Widerstand des Metalls. Das Besondere an Kupfer ist seine lange mittlere freie Weglänge (etwa 100 Atomabstände bei Raumtemperatur). Diese mittlere freie Weglänge nimmt mit sinkender Temperatur rapide zu. ^{[ 8 ]}

Aufgrund seiner überlegenen Leitfähigkeit wurde geglühtes Kupfer zum internationalen Standard, an dem alle anderen elektrischen Leiter gemessen werden. 1913 definierte die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) die Leitfähigkeit von handelsüblichem Reinkupfer in ihrem Internationalen Standard für geglühtes Kupfer (IACS) als 100 % IACS = 58,0 MS/m bei 20 °C, was einer Abnahme von 0,393 % pro °C entspricht. ^{[ 9 ] [ 10 ]} Da sich die Reinheit von handelsüblichem Kupfer im Laufe des letzten Jahrhunderts verbessert hat, überschreiten Kupferleiter, die in Installationsleitungen verwendet werden, den 100-%-IACS-Standard oft geringfügig. ^{[ 11 ]}

Die gängigste Kupfersorte für elektrische Anwendungen ist elektrolytisch gehärtetes Kupfer (ETP-Kupfer, CW004A oder ASTM -Bezeichnung C11040). Dieses Kupfer ist mindestens 99,90 % rein und weist eine elektrische Leitfähigkeit von mindestens 101 % IACS auf. ETP-Kupfer enthält einen geringen Sauerstoffanteil ( 0,02 bis 0,04 %). Soll hochleitfähiges Kupfer geschweißt , gelötet oder in reduzierender Atmosphäre verwendet werden, kann hochreines, sauerstofffreies Kupfer (CW008A oder ASTM-Bezeichnung C10100) eingesetzt werden ^{[ 12 ]} . Es ist etwa 1 % leitfähiger (d. h. erreicht mindestens 101 % IACS). ^{[ 9 ] [ 10 ]}

Mehrere elektrisch leitfähige Metalle sind weniger dicht als Kupfer, benötigen aber größere Querschnitte, um denselben Strom zu leiten, und sind daher unter Umständen nicht einsetzbar, wenn beengte Platzverhältnisse eine wichtige Rolle spielen. ^{[ 8 ] [ 4 ]} Aluminium besitzt 61 % der Leitfähigkeit von Kupfer. ^{[ 13 ]} Der Querschnitt eines Aluminiumleiters muss 56 % größer sein als der von Kupfer, um die gleiche Strombelastbarkeit zu erreichen. Die Notwendigkeit, die Dicke von Aluminiumdrähten zu erhöhen , schränkt deren Einsatz in vielen Anwendungen ein, ^{[ 4 ]} beispielsweise in kleinen Motoren und Automobilen. In einigen Anwendungen, wie etwa bei Freileitungen für elektrische Energieübertragung , ist Aluminium jedoch weit verbreitet, und Kupfer wird nur selten verwendet. ^{[ 14 ]}

Silber , ein Edelmetall , ist das einzige Metall mit einer höheren elektrischen Leitfähigkeit als Kupfer. Die elektrische Leitfähigkeit von Silber beträgt 106 % derjenigen von geglühtem Kupfer (IACS-Skala), und der spezifische elektrische Widerstand von Silber liegt bei 15,9 nΩ·m bei 20 °C. ^{[ 15 ] [ 16 ]} Aufgrund der hohen Kosten und der geringen Zugfestigkeit von Silber ist dessen Verwendung auf spezielle Anwendungen beschränkt, wie z. B. die Beschichtung von Verbindungen und Gleitkontaktflächen sowie die Beschichtung von Leitern in hochwertigen Koaxialkabeln für Frequenzen über 30 MHz.

Die Zugfestigkeit ist die Kraft, die erforderlich ist, um ein Objekt wie ein Seil, einen Draht oder einen Stahlträger bis zum Bruch zu dehnen. Die Zugfestigkeit eines Materials ist die maximale Zugspannung, die es aushält, bevor es bricht.

Die höhere Zugfestigkeit von Kupfer (200–250 N/mm² ^im geglühten Zustand) im Vergleich zu Aluminium (100 N/mm² ^für typische Leiterlegierungen ^{[ 17 ]} ) ist ein weiterer Grund für die weitverbreitete Verwendung von Kupfer im Bauwesen. Die hohe Festigkeit von Kupfer widersteht Dehnung, Einschnürung, Kriechen, Kerben und Brüchen und beugt somit Ausfällen und Betriebsunterbrechungen vor. ^{[ 18 ]} Kupfer ist bei gleicher Strombelastbarkeit deutlich schwerer als Aluminium, sodass die höhere Zugfestigkeit durch das höhere Gewicht kompensiert wird.

