Vật liệu dẫn điện là gì? Cách chọn vật liệu dẫn điện cho dây cáp điện
Dây cáp điện có thể được tạo thành từ các vật liệu dẫn điện như: đồng, nhôm, sợi quang. Vậy đâu là điểm khác biệt của những vật liệu này?
1. Tìm hiểu về vật liệu dẫn điện
1.1 Vật liệu dẫn điện là gì?
Lõi dẫn điện (Electrical conductor) là những vật liệu có chứa các electron tự do hoặc ion tự do có khả năng dẫn dòng điện khi có điện trường tác động. Khả năng cho phép dòng điện đi qua của một vật liệu được gọi là độ dẫn điện (conductivity). Ngược lại với chất dẫn điện là chất cách điện, tức những vật liệu hầu như không có hoặc có rất ít electron tự do, khiến dòng điện không thể truyền qua được.
Độ dẫn điện của một vật liệu phụ thuộc vào:
- Cấu trúc nguyên tử
- Nhiệt độ môi trường
- Tạp chất có trong vật liệu
- Và các yếu tố bên ngoài khác.
Kim loại như bạc và đồng là những chất dẫn điện rất tốt vì chúng có nhiều electron tự do, giúp dòng điện truyền qua một cách dễ dàng. Ngược lại, phi kim như cao su và thủy tinh lại có rất ít electron tự do nên không dẫn điện, và thường được sử dụng làm vật liệu cách điện.
Ngoài ra, còn có một nhóm vật liệu có độ dẫn điện trung gian giữa chất dẫn điện và chất cách điện, gọi là chất bán dẫn (semiconductors). Chất bán dẫn đóng vai trò rất quan trọng trong ngành điện tử và công nghệ máy tính.
1.2 Sự khác nhau giữa vật liệu dẫn điện và vật liệu cách điện
Chất cách điện (Insulators) là những vật liệu cản trở dòng electron tự do di chuyển từ hạt này sang hạt khác trong cùng một nguyên tố. Khi một lượng điện tích được truyền vào một điểm bất kỳ trên vật liệu cách điện, điện tích đó sẽ không lan truyền ra toàn bộ bề mặt, mà chỉ tập trung tại vị trí ban đầu.
| Tiêu chí | Lõi dẫn điện (Conductor) | Lớp cách điện (Insulator) |
| Khả năng truyền điện hoặc nhiệt | Là vật liệu cho phép dòng điện hoặc nhiệt truyền qua dễ dàng | Là vật liệu không cho phép dòng điện hoặc nhiệt truyền qua |
| Ví dụ điển hình | Bạc, nhôm, sắt | Giấy, gỗ, cao su |
| Sự di chuyển của electron | Electron di chuyển tự do bên trong vật liệu | Electron không di chuyển tự do bên trong vật liệu |
| Trường điện (Electric field) | Trường điện tồn tại trên bề mặt, nhưng bằng 0 bên trong vật liệu | Trường điện gần như không tồn tại trong vật liệu |
>>Tìm hiểu thêm: Đặc điểm của vật liệu cách điện và các loại vật liệu cách điện thường dùng cho dây cáp điện
2. Tính chất vật liệu dẫn điện
Lõi dẫn điện có khả năng cho phép dòng điện di chuyển dễ dàng nhờ vào sự tồn tại của các electron tự do. Bên cạnh khả năng truyền dòng điện, chất dẫn điện còn sở hữu nhiều đặc tính vật lý đặc biệt mà bạn nên hiểu rõ trước khi lựa chọn cho các ứng dụng công nghiệp hoặc dân dụng.
2.1 Điện trở (Resistance) – Yếu tố gây tiêu hao năng lượng
Điện trở là đại lượng thể hiện mức độ cản trở dòng điện của một chất dẫn điện. Giá trị này phụ thuộc vào:
- Điện trở suất (resistivity) của vật liệu – đặc tính nội tại của từng loại kim loại
- Chiều dài của dây dẫn
- Tiết diện ngang
- Nhiệt độ môi trường
Chất dẫn điện như đồng, nhôm thường có điện trở suất thấp, giúp dòng điện truyền đi dễ dàng. Tuy nhiên, điện trở vẫn tạo ra một lượng nhiệt nhất định khi dòng điện chạy qua – được gọi là hiện tượng tỏa nhiệt Joule hoặc tỏa nhiệt ohmic.
