Nhiều người vẫn nghĩ rằng nước là chất có khả năng dẫn điện tốt nhất, nhưng thực tế không phải như thế, thậm chí nước tinh khiết còn không dẫn điện. Vậy, chất nào là dẫn điện tốt nhất? Hãy cùng KPTCHEM tìm hiểu ngay nhé!
Chất nào là dẫn điện tốt nhất? Ảnh: Wevolver.
Trong thế giới vật chất, điện năng đóng vai trò như mạch máu của nền văn minh hiện đại. Từ chiếc điện thoại nhỏ bé trong tay đến những mạng lưới truyền tải điện khổng lồ trải dài khắp các châu lục, mọi công nghệ đều dựa vào khả năng di chuyển của các electron, hay nói cách khác là vào khả năng dẫn điện của vật chất. Tuy nhiên, không phải chất nào cũng có thể “dẫn điện” tốt như nhau. Yếu tố quyết định một vật liệu bất kỳ nào đó là dẫn điện, cách điện hay bán dẫn bắt nguồn từ cấu trúc nguyên tử và liên kết hóa học của nó. Có chất cho phép electron trôi tự do, trong khi số khác lại gây cản trở hoặc gần như chặn đứng mọi dòng điện.
Các kim loại thường là chất dẫn điện tốt nhất do cấu trúc mạng tinh thể đặc trưng, bên trong chúng tồn tại một “biển electron tự do”, nơi các electron hóa trị tách khỏi hạt nhân và di chuyển tự do trong mạng tinh thể kim loại. Chính nhờ hiện tượng này mà kim loại có thể truyền điện nhanh chóng, ổn định và hiệu quả trở thành nền tảng cho toàn bộ ngành công nghiệp điện và điện tử hiện nay.
Hãy quay lại bảng tuần hoàn các nguyên tố để giải thích cho vấn đề này. Khả năng dẫn điện của một vật chất phụ thuộc trực tiếp vào số electron hóa trị, tức là các electron ở lớp vỏ ngoài cùng của nguyên tử. Chính các electron này có thể tách ra dễ dàng và di chuyển tự do trong mạng tinh thể kim loại tạo nên dòng điện. Thông thường, những chất chỉ có một hoặc hai (đôi khi ba) electron hóa trị sẽ dẫn điện tốt hơn, vì electron của chúng ít bị ràng buộc với hạt nhân hơn và dễ tham gia vào quá trình dẫn điện.
Vậy, những kim loại nào dẫn điện tốt nhất?
Dưới đây, KPCHEM xin liệt kê danh sách bao gồm cả hợp kim và các nguyên tố tinh khiết có khả năng dẫn điện tốt nhất trong cùng một kích thước, được sắp xếp theo thứ tự từ dẫn điện tốt nhất đến kém nhất.
-
Bạc (Ag)
-
Đồng (Cu)
-
Vàng (Au)
-
Nhôm (Al)
-
Kẽm (Zn)
-
Niken (Ni)
-
Đồng thiếc
-
Sắt (Fe)
-
Bạch kim (Pt)
-
Thép
-
Chì (Pb)
-
Thép không gỉ
1. Bạc (Ag)
Dẫn đầu trong danh sách những chất dẫn điện tốt nhất chính là bạc. Đây là kim loại đứng đầu về khả năng dẫn điện. Với độ dẫn điện khoảng 6,3 × 10⁷ S/m, bạc trở thành chuẩn mực để so sánh với các kim loại khác, người ta gọi giá trị này là chuẩn IACS, trong đó bạc được xem là mốc 100%.
Bí mật nằm ở cấu trúc nguyên tử của bạc. Mỗi nguyên tử bạc chỉ có một electron hóa trị ở lớp ngoài cùng, và electron này gần như “tự do” di chuyển giữa các nguyên tử trong mạng tinh thể. Khi có dòng điện chạy qua, những electron đó di chuyển cực kỳ dễ dàng, tạo nên dòng điện mạnh mẽ với điện trở gần như thấp nhất trong các kim loại tự nhiên.
2. Đồng (Cu)
Mặc dù chỉ được xếp thứ hai trong danh sách này, song, khi nhắc đến vật liệu dẫn điện, cái tên được sử dụng nhiều nhất trong đời sống không phải bạc, mà chính là đồng. Với độ dẫn điện khoảng 5,96 × 10⁷ S/m chỉ kém bạc một chút (tương đương 97% so với bạc) nhưng đồng lại có giá thành rẻ hơn, dễ uốn, bền cơ học cao và ít bị oxy hóa hơn. Chính những ưu điểm ấy khiến kim loại này trở thành “xương sống” của toàn bộ hệ thống truyền tải điện hiện đại.