Duktilität ist die Fähigkeit eines Werkstoffs, sich unter Zugspannung zu verformen . Sie zeigt sich häufig in seiner Dehnbarkeit zu einem Draht . Duktilität ist besonders wichtig in der Metallbearbeitung, da Werkstoffe, die unter Spannung reißen oder brechen, nicht gehämmert, gewalzt oder gezogen werden können (Ziehen ist ein Verfahren, bei dem Zugkräfte zum Strecken des Metalls eingesetzt werden).

Kupfer besitzt eine höhere Duktilität als andere Leitermetalle, mit Ausnahme von Gold und Silber. ^{[ 19 ]} Aufgrund seiner hohen Duktilität lässt sich Kupfer leicht auf Durchmesser mit sehr engen Toleranzen ziehen. ^{[ 20 ]}

Im Allgemeinen gilt: Je fester ein Metall ist, desto weniger biegsam ist es. Dies trifft jedoch nicht auf Kupfer zu. Die einzigartige Kombination aus hoher Festigkeit und hoher Duktilität macht Kupfer ideal für Verdrahtungssysteme. So kann Kupfer beispielsweise in Verteilerdosen und an Anschlüssen gebogen, verdreht und gezogen werden, ohne sich zu dehnen oder zu brechen. ^{[ 18 ]}

Kriechen ist die allmähliche Verformung eines Materials durch ständige Ausdehnung und Zusammenziehung unter wechselnden Lastbedingungen. Dieser Prozess hat negative Auswirkungen auf elektrische Systeme: Anschlüsse können sich lockern, was zu Überhitzung oder gefährlicher Lichtbogenbildung führen kann.

Kupfer besitzt ausgezeichnete Kriecheigenschaften, die ein Lockern der Verbindungen minimieren. Bei anderen kriechenden Metallleitern ist eine zusätzliche Wartung erforderlich, um die Klemmen regelmäßig zu überprüfen und sicherzustellen, dass die Schrauben fest angezogen bleiben, um Lichtbögen und Überhitzung zu vermeiden. ^{[ 18 ]}

Korrosion ist die unerwünschte Zersetzung und Schwächung eines Materials durch chemische Reaktionen. Kupfer ist im Allgemeinen beständig gegen Korrosion durch Feuchtigkeit, Nässe, Industrieabfälle und andere atmosphärische Einflüsse. Allerdings weisen die auf Kupfer entstehenden Korrosionsoxide, -chloride und -sulfide eine gewisse Leitfähigkeit auf. ^{[ 13 ] [ 18 ]}

Unter vielen Anwendungsbedingungen steht Kupfer in der elektrochemischen Spannungsreihe höher als andere gängige Konstruktionsmetalle. Das bedeutet, dass Kupferdraht in feuchter Umgebung weniger korrodiert. Allerdings korrodieren alle anodischeren Metalle, die mit Kupfer in Kontakt kommen, da sie quasi dem Kupfer zum Opfer fallen.

Metalle und andere feste Werkstoffe dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Dies ist in elektrischen Systemen unerwünscht. Kupfer besitzt für ein elektrisch leitendes Material einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten . Aluminium, ein alternatives, häufig verwendetes Leitermaterial, dehnt sich bei steigenden Temperaturen fast ein Drittel stärker aus als Kupfer. Diese höhere Ausdehnung kann zusammen mit der geringeren Duktilität von Aluminium zu elektrischen Problemen führen, wenn Schraubverbindungen unsachgemäß installiert werden. Durch die Verwendung geeigneter Verbindungselemente, wie z. B. Federklemmen und Unterlegscheiben mit Loch- oder Federringen an der Verbindungsstelle, lassen sich möglicherweise Aluminiumverbindungen herstellen, die hinsichtlich ihrer Qualität mit Kupferverbindungen vergleichbar sind. ^{[ 13 ]}

Die Wärmeleitfähigkeit beschreibt die Fähigkeit eines Materials, Wärme zu leiten. In elektrischen Systemen ist eine hohe Wärmeleitfähigkeit wichtig, um Abwärme, insbesondere an Anschlüssen und Verbindungen, abzuführen. Kupfer besitzt eine um 60 % höhere Wärmeleitfähigkeit als Aluminium ^{[ 18 ]} und eignet sich daher besser zur Reduzierung von Wärmestaus in elektrischen Leitungssystemen. ^{[ 8 ] [ 21 ]}

Löten ist ein Verfahren, bei dem zwei oder mehr Metalle durch Erhitzen mit einem Lötmaterial verbunden werden, dessen Schmelzpunkt deutlich niedriger ist als der des zu verbindenden Metalls. Dies ist in elektrischen Systemen von Vorteil. Kupfer lässt sich leicht löten, um bei Bedarf dauerhafte Verbindungen herzustellen.

