Vật dẫn điện là gì? Cách phân biệt với vật cách điện

Vật dẫn điện đóng vai trò quan trọng trong việc truyền tải điện phục vụ cho các hoạt động sinh hoạt, sản xuất hàng ngày của con người. Vậy vật dẫn điện là gì? Để tìm hiểu về tính chất, đặc điểm, ứng dụng của vật liệu dẫn điện và cách phân biệt với vật cách điện, bạn có thể theo dõi bài viết của BTB Electric.

Vật dẫn điện là gì?

Vật dẫn điện (tiếng Anh là Electrical Conductor) là một loại vật chất cho phép dòng điện chạy qua theo một hoặc nhiều hướng với ít điện trở. Theo lý thuyết vật lý điện tử, các vật dẫn này có chứa các electron tự do hoặc ion tích điện, di chuyển dễ dàng từ nguyên tử này sang nguyên tử khác khi có điện áp. Khả năng cho phép dòng điện đi qua (hay khả năng truyền nhiệt, truyền điện) của một vật liệu được gọi là độ dẫn điện. Thông số này phụ thuộc vào các yếu tố như:

• Cấu trúc nguyên tử
• Nhiệt độ môi trường
• Tạp chất có trong vật liệu
• Các yếu tố bên ngoài…

Kim loại có khả năng dẫn điện tốt nhất nên thường được sử dụng để sản xuất dây dẫn điện, các linh kiện cho cầu dao, cầu chì, phích cắm, ổ cắm, dây tóc bóng đèn…

Con người, trái đất và động vật đều có thể là vật dẫn điện khi tiếp xúc với dòng điện. Đây là nguyên nhân gây ra tình trạng điện giật. Vật chất đặc biệt như nước ở dạng tinh khiết vốn là chất cách điện nhưng chỉ cần thêm ít muối sẽ trở thành chất dẫn điện tuyệt vời.

Tính chất và đặc điểm của vật liệu dẫn điện

Bên cạnh khả năng truyền dòng điện, vật liệu dẫn điện còn sở hữu nhiều đặc tính vật lý đặc biệt.

Tính dẫn điện ở mọi trạng thái

Đây là tính chất đặc trưng của vật dẫn điện. Vật liệu dẫn điện có thể tồn tại ở nhiều trạng thái như rắn, lỏng, hơi, hoặc khí tùy thuộc vào điều kiện nhiệt độ và áp suất.

Điện trở thấp

Đây là đại lượng biểu thị mức độ cản trở dòng điện của một chất dẫn điện. Giá trị này phụ thuộc vào:

• Điện trở suất
• Chiều dài dây dẫn
• Tiết diện ngang
• Nhiệt độ môi trường

Điện trở của vật càng thấp, khả năng dẫn điện càng cao. Vì vậy, các chất dẫn điện như đồng, nhôm thường có điện trở suất thấp, giúp dòng điện truyền đi dễ dàng. Tuy nhiên, điện trở vẫn có hả năng tạo ra một lượng nhiệt nhất định khi dòng điện chạy qua - còn được gọi là hiện tượng tỏa nhiệt Joule hoặc tỏa nhiệt ohmic.

Từ trường

Khi dòng điện thay đổi trong dây dẫn, sẽ tạo ra từ trường xung quanh làm xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ. Độ tự cảm phụ thuộc vào:

• Hình dạng, kích thước dây dẫn
• Cách sắp xếp và hướng dẫn điện

Hiện tượng này gây ra suất điện động ngược chiều dòng điện ban đầu, gọi là tự cảm hoặc tương hỗ khi xảy ra giữa hai dây dẫn gần nhau. Độ tự cảm ảnh hưởng đến hiệu suất dẫn điện, đặc biệt trong hệ thống dòng điện xoay chiều (AC).

Tuy nhiên, không phải vật liệu dẫn điện nào cũng có tính nhiễm từ. Tính chất này thường biểu hiện ở một số chất nhất định như sắt, hợp kim của sắt, niken, coban và chỉ thể hiện được tính nhiễm từ khi được đặt trong môi trường có từ trường.

Mật độ điện tích bên trong bằng 0

Trong chất dẫn điện lý tưởng, các điện tích tự do không tồn tại bên trong mà phân bố trên bề mặt vật dẫn. Nguyên nhân là bởi các lực đẩy tĩnh điện sẽ “đuổi” các điện tích ra khỏi phần lõi, khiến:

• Lòng vật dẫn không có điện tích
• Bề mặt trở thành nơi duy nhất tồn tại điện tích tự do giúp tối ưu khả năng truyền dẫn.

