Kim loại nào dẫn điện tốt nhất? Câu trả lời là bạc: ở 20 °C bạc có điện trở suất khoảng 1,59 × 10⁻⁸ Ω·m, thấp nhất trong mọi kim loại. Xếp ngay sau là đồng, vàng và nhôm. Tuy vậy, thứ được dùng nhiều nhất làm dây điện lại là đồng và nhôm vì cân bằng giữa khả năng dẫn điện, giá, khối lượng và độ bền. Bài viết đưa ra bảng xếp hạng độ dẫn điện của các kim loại thông dụng (kèm sắt, thép, inox), giải thích vì sao kim loại dẫn điện, các yếu tố làm thay đổi độ dẫn điện và cách chọn kim loại cho từng ứng dụng.
Vì sao kim loại dẫn điện?
Trong kim loại, các electron lớp ngoài cùng không gắn chặt với nguyên tử mà chuyển động tự do trong mạng tinh thể. Khi đặt một hiệu điện thế, các electron tự do này dịch chuyển có hướng, tạo thành dòng điện. Trên đường đi, electron va chạm với các ion dao động nhiệt, nguyên tử tạp chất và khuyết tật mạng; các va chạm đó tạo nên điện trở. Kim loại nào có nhiều electron tự do và ít cản trở chúng hơn thì dẫn điện tốt hơn. Cấu tạo liên kết kim loại được giải thích trong bài liên kết kim loại và electron tự do.
Bảng xếp hạng độ dẫn điện của kim loại
Giá trị điện trở suất ở khoảng 20 °C, làm tròn. Cột %IACS so với đồng ủ chuẩn quốc tế (bằng 100%).
| Thứ tự | Kim loại | Điện trở suất (× 10⁻⁸ Ω·m) | %IACS (tham khảo) |
|---|---|---|---|
| 1 | Bạc (Ag) | 1,59 | 108 |
| 2 | Đồng (Cu) | 1,68 | 101 đến 103 |
| 3 | Vàng (Au) | 2,44 | 70 |
| 4 | Nhôm (Al) | 2,65 | 61 đến 65 |
| 5 | Vonfram (W) | 5,6 | 31 |
| 6 | Kẽm (Zn) | 5,9 | 29 |
| 7 | Niken (Ni) | 7,0 | 25 |
| 8 | Sắt (Fe) | 9,7 | 18 |
| 9 | Bạch kim (Pt) | 10,6 | 16 |
| 10 | Thiếc (Sn) | 11 | 15 |
| 11 | Chì (Pb) | 22 | 8 |
| 12 | Titan (Ti) | Khoảng 42 đến 55 | 3 đến 4 |
| 13 | Thủy ngân (Hg) | 98 | 2 |
Một số hợp kim thông dụng (tham khảo, thay đổi theo mác):
| Hợp kim | Điện trở suất (× 10⁻⁸ Ω·m) | Ghi chú |
|---|---|---|
| Đồng thau | Khoảng 6 đến 8 | Kém đồng nguyên chất nhiều lần |
| Thép cacbon | Khoảng 14 đến 20 | Kém sắt nguyên chất do cacbon, mangan |
| Inox 304 | Khoảng 70 đến 73 | Dẫn điện rất kém do crom, niken |
Bốn kim loại dẫn điện tốt nhất và công dụng
1. Bạc: dẫn điện tốt nhất nhưng đắt
Bạc dẫn điện và dẫn nhiệt tốt nhất trong các kim loại. Do giá cao, bạc chỉ dùng ở nơi cần tiếp xúc điện tốt với lượng nhỏ: tiếp điểm rơ le, công tắc, cầu dao, keo dán và mực dẫn điện, lớp mạ đầu nối cao tần. Bạc bị xỉn đen khi gặp hợp chất lưu huỳnh nhưng lớp xỉn này ảnh hưởng không lớn đến tiếp xúc điện.
2. Đồng: vật liệu dẫn điện chủ lực
Đồng có độ dẫn điện bằng khoảng 95% bạc nhưng rẻ hơn nhiều, dẻo, dễ kéo sợi, hàn nối tốt, bền. Đồng là vật liệu chính của dây điện dân dụng, cáp, cuộn dây động cơ, máy biến áp, thanh cái. Đồng dùng cho điện thường được tinh luyện bằng điện phân để đạt độ tinh khiết khoảng 99,9% trở lên, quá trình này được giải thích trong bài điện phân tinh luyện đồng.
3. Vàng: không dẫn điện tốt nhất nhưng không bị ô xy hóa
Vàng dẫn điện kém đồng, nhưng gần như không bị ô xy hóa, ăn mòn, nên bề mặt tiếp xúc luôn sạch. Vì vậy vàng được mạ mỏng lên đầu nối, chân linh kiện, khe cắm và dùng làm dây nối trong vi mạch. Phương pháp mạ lớp kim loại quý lên chi tiết có trong bài mạ điện là gì và các loại lớp mạ.