Die Festigkeit, Härte und Flexibilität von Kupfer machen es sehr einfach zu verarbeiten. Kupferleitungen lassen sich einfach und unkompliziert ohne Spezialwerkzeug, Unterlegscheiben, Anschlussdrähte oder Verbindungsmassen verlegen. Dank seiner Flexibilität ist das Verbinden kinderleicht, während seine Härte für sichere Verbindungen sorgt. Es ist robust genug, um Drähte auch durch enge Stellen, wie z. B. Leerrohre, zu ziehen. Kupfer lässt sich leicht biegen oder verdrehen, ohne zu brechen. Es kann während der Installation oder Wartung abisoliert und angeschlossen werden, wodurch die Gefahr von Beschädigungen oder Brüchen deutlich reduziert wird. Und es kann ohne spezielle Kabelschuhe und Verbindungsstücke angeschlossen werden. Die Kombination all dieser Eigenschaften erleichtert Elektrikern die Installation von Kupferleitungen. ^{[ 18 ] [ 22 ]}

Massivdraht besteht aus einem einzelnen Kupferdraht, der entweder blank ist oder von einem Isolator umgeben ist. Einadrige Kupferleiter werden typischerweise als Magnetdraht in Motoren und Transformatoren eingesetzt. Sie sind relativ starr, lassen sich nicht leicht biegen und werden üblicherweise in permanenten, selten bewegten und wenig flexiblen Anwendungen verwendet.

Litzenleiter bestehen aus mehreren miteinander verdrillten oder verflochtenen Kupferdrähten. Sie sind flexibler und einfacher zu verlegen als einadrige Drähte mit demselben Querschnitt. Die Verseilung verlängert die Lebensdauer des Drahtes bei Anwendungen mit Vibrationen. Ein bestimmter Querschnitt eines Litzenleiters verleiht ihm im Wesentlichen die gleichen Widerstandseigenschaften wie einem einadrigen Leiter, jedoch mit erhöhter Flexibilität. ^{[ 23 ]}

Ein Kupferkabel besteht aus zwei oder mehr nebeneinander verlaufenden Kupferdrähten, die durch Verdrillen, Verdrillen oder Verflechten zu einer Einheit verbunden sind. Durch das Verseilen der Drähte lassen sich elektrische Kabel flexibler gestalten.

Kupferdrähte in Kabeln können blank sein oder mit einer dünnen Schicht eines anderen Metalls, meist Zinn , aber auch Gold oder Silber , beschichtet sein, um die Oxidation zu reduzieren. Die Beschichtung kann die Lebensdauer der Drähte verlängern und das Löten erleichtern. Verdrillte Adernpaare und Koaxialkabel sind so konstruiert, dass sie elektromagnetische Störungen unterdrücken, die Abstrahlung von Signalen verhindern und Übertragungsleitungen mit definierten Eigenschaften bereitstellen . Geschirmte Kabel sind mit Folie oder Drahtgeflecht ummantelt.

Elektrolytisch zähes Kupfer (ETP-Kupfer), ein hochreines Kupfer mit Sauerstoff als Legierungsbestandteil , wird aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit und verbesserten Glühbarkeit hauptsächlich für elektrische Leiter verwendet . ETP-Kupfer findet Anwendung in der Energieübertragung , der elektrischen Energieverteilung und der Telekommunikation . ^{[ 5 ]} Typische Anwendungen sind Installationsleitungen, Motorwicklungen, elektrische Kabel und Stromschienen . Sauerstofffreie Kupfersorten werden eingesetzt, um Wasserstoffversprödung bei umfangreicher Kaltverformung zu vermeiden und für Anwendungen, die eine höhere Duktilität erfordern (z. B. Telekommunikationskabel ). Wenn Wasserstoffversprödung ein Problem darstellt und ein niedriger elektrischer Widerstand nicht erforderlich ist, kann Kupfer Phosphor zugesetzt werden. ^{[ 8 ]}