Tính dẫn nhiệt

Ở nhiệt độ cao, các vật liệu dẫn điện sẽ nóng chảy nhanh chóng. Vật chất nào dễ nguội khi truyền lạnh hoặc nóng nhanh khi được đốt nóng sẽ có tính dẫn điện cao hơn. Ngược lại, vật liệu cần thời gian đốt nóng càng lâu thì độ dẫn điện, dẫn nhiệt càng kém.

Tính giãn nở

Khi bị đốt nóng ở nhiệt độ cao, các vật liệu có tính dẫn điện sẽ bị giãn ra và co lại nếu bị làm lạnh. Vì vậy, khi sử dụng vật liệu dẫn điện trong các công trình xây dựng, cần giữ khe hở vừa phải để giải phóng nhiệt khi cần thiết.

Chống ăn mòn

Vật dẫn điện đều có khả năng chống ăn mòn rất tốt, kể cả trong môi trường có nhiệt độ cao. Đặc tính này tỉ lệ thuận với khả năng dẫn điện của một vật.

Tính chất cơ học

Vật liệu có tính dẫn điện tốt thường đi kèm một số đặc tính cơ học đặc trưng như: chịu lực nén, chịu xoắn, chịu lực kéo,…

Những đặc tính vật lý trên quy định đặc điểm của vật liệu dẫn điện, phù hợp với các ứng dụng truyền điện - truyền nhiệt trong sinh hoạt và sản xuất.

• Dễ uốn cong: Vật liệu dẫn điện tốt đều có thể uốn cong, tạo hình mà không bị gãy, vỡ nên được sử dụng phổ biến để gia công, sản xuất thiết bị gia dụng, công nghiệp.
• Tính kháng cự cao: Vật dẫn điện có khả năng chống mài mòn, chống oxy hóa nên duy trì được khả năng dẫn điện trong thời gian dài.
• Có lớp cách điện: Vì dẫn điện tốt nên trong các ứng dụng sinh hoạt, sản xuất, các vật liệu này đều phải được bao phủ một lớp cách nhiệt bên ngoài nhằm đảm bảo an toàn, không để dòng điện tiếp xúc trực tiếp với con người.

Cách phân loại vật dẫn điện

Tiêu chí phân loại phổ biến nhất của vật dẫn điện là theo trạng thái vật liệu.

Vật liệu dẫn điện thể rắn

Các vật liệu dẫn điện tồn tại ở thể rắn bao gồm kim loại và hợp kim. Ứng dụng của các vật liệu này sẽ phụ thuộc vào thông số điện trở.

• Vật liệu có điện trở suất thấp, tương ứng độ dẫn điện cao sẽ được dùng làm dây dẫn, cáp điện.
• Vật liệu có điện trở cao (như hợp kim Manganin, Constantan, Niken-Crôm, Cacbon), tương ứng độ dẫn điện giảm dần sẽ được dùng để chế tạo dụng cụ đốt nóng như bóng đèn, biến trở, dụng cụ đo điện, các dây may so…

Kim loại là vật có tính dẫn điện tốt nhất so với phi kim và các hợp chất khác. Bên trong vật liệu này bao gồm rất nhiều hạt electron mang điện tích di chuyển một cách tự do có khả năng dịch chuyển qua các hợp chất, đồ vật khác. Vì vậy, kim loại có tính ứng dụng rộng rãi trong chế tạo dây điện, cáp điện, các thiết bị điện tử và nhiều ứng dụng khác yêu cầu khả năng truyền tải điện năng hiệu quả.

Mỗi loại kim loại lại có tính chất dẫn điện khác nhau. 10 kim loại dẫn điện tốt nhất hiện nay gồm: bạc, đồng, vàng, nhôm, natri, wolfram, đồng thau, sắt, crom, chì. Trong khi đó, Bismuth, franci và thủy ngân là 3 kim loại có tính dẫn điện kém nhất.