2.2 Độ tự cảm (Inductance) – Sự xuất hiện của từ trường
Khi dòng điện thay đổi trong dây dẫn, nó tạo ra từ trường xung quanh, làm xuất hiện hiện tượng cảm ứng điện từ. Độ tự cảm phụ thuộc vào:
- Hình dạng và kích thước dây dẫn
- Cách sắp xếp và hướng dẫn điện
Hiện tượng này gây ra một suất điện động ngược chiều dòng điện ban đầu, gọi là tự cảm (self-inductance) hoặc tương hỗ (mutual inductance) khi xảy ra giữa hai dây dẫn gần nhau. Độ tự cảm ảnh hưởng đến hiệu suất truyền tải điện, đặc biệt trong hệ thống dòng điện xoay chiều (AC).
2.3 Mật độ điện tích bên trong chất dẫn điện bằng 0
Trong một chất dẫn điện lý tưởng, các điện tích tự do không tồn tại bên trong mà chỉ phân bố trên bề mặt vật dẫn. Lý do là 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
2.4 Điện tích chỉ tồn tại trên bề mặt chất dẫn điện
Tất cả các điện tích tự do sẽ được đẩy ra ngoài bề mặt của chất dẫn điện, và phân bố đều dựa trên:
- Hình dạng, kích thước vật liệu
- Cường độ và hướng của điện trường bên ngoài
- Đặc điểm này giúp tối ưu khả năng truyền dẫn và bảo vệ hệ thống khỏi nhiễu điện.
2.5 Trường điện tại bề mặt luôn vuông góc với bề mặt
Trường điện tại bề mặt của vật liệu dẫn điện luôn có hướng vuông góc (vuông 90°) với mặt tiếp xúc. Nếu tồn tại một thành phần song song, electron sẽ di chuyển để triệt tiêu, đảm bảo điện trường chỉ có thành phần vuông góc.
Điều này giúp giữ cho bề mặt dẫn điện ổn định và đồng đều, tránh tình trạng tích điện không đều gây phóng điện.
3. Các loại vật liệu dẫn điện bằng kim loại và ưu điểm
3.1 Vật liệu dẫn điện bằng đồng
Các loại dây cáp điện dùng cho việc truyền tải năng lượng, tín hiệu hoặc dữ liệu có thể được tạo thành từ nhiều vật liệu dẫn điện khác nhau. Một trong những vật liệu được biết đến và sử dụng phổ biến nhất là đồng (Cu). Đồng là kim loại dẻo, có tính linh hoạt và độ dẫn điện cao. Bên cạnh đó, độ bền cao và giá thành tương đối rẻ làm cho đồng trở thành sự lựa chọn hàng đầu trong nhiều ứng dụng. Dây dẫn điện lõi bằng đồng có thể là dây điện lõi đơn hoặc nhiều dây được xoắn lại để tạo thành một chuỗi gọi là dây xoắn. Đồng cũng có thể được mạ thiếc để làm tăng khả năng chống ăn mòn, hoặc được mạ niken để cải thiện phạm vi nhiệt độ hoạt động.
>>Xem thêm: Khám phá các sản phẩm dây cáp điện bằng đồng của HELUKABEL
Việc lựa chọn vật liệu dẫn điện phù hợp cho dây cáp điện là điều không hề dễ dàng
3.2 Dây cáp điện lõi nhôm
Nhôm (Al) là một vật liệu dẫn điện tiềm năng khác. Ưu điểm chính của nhôm là khối lượng riêng thấp hơn so với đồng. Tuy nhiên, nhôm có độ dẫn điện kém hơn, điều này có nghĩa là nhôm cần một diện tích cắt ngang lớn hơn để truyền tải cùng một cường độ dòng điện. Ngoài ra, dây nhôm ít linh hoạt hơn và do đó có khả năng đứt gãy cao hơn. Điều này làm cho chúng không phù hợp cho các ứng dụng di động. Do đó, nhôm chủ yếu được sử dụng cho dây cáp phân phối năng lượng và dây cáp trung thế, nơi mà trọng lượng đóng vai trò quan trọng.