Für bestimmte Anwendungen werden Kupferlegierungsleiter gegenüber Reinkupfer bevorzugt, insbesondere wenn höhere Festigkeiten oder verbesserte Abrieb- und Korrosionsbeständigkeit erforderlich sind. ^{[ 24 ]} Im Vergleich zu Reinkupfer werden die Vorteile höherer Festigkeit und Korrosionsbeständigkeit von Kupferlegierungen jedoch durch ihre geringere elektrische Leitfähigkeit relativiert. Konstrukteure wägen die Vor- und Nachteile der verschiedenen Kupfer- und Kupferlegierungsleiter ab, um den geeigneten Leitertyp für eine spezifische elektrische Anwendung auszuwählen. Ein Beispiel für einen Kupferlegierungsleiter ist Cadmiumkupferdraht , der in Nordamerika zur Elektrifizierung von Eisenbahnstrecken eingesetzt wird. ^{[ 5 ]} In Großbritannien verwendete die BPO (später Post Office Telecommunications ) Cadmiumkupfer-Freileitungen mit 1 % Cadmium für zusätzliche Festigkeit; für Ortsleitungen 40 lb/mile (1,3 mm Durchmesser) und für Fernleitungen 70 lb/mile (1,7 mm Durchmesser). ^{[ 25 ]}

Nachfolgend sind einige der wichtigsten Anwendungsbereiche für Kupferleiter zusammengefasst.

Elektrische Leitungen verteilen Strom in Wohn-, Gewerbe- und Industriegebäuden, Mobilheimen, Wohnmobilen, Booten und Umspannwerken mit Spannungen bis zu 600 V. Die Dicke der Leitungen richtet sich nach dem Strombedarf und den zulässigen Betriebstemperaturen. Für kleinere Durchmesser werden massive Leitungen verwendet; größere Durchmesser sind mehrdrähtig, um Flexibilität zu gewährleisten. Zu den Leitertypen gehören nichtmetallische/korrosionsbeständige Kabel (zwei oder mehr isolierte Leiter mit einem nichtmetallischen Außenmantel), armierte oder BX-Kabel (die Kabel sind von einem flexiblen Metallmantel umgeben), metallummantelte Kabel, Hausanschlusskabel, Erdkabel, TC-Kabel, feuerfeste Kabel und mineralisolierte Kabel, einschließlich mineralisolierter kupferummantelter Kabel . ^{[ 26 ]} Kupfer wird aufgrund seiner Leitfähigkeit, Festigkeit und Zuverlässigkeit häufig für Installationsleitungen verwendet. Über die gesamte Lebensdauer eines Installationsleitungssystems kann Kupfer auch der wirtschaftlichste Leiter sein.

Kupfer, das in Installationsleitungen verwendet wird, hat eine Leitfähigkeit von 100 % IACS ^{[ 10 ] [ 27 ]} oder besser. Kupferinstallationsleitungen benötigen weniger Isolierung und können in kleineren Rohren verlegt werden als Leitungen mit geringerer Leitfähigkeit. Außerdem passt im Vergleich zu Leitern mit geringerer Leitfähigkeit mehr Kupferdraht in ein gegebenes Rohr. Diese höhere Drahtauslastung ist ein besonderer Vorteil bei der Sanierung oder Erweiterung eines Systems. ^{[ 18 ]}

Kupferleitungen sind mit Messing und hochwertigen, verzinkten Schrauben kompatibel. Die Leitungen gewährleisten korrosions- und kriechfeste Verbindungen. Sie sind jedoch nicht mit Aluminiumleitungen oder -verbindern kompatibel. Bei Kontakt der beiden Metalle kann es zu einer galvanischen Reaktion kommen. Die dabei auftretende anodische Korrosion kann das Aluminium zersetzen. Aus diesem Grund verwenden die meisten Hersteller von Haushaltsgeräten und elektrischen Anlagen Kupferleitungen für die Verbindungen in der Gebäudeinstallation. ^{[ 22 ]}

Als reine Kupferverkabelung bezeichnet man Gebäude, in denen die gesamte elektrische Versorgung ausschließlich über Kupferleitungen erfolgt. In solchen Häusern werden Kupferleiter in Sicherungskästen , in den Stromkreisen (zu Steckdosen, Schaltern, Leuchten usw.) und in separaten Leitungen für Geräte mit hohem Stromverbrauch (wie Herde, Backöfen, Wäschetrockner und Klimaanlagen) verwendet. ^{[ 28 ]}

Versuche, Kupfer in Installationsleitungen durch Aluminium zu ersetzen, wurden in den meisten Ländern eingestellt, nachdem festgestellt wurde, dass sich Aluminiumverbindungen aufgrund ihres inhärenten langsamen Kriechverhaltens in Verbindung mit dem hohen spezifischen Widerstand und der Wärmeentwicklung durch Aluminiumoxidation an den Verbindungsstellen allmählich lockerten. Federbelastete Kontakte haben dieses Problem bei Aluminiumleitern in Installationsleitungen weitgehend gelöst, dennoch verbieten einige Bauvorschriften weiterhin die Verwendung von Aluminium.