Cấu trúc nguyên tử của đồng có một electron hóa trị ở lớp ngoài cùng, giúp các electron di chuyển tương đối tự do trong mạng tinh thể. Khi có điện áp tác dụng, dòng electron ấy dễ dàng dịch chuyển, tạo nên dòng điện ổn định và hiệu quả cao.
3. Vàng (Au)
Xếp thứ ba trong danh sách này là vàng, chất được mệnh danh là “quý tộc” trong nhóm những chất dẫn điện tốt nhất mà còn bởi vì nó là kim loại quý với vẻ ngoài lấp lánh, tính ổn định và độ bền vượt trội theo thời gian.
Dù chỉ có độ dẫn điện khoảng 4,1 × 10⁷ S/m, nhưng vàng lại giữ vững hiệu suất dẫn điện ổn định trong mọi điều kiện môi trường. Điểm đặc biệt của kim loại này là không bị oxy hóa hay ăn mòn, dù tiếp xúc lâu dài với không khí, độ ẩm, hay thậm chí là axit yếu. Chính vì vậy, nó luôn duy trì khả năng dẫn điện tối ưu trong thời gian dài, đây cũng chính là ưu điểm mà bạc hay đồng không thể sánh bằng.
Nhờ đặc tính đó, vàng được sử dụng trong các linh kiện điện tử cao cấp, đầu nối tín hiệu, chip vi xử lý, thiết bị không gian,… những nơi mà một lớp gỉ mỏng cũng có thể làm sai lệch tín hiệu điện tử. Ngoài ra, vàng còn có khả năng dẫn nhiệt tốt, phản xạ ánh sáng mạnh và tính dẻo cao, dễ dát mỏng thành lớp phủ cực mịn.
4. Nhôm (Al)
Dù độ dẫn điện chỉ đạt khoảng 3,5 × 10⁷ S/m, thấp hơn đồng khoảng 40%, nhưng nhôm lại có khối lượng riêng chỉ bằng một phần ba. Điều đó có nghĩa là, nếu so sánh theo hiệu suất dẫn điện dựa trên trọng lượng, nhôm thực ra hiệu quả gần như tương đương với đồng.
Điểm đặc biệt của nhôm nằm ở sự kết hợp giữa độ dẫn điện, độ bền và trọng lượng nhẹ. Cấu trúc nguyên tử của nó gồm ba electron hóa trị, trong đó một phần có thể tham gia vào quá trình dẫn điện khi có điện trường tác động. Tuy không dẫn điện tốt bằng bạc hay đồng, nhưng nhôm lại ít tốn chi phí hơn, dễ gia công, và chịu được môi trường khắc nghiệt nhờ lớp màng oxit nhôm (Al₂O₃) mỏng tự hình thành trên bề mặt, giúp bảo vệ kim loại khỏi ăn mòn.
Một số loại dây điện cao thế (ACSR, AAAC, AAC) thường được làm từ vật liệu nhôm và hợp kim nhôm bởi chúng có khối lượng nhẹ, giá rẻ và chống gỉ tốt. Tuy dẫn điện kém hơn nhiều so với bạc, đồng hay vàng, nhưng khi tính trên trọng lượng riêng thì hiệu suất dẫn điện theo khối lượng của nhôm cao hơn đồng. Ảnh: NNC.
5. Kẽm (Zn)
Kẽm là vật liệu chỉ dẫn điện ở mức trung bình với độ dẫn điện khoảng 1,7 × 10⁷ S/m, nhưng lại nổi bật bởi khả năng chống ăn mòn và tính ổn định hóa học. Trong cấu trúc nguyên tử, kẽm có hai electron hóa trị dễ tham gia vào quá trình dẫn điện, tuy nhiên mạng tinh thể của nó lại có mật độ electron tự do thấp hơn so với các kim loại dẫn điện mạnh như bạc hay đồng. Vì thế, kẽm không được dùng trực tiếp làm dây dẫn điện. Thay vào đó, nó thường xuất hiện với vai trò bảo vệ, chẳng hạn như mạ kẽm cho sắt thép để ngăn gỉ sét, giúp duy trì khả năng dẫn điện và cơ học của vật liệu chính.