3.3 Vật liệu dẫn điện bằng kim loại bạc và vàng
Bạc (Ag) là kim loại có khả năng dẫn điện tốt nhất, nhưng giá của bạc cao hơn đồng rất nhiều. Vì vậy, bạc thường chỉ được sử dụng trong các ứng dụng đòi hỏi hiệu suất cao- chẳng hạn như trong các thiết bị âm thanh cao cấp. Một lựa chọn khác cho dây dẫn âm thanh là dây đồng mạ bạc, nổi bật với khả năng dẫn điện cao và khả năng chống ăn mòn. Giá thành cao và khả năng dẫn điện kém hơn so với bạc và đồng khiến vàng (Au) trở thành một lựa chọn không thích hợp để làm dây dẫn.
3.4 Dây cáp điện bằng kim loại thép
Một vật liệu khác mà, thoạt nhìn, cũng có vẻ không phù hợp là thép, với khả năng dẫn điện kém hơn so với đồng hoặc nhôm. Tuy nhiên, thép là kim loại sở hữu đặc tính mạnh mẽ và có độ bền kéo cao. Vì lý do này, thép được sử dụng trong các ứng dụng quân sự cũng như trong ngành hàng không, thường kết hợp với các vật liệu khác như nhôm.
4. Dây cáp điện sợi quang và ưu điểm
Ông Christian Dettmer - Trưởng Bộ phận Kỹ thuật tại HELUKABEL
Bên cạnh những vật liệu dẫn điện bằng kim loại, sợi quang hay còn gọi là ống dẫn sóng bằng sợi quang (optical waveguides) cũng được sử dụng. Đây là vật liệu lý tưởng cho việc truyền tải tín hiệu tốc độ cao sử dụng ánh sáng. Chúng bao gồm một lõi sợi thủy tinh hoặc nhựa. Lõi nhựa linh hoạt hơn và có thể uốn cong dễ dàng hơn. Lõi được bao quanh bởi một lớp vỏ quang học, được biết đến với tên gọi là lớp phủ (cladding). Tín hiệu ánh sáng được phản xạ giữa lõi và lớp phủ, do đó, được truyền qua bước sóng quang ở tốc độ cao. Bước sóng quang được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, như viễn thông, y tế và hàng không vũ trụ. Tuy nhiên, cáp sợi quang không dẫn điện.
>>Xem thêm: Đặc điểm cấu tạo, phân loại và ứng dụng của dây cáp quang
5. Lưu ý khi lựa chọn vật liệu dẫn điện cho dây cáp điện
Việc lựa chọn vật liệu dẫn điện phù hợp phụ thuộc rất nhiều vào từng ứng dụng và điều kiện môi trường cụ thể. Những thông số này cần được biết chính xác để có thể cân nhắc giữa ưu và nhược điểm của từng loại vật liệu. Tất nhiên, các đặc tính khác của dây cáp điện như cấu trúc, diện tích, vật liệu cách điện và vỏ bọc cũng đóng vai trò quan trọng không kém. Vì vậy, khi lựa chọn dây cáp điện để sử dụng trong cuộc sống hằng ngày, lời khuyên tốt nhất là hãy tìm đến sự tư vấn của các chuyên gia để đảm bảo việc tuân thủ các điều kiện ở trên.
Nếu vẫn còn băn khoăn, đừng quên liên hệ ngay đội ngũ kỹ sư của HELUKABEL Việt Nam để được giải đáp chi tiết.
HELUKABEL® Vietnam
| Địa chỉ | 905 Nguyễn Kiệm, Phường 3, Quận Gò Vấp, Thành phố Hồ Chí Minh 700000 |
| info@helukabel.com.vn | |
| Hotline | +84 28 77755578 |
| Website | www.helukabel.com.vn |
| Khám phá và đặt mua các sản phẩm của chúng tôi trên | Tiki | Shopee | Lazada | Product finder |
| Kết nối với chúng tôi trên | Facebook | LinkedIn | Instagram | Youtube | Zalo | WhatsApp | Tiktok | Spotify |