Bei Abzweigstromkreisen besteht praktisch die gesamte Grundverdrahtung für Beleuchtung, Steckdosen und Schalter aus Kupfer. ^{[ 18 ]} Der Markt für Aluminium-Installationsleitungen beschränkt sich heute größtenteils auf größere Querschnitte, die in Versorgungsstromkreisen verwendet werden. ^{[ 29 ]}

Die Normen für elektrische Installationen legen die zulässige Strombelastbarkeit für Standardleiterquerschnitte fest. Die Strombelastbarkeit eines Leiters variiert je nach Querschnitt, zulässiger Höchsttemperatur und Umgebungsbedingungen. Leiter, die in Bereichen mit guter Luftzirkulation verlegt werden, dürfen in der Regel höhere Ströme führen als ein dünner Leiter in einem unterirdischen Schutzrohr mit vielen ähnlichen Leitern. Die praktischen Temperaturgrenzen isolierter Kupferleiter werden hauptsächlich durch die Eigenschaften des Isoliermaterials oder die Temperaturbeständigkeit der angeschlossenen Geräte bestimmt.

Verdrillte Adernpaare sind das gängigste Netzwerkkabel und werden häufig in Datennetzen für kurze und mittlere Verbindungen (bis zu 100 Meter) eingesetzt. ^{[ 30 ]} Dies liegt an den vergleichsweise geringeren Kosten gegenüber Glasfaser- und Koaxialkabeln.

Ungeschirmte Twisted-Pair-Kabel (UTP-Kabel) sind der primäre Kabeltyp für Telefonverbindungen. Ende des 20. Jahrhunderts etablierten sich UTP-Kabel als gängigste Kabelart für Computernetzwerke, insbesondere als Patchkabel oder für temporäre Netzwerkverbindungen. ^{[ 31 ]} Sie finden zunehmend Anwendung in Videoanwendungen, vor allem in Sicherheitskameras.

UTP- Plenumkabel , die oberhalb von Decken und in Wänden verlegt werden, verwenden für jeden Leiter einen massiven Kupferkern, wodurch das Kabel auch bei Biegung seine Form behält. Patchkabel, die Computer mit Wanddosen verbinden, verwenden hingegen Litzen aus Kupfer, da sie im Laufe ihrer Lebensdauer häufig gebogen werden. ^{[ 30 ]}

UTP-Kabel sind die besten verfügbaren symmetrischen Leitungen. Allerdings lassen sie sich auch am einfachsten anzapfen. Wenn Störungen und Sicherheitsbedenken bestehen, werden häufig geschirmte Kabel oder Glasfaserkabel in Betracht gezogen. ^{[ 30 ]}

UTP-Kabel umfassen: Kategorie-3-Kabel , das von der FCC (USA) als Mindestanforderung für jeden Telefonanschluss festgelegt wurde; Kategorie-5e-Kabel mit 100-MHz-Adernpaaren für Gigabit-Ethernet (1000BASE-T); und Kategorie-6-Kabel , bei dem jedes Adernpaar mit 250 MHz arbeitet, um eine verbesserte 1000BASE-T-Leistung zu erzielen. ^{[ 31 ] [ 32 ]}

Bei Kupfer-Twisted-Pair-Kabelnetzen wird die Zertifizierung von Kupferkabeln durch eine gründliche Reihe von Tests gemäß den Standards der Telecommunications Industry Association (TIA) oder der International Organization for Standardization (ISO) erreicht.

Koaxialkabel wurden in Großrechnersystemen weit verbreitet eingesetzt und waren der erste Kabeltyp, der für lokale Netzwerke ( LAN ) verwendet wurde. Zu den gängigen Anwendungen von Koaxialkabeln gehören heute Computernetzwerke (Internet) und Datenverbindungen für Messgeräte, Video- und Kabelfernsehverteilung , HF- und Mikrowellenübertragung sowie Zuleitungen, die Funksender und -empfänger mit ihren Antennen verbinden . ^{[ 33 ]}

Koaxialkabel ermöglichen zwar größere Reichweiten und bieten einen besseren Schutz vor elektromagnetischen Störungen als verdrillte Adernpaare, sind aber schwieriger zu handhaben und aufwendiger von Büros zum Verteilerschrank zu verlegen. Aus diesen Gründen werden sie heutzutage generell durch kostengünstigere UTP-Kabel oder Glasfaserkabel mit höherer Kapazität ersetzt. ^{[ 30 ]}

