Tổng hợp các chất dẫn điện cho thấy thứ tự từ tốt đến kém là bạc, đồng, vàng, nhôm, rồi đến natri, sắt, chì và inox. Bạc dẫn điện tốt nhất trong mọi kim loại; đồng chỉ kém bạc chút ít nhưng rẻ hơn nhiều nên là vật liệu làm dây điện phổ biến nhất. Vàng dẫn điện tốt, không phải chất cách điện, và ít dùng làm dây vì giá. Trong đường ống và van, độ dẫn điện còn liên quan tới ăn mòn điện hóa khi ghép hai kim loại khác nhau.
Mục lục
Chất dẫn điện là gì?
Chất dẫn điện là vật liệu có hạt tải điện chuyển động tự do dưới tác dụng của điện trường. Trong kim loại, chất dẫn điện có hạt tải điện là electron tự do. Trong dung dịch điện ly (nước muối, axit), hạt tải điện là các ion. Khái niệm nền tảng về dòng điện là gì cho thấy dòng điện chính là dòng chuyển dời có hướng của các hạt này.
Phân biệt ba nhóm theo điện trở suất ở nhiệt độ thường: chất dẫn điện (khoảng 10⁻⁸ đến 10⁻⁶ Ω·m, đa số kim loại), bán dẫn (giữa hai nhóm, như silic) và chất cách điện (trên 10⁸ Ω·m, như nhựa, thủy tinh, cao su). Điện trở suất càng thấp, chất dẫn điện càng tốt. Cách đo thông dụng là %IACS: lấy độ dẫn điện của đồng ủ tiêu chuẩn (58 MS/m ở 20°C) làm 100%.
Tổng hợp các chất dẫn điện tốt nhất theo %IACS
| Vật liệu | Điện trở suất ở 20°C (Ω·m) | %IACS (xấp xỉ) |
|---|---|---|
| Bạc (Ag) | 1,59×10⁻⁸ | 105–108 |
| Đồng (Cu) | 1,68×10⁻⁸ | 100–103 |
| Vàng (Au) | 2,44×10⁻⁸ | khoảng 70 |
| Nhôm (Al) | 2,65×10⁻⁸ | khoảng 61–65 |
| Natri (Na) | 4,7×10⁻⁸ | khoảng 37 |
| Đồng thau (Cu–Zn) | khoảng 6×10⁻⁸ | khoảng 28 |
| Sắt (Fe) | 9,7×10⁻⁸ | khoảng 17–18 |
| Chì (Pb) | 2,1×10⁻⁷ | khoảng 8 |
| Titan (Ti) | 4,2×10⁻⁷ | khoảng 4 |
| Inox 304 | 7,2×10⁻⁷ | khoảng 2,4 |
Thép cacbon thấp hơn sắt tinh khiết, thường chỉ khoảng 10–15% IACS vì cacbon và các nguyên tố hợp kim làm electron tán xạ nhiều hơn.
Bạc
Bạc có điện trở suất thấp nhất trong các kim loại, khoảng 105–108% IACS. Giá cao nên bạc chỉ xuất hiện ở tiếp điểm, mạch chuyên dụng và lớp mạ, không làm dây điện dân dụng.
Đồng
Vật liệu đồng là gì và vì sao đồng dẫn điện tốt: mỗi nguyên tử đồng có một electron hóa trị gần như tự do, mạng tinh thể sạch ít tán xạ. Đồng đạt 100% IACS, nên là chất dẫn điện chuẩn để làm dây điện. Đồng pha kẽm thì giảm mạnh: đồng thau chỉ khoảng 28% IACS, vì nguyên tử kẽm lạ trong mạng làm electron tán xạ mạnh hơn.
Vàng
Vàng là chất dẫn điện khoảng 70% IACS, thấp hơn đồng. Vàng dùng ở đầu nối và tiếp điểm vì không bị oxy hóa nên điện trở tiếp xúc ổn định lâu dài, không phải vì dẫn điện tốt nhất. Dây điện không dùng vàng vì giá, và vì dẫn điện kém đồng.
Nhôm
Nhôm khoảng 61–65% IACS nhưng nhẹ hơn đồng khoảng 3,3 lần (2,70 so với 8,96 g/cm³), nên cùng khối lượng nhôm dẫn điện nhiều hơn. Vì vậy chất dẫn điện cho dây điện trên cao thường là nhôm. Nhôm có màng Al₂O₃ mỏng tự hình thành trong không khí, cách điện và chống ăn mòn tiếp, nhưng cũng làm điện trở tiếp xúc ở đầu cos tăng nếu không xử lý.
Natri và các kim loại khác
Natri dẫn điện khoảng 37% IACS nhưng phản ứng mạnh với nước và oxy, nên không dùng làm dây dẫn. Các kim loại còn lại trong bảng dẫn điện thấp hơn vì lý do tán xạ (xem mục sau).
Điện trở suất tăng theo nhiệt độ
Giá trị trong bảng trên đo ở 20°C. Với kim loại, điện trở suất tăng gần tuyến tính theo nhiệt độ: ρ(T) ≈ ρ₂₀ × [1 + α(T − 20)], trong đó α là hệ số nhiệt điện trở. Đồng và nhôm có α ≈ 0,0039–0,0040/°C, bạc ≈ 0,0038/°C, sắt ≈ 0,005/°C; inox austenit thấp hơn nhiều, khoảng 0,001/°C.