Bạc là kim loại dẫn điện tốt nhất

Xét về giá trị kinh tế, đồng lại được ứng dụng phổ biến hơn

Tìm hiểu thêm về Kim loại dẫn điện tốt nhất

Vật liệu dẫn điện thể lỏng

Các vật liệu dẫn điện tồn tại ở thể lỏng bao gồm dung dịch điện phân và kim loại nóng chảy. Dòng điện là một môi trường có nhiệt độ cao nên khi nhiệt độ tăng, kim loại sẽ bị nóng chảy.

Đối với thủy ngân, nhiệt độ nóng chảy cần đạt ngưỡng 39 độ C. Vì thế, trong tất cả các kim loại dẫn điện ở thể lỏng, chỉ có thủy ngân là được ứng dụng vào kỹ thuật.

Vật liệu dẫn điện thể khí

Vật liệu có tính dẫn điện sẽ tồn tại ở thể khí trong điều kiện nhất định như trong ống hình xuyến hoặc trong môi trường cụ thể. Tuy nhiên, ứng dụng của loại này khá hạn chế và không phổ biến trong sản xuất.

Ứng dụng của vật liệu dẫn điện

Các vật liệu dẫn điện có mặt trong hầu hết các hoạt động sinh hoạt, sản xuất, thương mại, dịch vụ hàng ngày của con người. Điển hình như:

Công nghiệp điện

• Dây dẫn và cáp điện: Đây là ứng dụng phổ biến nhất. Các loại dây điện, dây cáp điện, dây điện thoại... đều được làm từ vật liệu dẫn điện tốt như đồng và nhôm.

• Thiết bị điện: Vật liệu dẫn điện được sử dụng để chế tạo các bộ phận bên trong máy biến áp, máy phát điện, động cơ điện, cầu chì, ổ cắm...

Điện tử và viễn thông

• Linh kiện điện tử: Các vi mạch tích hợp (IC), transistor, mạch điện tử, điện trở, biến trở đều sử dụng vật liệu dẫn điện để truyền và điều khiển dòng điện.

• Thiết bị điện tử gia dụng: Điện thoại, máy tính, tủ lạnh, máy giặt và nhiều thiết bị gia dụng khác đều chứa các dây dẫn và linh kiện dẫn điện bên trong.
• Viễn thông: Cáp quang (có lớp dẫn điện bảo vệ), ăng-ten truyền sóng cũng có sử dụng vật liệu dẫn điện.

Sinh hoạt - Sản xuất

• Thiết bị đốt nóng: Các vật liệu dẫn điện có điện trở suất cao như hợp kim Niken-Crom được dùng trong dây may so của bếp điện, lò sưởi, ấm đun nước để tạo nhiệt.
• Chế tạo máy móc: Sắt được dùng để sản xuất động cơ xe, bộ tản nhiệt ô tô để dẫn nhiệt và loại bỏ nhiệt khỏi động cơ.
• Dụng cụ nấu ăn: Nhôm được dùng để chế tạo các dụng cụ nấu ăn.
• Cảm biến và pin: Vật liệu dẫn điện được sử dụng trong các loại cảm biến để nhận tín hiệu và là thành phần quan trọng trong chế tạo pin, ắc quy.

Hệ thống y tế

• Các thiết bị y tế phần lớn đều sử dụng các bộ phận dẫn điện để hoạt động.
• Thủy ngân có trong nhiệt kế dùng để kiểm tra nhiệt độ cơ thể.

Ứng dụng cụ thể của các vật liệu dẫn điện tốt nhất gồm:

• Đồng (Cu): Là kim loại dẫn điện tốt nhất (chỉ sau bạc) được sử dụng rộng rãi trong dây dẫn điện, cáp điện, máy biến thế, động cơ điện.
• Nhôm (Al): Khả năng dẫn điện sau đồng, trọng lượng nhẹ và chống ăn mòn, được dùng trong dây cáp điện trên không, tụ điện, roto động cơ điện.
• Wolfram (W): Kim loại rắn, có nhiệt độ nóng chảy cao nhất, được sử dụng trong dây tóc bóng đèn.
• Chì (Pb): Dẫn điện tốt ở nhiệt độ thấp, được dùng làm lớp bảo vệ cáp điện, tấm bản cực ắc quy.