Viele Kabelfernsehunternehmen verwenden heute noch Koaxialkabel für die Hausverkabelung. Diese Kabel werden jedoch zunehmend mit einem Glasfaser-Datenkommunikationssystem außerhalb des Hauses verbunden. Die meisten Gebäudemanagementsysteme nutzen proprietäre Kupferkabel, ebenso wie Beschallungs- und Lautsprechersysteme. Sicherheitsüberwachungs- und Zutrittskontrollsysteme basieren zwar auch auf Kupferkabeln, verwenden aber ebenfalls diese. ^{[ 34 ]}

Die meisten Telefonleitungen können Sprache und Daten gleichzeitig übertragen. Die veraltete Vierfachverkabelung in Privathaushalten ist jedoch nicht in der Lage, die Kommunikationsanforderungen mehrerer Telefonleitungen, Internetanschluss, Videokommunikation, Datenübertragung, Faxgeräte und Sicherheitsdienste zu erfüllen. Übersprechen , statische Störungen, unhörbare Signale und Verbindungsabbrüche sind häufige Probleme dieser veralteten Verkabelung. Computer, die an solche veralteten Leitungen angeschlossen sind, weisen oft eine schlechte Internetverbindung auf.

Strukturierte Verkabelung ist die gängige Bezeichnung für die moderne Gebäudeverkabelung des 21. Jahrhunderts für leistungsstarke Telefon-, Video-, Datenübertragungs-, Sicherheits-, Steuerungs- und Unterhaltungssysteme. Die Installationen umfassen in der Regel einen zentralen Verteilerkasten, an dem alle Verbindungen hergestellt werden, sowie Anschlussdosen mit dedizierten Anschlüssen für Telefon, Daten, TV und Audio.

Strukturierte Verkabelung ermöglicht die fehlerfreie und schnelle Kommunikation zwischen Computern und schützt vor Störungen durch verschiedene elektrische Quellen wie Haushaltsgeräte und externe Kommunikationssignale. Vernetzte Computer können gleichzeitig Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen nutzen. Strukturierte Verkabelung ermöglicht zudem die Verbindung von Computern mit Druckern , Scannern , Telefonen , Faxgeräten und sogar Heimüberwachungssystemen und Unterhaltungselektronik.

Vierfach geschirmtes RG-6- Koaxialkabel kann eine große Anzahl von Fernsehkanälen gleichzeitig übertragen. Eine Sternverdrahtung, bei der die Leitungen von jeder Anschlussdose zu einem zentralen Verteiler führen, ermöglicht flexible Anschlussmöglichkeiten, erleichtert die Fehlersuche und verbessert die Signalqualität. Diese Verdrahtungsart bietet Vorteile gegenüber Reihenschaltungen. Installationswerkzeuge, Tipps und Techniken für vernetzte Verkabelungssysteme mit verdrillten Adernpaaren, Koaxialkabeln und den entsprechenden Steckverbindern sind verfügbar. ^{[ 35 ] [ 36 ]}

Strukturierte Verkabelung konkurriert in Privathaushalten mit drahtlosen Systemen. Drahtlose Systeme bieten zwar unbestreitbare Komfortvorteile, weisen aber gegenüber kupferverkabelten Systemen auch Nachteile auf: Die höhere Bandbreite von Systemen mit Kategorie-5e-Verkabelung ermöglicht typischerweise mehr als zehnmal höhere Geschwindigkeiten als drahtlose Systeme und damit schnellere Datenanwendungen sowie mehr Kanäle für Videoanwendungen. Zudem stellen drahtlose Systeme ein Sicherheitsrisiko dar, da sie sensible Informationen über ähnliche Empfangsgeräte an unbefugte Nutzer übertragen können. Drahtlose Systeme sind anfälliger für Störungen durch andere Geräte und Systeme, was die Leistung beeinträchtigen kann. ^{[ 37 ]} Bestimmte geografische Gebiete und einige Gebäude eignen sich möglicherweise nicht für drahtlose Installationen, ebenso wie die Verlegung von Kabeln in manchen Gebäuden problematisch sein kann.

Die Stromverteilung ist die letzte Stufe der Stromversorgung für Endverbraucher. Ein Stromverteilungssystem transportiert Strom vom Übertragungsnetz zu den Verbrauchern.