6. Niken (Ni)
Không dẫn điện tốt như bạc, đồng hay vàng, niken lại được đánh giá cao ở độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn, và sự ổn định trong môi trường khắc nghiệt. Về mặt cấu trúc niken mang vẻ trầm lặng nhưng kiên cường khi có hai electron hóa trị trong lớp ngoài cùng, giúp duy trì khả năng dẫn điện ở mức ổn định. Tuy nhiên, do mạng tinh thể khá chặt, mật độ electron tự do di chuyển thấp hơn các kim loại như đồng hay nhôm, nên khả năng dẫn điện bị hạn chế (1,4 × 10⁷ S/m). Dù vậy, kim loại này lại thể hiện ưu thế vượt trội khi làm việc trong môi trường có độ ẩm cao, axit yếu hoặc nhiệt độ cao, nơi nhiều kim loại khác dễ bị oxy hóa. Chính vì thế, niken thường được sử dụng để mạ bề mặt cho đồng hoặc thép, giúp cải thiện khả năng dẫn điện lâu dài và tăng tính thẩm mỹ.
7. Đồng thiếc
Loại hợp kim của đồng (Cu) và thiếc (Sn) đã đồng hành cùng con người suốt hàng nghìn năm, từ thời đồ đồng cho đến các công nghệ hiện đại. Dù ra đời rất sớm, nhưng đồng thiếc vẫn giữ vị trí đặc biệt trong vật liệu học nhờ độ bền cơ học, khả năng chống ăn mòn, và tính dẫn điện ổn định.
Về khả năng dẫn điện, đồng thiếc có độ dẫn khoảng 1,0 – 1,5 × 10⁷ S/m, thấp hơn đồng nguyên chất khoảng 4-5 lần. Nguyên nhân là do nguyên tử thiếc xen kẽ vào mạng tinh thể của đồng, làm cản trở chuyển động của các electron tự do, những hạt mang dòng điện. Tuy nhiên, hợp kim này lại cứng hơn, chịu mài mòn và oxy hóa tốt hơn rất nhiều, đặc biệt trong môi trường biển hoặc nơi có độ ẩm cao.
9. Sắt (Fe)
Trong thế giới kim loại, sắt không phải là chất dẫn điện tốt nhất, nhưng lại là “trụ cột” không thể thiếu trong nền công nghiệp hiện đại. Với độ dẫn điện khoảng 1,0 × 10⁷ S/m, sắt chỉ dẫn điện ở mức trung bình, nhưng điều khiến nó trở nên đặc biệt chính là độ bền, tính từ và khả năng chịu lực vượt trội.
Cấu trúc của sắt gồm hai electron hóa trị có thể tham gia dẫn điện, tuy nhiên mạng tinh thể lập phương tâm khối (BCC) của nó lại khiến các electron khó di chuyển tự do như trong các kim loại dẫn điện tốt nhất kể trên. Chính vì vậy, sắt thường không được dùng làm dây dẫn điện chính, mà chủ yếu xuất hiện trong lõi dây, vỏ thiết bị, hoặc nam châm điện, nơi cần sự kết hợp giữa tính cơ học và tính từ tính.
10. Bạch kim (Pt)
Trong thế giới kim loại quý, bạch kim không ồn ào như vàng, cũng không rực rỡ như bạc, nhưng lại mang trong mình một đẳng cấp của sự bền vững và ổn định tuyệt đối. Với độ dẫn điện khoảng 9,4 × 10⁶ S/m chỉ ở mức trung bình, nhưng điểm khiến nó nổi bật là khả năng duy trì hiệu suất dẫn điện ổn định trong mọi điều kiện môi trường, kể cả khi phải hoạt động ở nhiệt độ cao, áp suất lớn hoặc trong môi trường hóa chất ăn mòn.
Cấu trúc tinh thể của bạch kim có mật độ electron tự do ổn định và liên kết nguyên tử bền chặt, giúp nó vừa có thể truyền điện, vừa chống lại quá trình oxy hóa và ăn mòn gần như tuyệt đối. Không giống như bạc hay đồng dễ bị xỉn màu, bạch kim giữ nguyên độ sáng và khả năng dẫn điện qua thời gian, một đặc tính cực kỳ quý giá trong thiết bị điện tử chính xác, đầu dò cảm biến, vi mạch cao cấp và các ứng dụng trong y sinh học.