Hệ quả thực tế: dây đồng làm việc ở 80°C có điện trở cao hơn ở 20°C khoảng 23%. Cuộn coil van điện từ khi nóng lên vì vậy hút dòng nhỏ hơn lúc mới cấp điện, nhưng lớp cách điện phải chịu được nhiệt độ ổn định (cấp F 155°C hoặc cấp H 180°C). Khi đo điện trở cuộn dây để kiểm tra coil, cần đo lúc nguội và so với giá trị nhà sản xuất ghi ở 20°C; sai lệch vài phần trăm do nhiệt độ phòng là bình thường, hở mạch hoặc điện trở giảm mạnh mới là dấu hiệu hỏng.
Kim loại dẫn điện kém
Inox, titan và chì là chất dẫn điện kém. Với inox 304, điện trở suất khoảng 7,2×10⁻⁷ Ω·m, tức khoảng 2,4% IACS. Nguyên nhân là hợp kim chứa nhiều nguyên tử khác loại (crom, niken) trong mạng, làm electron bị tán xạ liên tục. Khi nhiệt độ tăng, dao động mạng cũng tăng, và điện trở của kim loại tăng theo. Về inox (thép không gỉ), tính dẫn điện thấp đi kèm dẫn nhiệt thấp. Tuy vậy inox vẫn là vật dẫn, nên van inox trong môi trường dễ cháy nổ vẫn phải nối đất để tránh tích điện tĩnh.
Nước có dẫn điện không?
Nước tinh khiết dẫn điện rất kém, khoảng 0,055 µS/cm ở 25°C. Nước máy và nước giếng dẫn điện được vì chứa ion hòa tan như Ca²⁺, Na⁺, Cl⁻, HCO₃⁻. Do đó nước thông thường vẫn gây điện giật.
Trong đường ống, đồng hồ lưu lượng điện từ chỉ đo được khi nước có độ dẫn điện tối thiểu, thường từ khoảng 5 µS/cm trở lên (tham khảo, mỗi hãng một mức). Nước khử khoáng cao hoặc dầu, khí không đo được bằng loại này.
Ăn mòn điện hóa khi ghép kim loại khác nhau
Khi hai kim loại khác nhau tiếp xúc điện trong môi trường có chất điện ly (nước, hơi ẩm), kim loại kém quý hơn bị ăn mòn nhanh, còn kim loại quý hơn được bảo vệ. Thứ tự trong nước biển, từ quý đến kém quý: inox thụ động, đồng, đồng thau, thép cacbon và gang, nhôm, kẽm.
- Van đồng nối với ống thép mạ kẽm: lớp kẽm và thép quanh mối nối bị ăn mòn trước.
- Mặt bích inox ghép mặt bích thép cacbon ngoài trời: bích thép bị gỉ nhanh quanh gioăng.
Cách xử lý: dùng gioăng cách điện, ống lót và vòng đệm cách điện cho bulông mặt bích, hoặc chọn cùng nhóm vật liệu. Tra thêm bảng độ bền hóa học để biết vật liệu nào chịu môi chất nào.
Vật liệu dẫn điện trong van điện
Cuộn dây trong động cơ của bộ truyền động và cuộn coil của van điện từ làm từ đồng vì cần điện trở thấp để giảm nhiệt. Vỏ bộ truyền động thường là hợp kim nhôm đúc, nhẹ và tản nhiệt. Thân van thì chọn theo môi chất, không theo độ dẫn điện. Xem thêm danh mục van điện của Viva.
Viva cung cấp van điều khiển điện và van công nghiệp tại Số 20, Ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội; giao hàng toàn quốc. Liên hệ kỹ thuật để chọn đúng vật liệu và bộ truyền động:
Địa chỉ: Số 20 ngõ 102 Hoàng Đạo Thành, P. Khương Đình, TP. Hà Nội
Phụ trách kinh doanh: Miss Hoa
Câu hỏi thường gặp
Vàng có dẫn điện không?
Có. Vàng dẫn điện khoảng 70% IACS, thấp hơn bạc và đồng. Vàng không phải chất cách điện. Nó được dùng ở tiếp điểm vì không bị oxy hóa, còn dây điện dùng đồng hoặc nhôm vì rẻ hơn và dẫn điện tốt hơn hoặc nhẹ hơn.
Bạc có dẫn điện không?
Có. Bạc dẫn điện tốt nhất trong mọi kim loại, khoảng 105–108% IACS với điện trở suất 1,59×10⁻⁸ Ω·m. Do giá cao, bạc chỉ dùng cho tiếp điểm, mạch điện tử và lớp mạ, không dùng làm dây điện thông thường.
Inox có dẫn điện không?
Có, nhưng kém. Inox 304 chỉ khoảng 2,4% IACS, tức dẫn điện kém đồng khoảng 40 lần. Vì vậy inox không dùng làm dây dẫn, nhưng vẫn dẫn điện đủ để gây điện giật nếu chạm vào thiết bị rò điện, nên cần nối đất.