Stromkabel dienen der Übertragung und Verteilung elektrischer Energie, sowohl im Freien als auch in Gebäuden. Detaillierte Informationen zu den verschiedenen Arten von Stromkabeln sind verfügbar. ^{[ 38 ]}

Kupfer ist das bevorzugte Leitermaterial für unterirdische Übertragungsleitungen, die mit hohen und Höchstspannungen bis zu 400 kV betrieben werden. Die Dominanz von Kupfer in unterirdischen Systemen beruht auf seiner höheren elektrischen und thermischen Leitfähigkeit im Vergleich zu anderen Leitern. Diese vorteilhaften Eigenschaften von Kupferleitern ermöglichen eine platzsparende Installation, minimieren Leistungsverluste und sorgen für niedrigere Kabeltemperaturen. ^{[ 39 ]}

Kupfer ist nach wie vor das dominierende Material für Niederspannungsleitungen in Bergwerken und Unterwasseranwendungen sowie für elektrische Eisenbahnen, Hebezeuge und andere Anwendungen im Freien. ^{[ 5 ]}

Aluminium, entweder allein oder mit Stahl verstärkt, ist aufgrund seines geringeren Gewichts und der niedrigeren Kosten das bevorzugte Leitermaterial für Freileitungen. ^{[ 5 ]}

Die Leiter für Haushaltsgeräte und Instrumente werden aus litzenförmigen, weichen Drähten gefertigt, die zum Löten oder zur Phasenkennzeichnung verzinnt sein können. Je nach Belastung kann die Isolierung aus PVC, Neopren, Ethylen-Propylen-Kautschuk, Polypropylen-Füllstoff oder Baumwolle bestehen. ^{[ 5 ]}

Automobilleiter benötigen eine Isolierung, die beständig gegen hohe Temperaturen, Erdölprodukte, Feuchtigkeit, Feuer und Chemikalien ist. PVC, Neopren und Polyethylen sind die gebräuchlichsten Isolatoren. Die Potenziale reichen von 12 V für elektrische Systeme bis zu 300 V bis 15.000 V für Instrumente, Beleuchtungs- und Zündsysteme. ^{[ 38 ]}

Magnetdraht oder Wicklungsdraht wird in Wicklungen von Elektromotoren , Transformatoren , Induktoren , Generatoren , Kopfhörern , Lautsprecherspulen , Festplattenkopfpositionierern, Elektromagneten und anderen Geräten verwendet. ^{[ 5 ] [ 8 ]}

Magnetdraht besteht meist aus vollständig geglühtem, elektrolytisch raffiniertem Kupfer, um bei der Herstellung elektromagnetischer Spulen eine engere Wicklung zu ermöglichen. Der Draht ist mit verschiedenen Polymerisolierungen , darunter Lack , beschichtet, anstatt mit den dickeren Kunststoffen oder anderen Isolierungen, die üblicherweise bei elektrischen Leitungen verwendet werden. ^{[ 5 ]} Hochreine, sauerstofffreie Kupfersorten kommen für Hochtemperaturanwendungen in reduzierenden Atmosphären oder in mit Wasserstoffgas gekühlten Motoren und Generatoren zum Einsatz.

Eine Kupferspleißmuffe ist definiert als ein Gehäuse mit zugehöriger Hardware, das dazu dient, die mechanische und umweltbedingte Integrität eines oder mehrerer in das Gehäuse eingeführter Kupferkabel wiederherzustellen und eine interne Funktion zum Spleißen, Anschließen oder Verbinden zu ermöglichen. ^{[ 40 ]}

Wie im Telcordia -Branchenanforderungsdokument GR-3151 beschrieben , gibt es zwei Hauptkonfigurationen für Kabelverschraubungen: Stoßverschraubungen und Inline-Verschraubungen. Stoßverschraubungen ermöglichen den Kabeleintritt nur von einem Ende. Diese Bauart wird auch als Kuppelverschraubung bezeichnet. Sie eignen sich für verschiedene Anwendungen, beispielsweise zum Spleißen von Abzweigleitungen. Inline-Verschraubungen ermöglichen den Kabeleintritt an beiden Enden. Auch sie können für verschiedene Anwendungen eingesetzt werden, unter anderem zum Spleißen von Abzweigleitungen und für den Kabelzugang. Inline-Verschraubungen können auch in Stoßkonfiguration verwendet werden, indem der Kabelzugang auf ein Ende beschränkt wird.