4. Nhôm: nhẹ, rẻ, dùng cho đường dây truyền tải
Nhôm dẫn điện bằng khoảng 61 đến 65% đồng nhưng khối lượng riêng chỉ khoảng 2,70 g/cm³, bằng chừng 30% đồng. Để có cùng điện trở, dây nhôm cần tiết diện lớn hơn khoảng 1,6 lần nhưng chỉ nặng khoảng một nửa dây đồng. Vì vậy đường dây trên không dùng dây nhôm lõi thép: lõi thép mạ kẽm chịu lực kéo, các sợi nhôm bên ngoài dẫn điện. Các mác nhôm dùng cho điện được giới thiệu trong bài ký hiệu nhôm và hợp kim nhôm theo series.
Yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện
- Nhiệt độ: nhiệt độ tăng, ion dao động mạnh, điện trở tăng. Điện trở của đồng tăng khoảng 0,39% cho mỗi độ C. Ở nhiệt độ rất thấp, một số vật liệu trở thành siêu dẫn với điện trở bằng không.
- Tạp chất và nguyên tố hợp kim: làm méo mạng tinh thể, cản electron. Đó là lý do hợp kim luôn dẫn điện kém kim loại nền nguyên chất, như thép kém sắt, inox kém thép thường nhiều lần.
- Biến dạng nguội: kéo, cán nguội tạo khuyết tật mạng, giảm nhẹ độ dẫn điện; ủ mềm giúp phục hồi.
- Tiết diện và chiều dài dây: điện trở của dây R = ρ × L / S, tỷ lệ thuận với chiều dài và tỷ lệ nghịch với tiết diện.
Thành phần crom, niken làm inox dẫn điện và dẫn nhiệt kém hơn thép thường; đặc điểm các mác inox được trình bày trong bài inox 201, 304, 316 và 430.
Thép có dẫn điện không?
Có, nhưng kém đồng khoảng 6 đến 10 lần, nên thép không dùng làm dây dẫn điện thông thường. Thép vẫn có vai trò quan trọng trong hệ thống điện:
- Lõi chịu lực của dây nhôm lõi thép trên đường dây truyền tải.
- Cọc, dây tiếp địa và chống sét: thường dùng thép mạ kẽm hoặc thép bọc đồng, vì cần bền cơ học, chống ăn mòn trong đất, còn yêu cầu dẫn điện đáp ứng được bằng tiết diện lớn.
- Cột điện, giá đỡ, máng cáp, ống luồn dây bằng thép mạ kẽm.
- Lõi máy biến áp, động cơ: dùng thép kỹ thuật điện (thép silic) có từ tính tốt và điện trở cao để giảm tổn hao dòng xoáy.
Thép mạ kẽm nhúng nóng cho cột điện, máng cáp có trang giá tại ống thép mạ kẽm cho hạ tầng điện.
Lưu ý khi nối các kim loại dẫn điện khác nhau
Nối trực tiếp dây nhôm với đồng trong môi trường ẩm sẽ gây ăn mòn điện hóa, mối nối bị ô xy hóa, tăng điện trở, phát nóng và có thể gây cháy. Cần dùng đầu cốt, ống nối lưỡng kim đồng nhôm hoặc kẹp chuyên dụng, kèm mỡ chống ô xy hóa. Sự khác nhau giữa các nhóm kim loại trong cùng hệ thống được phân tích trong bài so sánh kim loại đen với kim loại màu.
Thép thường dẫn điện tốt hơn inox 304 khoảng 4 đến 5 lần. So sánh đầy đủ hai loại về cơ tính, dẫn nhiệt, giãn nở có ở bài so sánh inox với thép thường.
Câu hỏi thường gặp
Kim loại nào dẫn điện tốt nhất?
Bạc, điện trở suất khoảng 1,59 × 10⁻⁸ Ω·m ở 20 °C.
Thứ tự dẫn điện của bạc, đồng, vàng, nhôm, sắt?
Bạc, đồng, vàng, nhôm, sắt (giảm dần).
Vì sao dây điện làm bằng đồng mà không bằng bạc?
Đồng dẫn điện gần bằng bạc nhưng rẻ hơn rất nhiều, dẻo, bền, dễ gia công.
Vì sao đường dây cao thế dùng nhôm?
Nhôm nhẹ và rẻ; dây nhôm cùng điện trở chỉ nặng khoảng một nửa dây đồng, giúp giảm tải cho cột.
Kim loại nào dẫn điện kém nhất?
Trong các kim loại thông dụng, thủy ngân, titan và chì dẫn điện kém; inox cũng dẫn điện kém hơn nhiều so với thép thường.
Kết luận
Bạc là kim loại dẫn điện tốt nhất, tiếp đến đồng, vàng, nhôm; sắt, thép, inox dẫn điện kém hơn nhiều. Trong thực tế, đồng và nhôm là vật liệu dẫn điện chính nhờ cân bằng hiệu suất và chi phí, còn thép đảm nhận phần chịu lực, tiếp địa và bảo vệ. Cần báo giá thép, ống thép mạ kẽm cho công trình điện, hãy liên hệ Giá Thép Hôm Nay.