Lưu ý khi sử dụng vật liệu có tính dẫn điện

Mặc dù các vật dẫn điện là thành phần không thể thiếu trong các thiết bị dân dụng, công nghiệp nhưng nếu không sử dụng đúng cách, có thể ảnh hưởng trực tiếp đến tính mạng con người. Vì vậy, trong quá trình sử dụng các vật liệu có tính dẫn điện, bạn cần lưu ý:

• Sử dụng các vật liệu cách điện bao bọc bên ngoài để đảm bảo an toàn trong quá trình sử dụng.
• Không để các vật dẫn điện tiếp xúc trực tiếp với nhau, có nguy cơ gây ra phản ứng ăn mòn điện hóa.
• Lắp đặt và sử dụng điện theo khuyến cáo của nhà sản xuất và các tiêu chuẩn an toàn.
• Cẩn trọng khi sử dụng điện trong mùa hè hoặc môi trường có nhiệt độ cao, có thể gây cháy nổ.
• Giữ khoảng cách an toàn giữa vật dẫn điện với thiết bị điện, đặc biệt là với nguồn điện.

Phân biệt vật dẫn điện và vật cách điện

Trái ngược với vật dẫn điện, vật cách điện có khả năng chống lại hoặc không cho phép dòng điện chạy qua. Chất cách điện thường có điện trở suất rất lớn (khoảng 106 - 1015Ωm). Sự liên kết nguyên tử trong vật chất này rất mạnh, đi kèm tính bão hòa nên các electron không có khả năng di chuyển từ nguyên tử này sang nguyên tử khác.

Vật liệu cách điện phần lớn là chất rắn trong tự nhiên, phổ biến nhất hiện nay là thuỷ tinh, nhựa, cao su, sứ, chất dẻo… Loại vật chất này thường được dùng để chế tạo các vật cách điện, các bộ phận cách điện trong các dụng cụ điện nhằm đảm bảo an toàn cho người sử dụng.

Tham khảo bảng so sánh sau đây để phân biệt vật dẫn điện và vật cách điện:

Tiêu chí Chất dẫn điện Chất cách điện Khả năng truyền điện Dòng điện dễ dàng chạy qua Không cho phép dòng điện chạy qua Vị trí điện tích Điện tích tồn tại ở bề mặt dây dẫn Điện tích không tồn tại Khả năng lưu trữ năng lượng Chất dẫn điện không lưu trữ năng lượng khi được giữ trong từ trường Khi được giữ trong từ trường, chất cách điện có thể lưu trữ năng lượng Độ dẫn nhiệt Độ dẫn nhiệt rất cao Độ dẫn nhiệt rất thấp Ứng dụng Trong chế tạo thiết bị điện Trong chế tạo thiết bị cách điện

Một số câu hỏi về vật liệu dẫn điện là gì?

Câu hỏi 1: Chất bán dẫn có tính dẫn điện không?

Trả lời: Có. Chất bán dẫn có độ dẫn điện nằm giữa chất dẫn điện và chất cách điện, có thể thay đổi độ dẫn điện bằng cách thêm tạp chất.

Câu hỏi 2: Tại sao dây dẫn điện thường được bọc bằng một lớp vật liệu cách điện như nhựa hoặc cao su?

Trả lời: Lõi dây điện được làm bằng kim loại là vật liệu dẫn điện tốt, có dòng điện chạy qua. Nếu không có lớp vỏ cách điện, bất cứ ai chạm vào dây điện đều có nguy cơ bị điện giật. Lớp nhựa hoặc cao su tạo ra một rào cản điện, ngăn không cho dòng điện tiếp xúc trực tiếp với con người hoặc các vật thể khác.

Câu hỏi 3: Nước cất có phải vật dẫn điện không?

Trả lời: Không. Nước ở dạng tinh khiết (nước cất) thường có rất ít, thậm chí là không có hạt mang điện tự do để cho dòng điện đi qua nên cơ bản là không có khả năng dẫn điện, hoặc dẫn điện rất kém. Tuy nhiên, nước máy và nước biển lại có tính chất dẫn điện do chứa nhiều tạp chất dưới dạng ion hòa tan.

Chúng tôi vừa giới thiệu đến bạn các tính chất, ứng dụng thực tế và cách phân loại vật dẫn điện. Trong quá trình sử dụng, bạn nên tuân thủ các khuyến cáo an toàn, kỹ thuật liên quan đến vật chất này. Các thuật ngữ chuyên ngành điện khác, bạn có thể tìm hiểu tại: https://btb-electric.com/vi/tin-tuc/kien-thuc-nganh/thuat-ngu-nganh-dien/