Ein Kupfer-Spleißgehäuse wird durch seine funktionalen Konstruktionsmerkmale definiert und ist weitgehend unabhängig von spezifischen Einsatzumgebungen oder Anwendungen. Telcordia hat derzeit zwei Arten von Kupfer-Spleißgehäusen identifiziert:

1. Umweltverträgliche Verschlüsse (ESCs)
2. Freiatmende Verschlüsse (FBCs)

ESCs bieten alle Funktionen, die man von einer typischen Spleißverschraubung erwartet, in einem Gehäuse, das das Eindringen von Flüssigkeiten und Dämpfen in das Innere verhindert. Dies wird durch ein Dichtungssystem wie Gummidichtungen oder Schmelzklebstoffe erreicht. Einige ESCs verwenden Druckluft, um Feuchtigkeit aus dem Gehäuse fernzuhalten.

FBCs bieten alle Merkmale und Funktionen, die von einer typischen Spleißdichtung erwartet werden und das Eindringen von Schlagregen, Staub und Insekten verhindern. Eine solche Dichtung ermöglicht jedoch den freien Luftaustausch mit der Außenumgebung. Daher kann sich Kondenswasser im Inneren der Dichtung bilden. Aus diesem Grund ist eine ausreichende Entwässerung erforderlich, um Wasseransammlungen im Inneren zu vermeiden.

Kupfer wird voraussichtlich weiterhin das vorherrschende Material in den meisten Anwendungen für elektrische Leitungen bleiben, insbesondere dort, wo Platz eine wichtige Rolle spielt. ^{[ 3 ]} Die Automobilindustrie erwägt seit Jahrzehnten den Einsatz von Leitungen mit kleinerem Durchmesser in bestimmten Anwendungen. Einige Hersteller beginnen, Kupferlegierungen wie Kupfer-Magnesium (CuMg) zu verwenden, die zwar eine geringere Leitfähigkeit, aber eine höhere Festigkeit als reines Kupfer aufweisen. ^{[ 41 ]}

Aufgrund des Bedarfs an erhöhter Übertragungsgeschwindigkeit von Sprach- und Datensignalen wird eine weitere Verbesserung der Oberflächenqualität von Kupferdrähten erwartet. Die Anforderungen an eine bessere Ziehbarkeit und das Ziel, Kupferleiter fehlerfrei herzustellen , werden voraussichtlich anhalten.

Um die Umformbarkeit zu verbessern und ein übermäßiges Dehnen des Drahtes bei Hochgeschwindigkeits-Wickelvorgängen zu verhindern, könnten Mindestanforderungen an die mechanische Festigkeit von Magnetdraht entwickelt werden. ^{[ 42 ]}

Es erscheint unwahrscheinlich, dass die Reinheitsstandards für Kupferdraht über den aktuellen Mindestwert von 101 % IACS hinaus angehoben werden. Obwohl 6-Nines-Kupfer (99,9999 % rein) in geringen Mengen hergestellt wurde, ist es extrem teuer und für die meisten kommerziellen Anwendungen wie Magnete, Telekommunikation und Installationsleitungen wahrscheinlich unnötig. Die elektrische Leitfähigkeit von 6-Nines-Kupfer und 4-Nines-Kupfer (99,99 % rein) ist bei Raumtemperatur nahezu identisch, obwohl das höherreine Kupfer bei kryogenen Temperaturen eine höhere Leitfähigkeit aufweist. Daher wird 4-Nines-Kupfer bei nicht-kryogenen Temperaturen voraussichtlich weiterhin das dominierende Material für die meisten kommerziellen Drahtanwendungen bleiben. ^{[ 3 ]}

Die chilenische Kupferkommission geht davon aus, dass Kupfer ab 2024 im Bereich der Hoch- , Mittel- und Niederspannungsleitungen einem verstärkten Wettbewerb durch Aluminium ausgesetzt sein wird, nicht jedoch in anderen Anwendungsbereichen wie der Bauindustrie sowie bei Erd- und Seekabeln . ^{[ 43 ]}

Während des Rohstoffbooms der 2000er-Jahre stiegen die Kupferpreise weltweit an ^{[ 44 ]} , was Kriminelle dazu verleitete, Kupfer aus Strom- und Kommunikationskabeln zu stehlen. ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ]} Der iranische Minister für Informations- und Kommunikationstechnologie hat Kupfer aufgrund von Diebstählen durch Glasfaser ersetzt. ^{[ 48 ]}

• Glühen durch Kurzschluss
• Kupferkabelzertifizierung
• Kupfersulfid
• Kupferummantelter Aluminiumdraht
• Kupferplattierter Stahl
• Galvanisierung
• Magnetdraht
• Mineralisoliertes, kupferummanteltes Kabel
• Passivierung (Chemie)
• Lötbarkeit