11. Thép
Nhắc đến thép, người ta thường nghĩ ngay đến sức mạnh, độ cứng và khả năng chịu lực hơn là tính dẫn điện. Thật vậy, thép không phải là vật liệu nổi bật trong lĩnh vực truyền dẫn điện, với độ dẫn điện chỉ khoảng 1,0 × 10⁶ đến 6,0 × 10⁶ S/m. Tuy nhiên, chính cấu trúc hợp kim phức tạp của thép lại là điều khiến nó trở thành vật liệu không thể thay thế trong vô số ứng dụng kỹ thuật.
Về bản chất, thép là hợp kim của sắt và cacbon, đôi khi pha thêm mangan, crôm, niken hoặc molypden để tăng độ bền và khả năng chống gỉ. Chính sự pha tạp này khiến mạng tinh thể của sắt bị “biến dạng” phần nào, làm giảm mật độ electron tự do trực tiếp ảnh hưởng đến khả năng dẫn điện. Dù vậy, thép lại có độ bền cơ học cực cao, chịu nhiệt tốt, và ổn định trong môi trường khắc nghiệt, nên vẫn được dùng phổ biến trong kết cấu điện công nghiệp, vỏ dây cáp, hay khung thiết bị truyền tải điện.
12. Chì (Pb)
Loại vật liệu này được ví như người công nhân trầm lặng, chậm rãi, bền bỉ, nhưng có vai trò rất riêng mà không kim loại nào thay thế hoàn toàn được. Với độ dẫn điện chỉ khoảng 4,8 × 10⁶ S/m, chì là kim loại dẫn điện kém, song lại nổi bật bởi khả năng chịu ăn mòn, dễ định hình và tính ổn định hóa học cao.
Cấu trúc nguyên tử của chì chứa bốn electron hóa trị, nhưng phần lớn trong số đó bị hút chặt bởi hạt nhân nặng, khiến mật độ electron tự do thấp khiến chì truyền điện kém hơn nhiều so với các kim loại nhẹ hơn. Tuy vậy, chính đặc điểm này lại giúp chì ổn định về mặt hóa học và chịu đựng tốt trong môi trường axit hoặc ẩm ướt, nơi mà nhiều kim loại dẫn điện tốt khác dễ bị oxy hóa.
13. Thép không gỉ
Mạnh mẽ, thanh lịch và gần như miễn nhiễm với thời gian, thép không gỉ (inox) được xem là một phiên bản “tiến hóa” của thép thông thường. Tuy nhiên, đổi lại cho vẻ đẹp sáng bóng và độ bền ấn tượng ấy, inox lại không phải là chất dẫn điện tốt. Với độ dẫn điện chỉ khoảng 1,3 × 10⁶ S/m, inox dẫn điện kém hơn thép carbon, đồng, hay nhôm đến hàng chục lần.
Nguyên nhân đến từ thành phần hợp kim phức tạp của inox. Nó là sự pha trộn giữa sắt, crôm, niken, mangan và đôi khi là molypden. Sự kết hợp này giúp inox hình thành lớp màng oxit crôm (Cr₂O₃) siêu mỏng trên bề mặt như “áo giáp” chống gỉ tự nhiên, giúp kim loại gần như không bị oxy hóa. Nhưng chính lớp màng này, cùng với mạng tinh thể bị biến dạng bởi nguyên tố pha tạp, lại làm giảm đáng kể mật độ electron tự do, khiến khả năng dẫn điện suy yếu.
Các yếu tố ảnh hưởng đến độ dẫn điện của vật liệu
Khả năng dẫn điện của một vật liệu không phải là giá trị cố định, mà có thể thay đổi dưới tác động của nhiều yếu tố vật lý và hóa học. Dưới đây là những yếu tố quan trọng nhất ảnh hưởng đến độ dẫn điện:
-
Nhiệt độ: Khi nhiệt độ tăng, các nguyên tử trong vật liệu dao động mạnh hơn, gây cản trở sự di chuyển của các electron tự do. Điều này làm giảm độ dẫn điện và tăng điện trở suất. Mối quan hệ này nhìn chung mang tính tuyến tính, nhưng có thể bị phá vỡ ở nhiệt độ cực thấp, khi các vật liệu bắt đầu thể hiện tính siêu dẫn.
-
Tạp chất: Sự có mặt của tạp chất, dù rất nhỏ, cũng có thể làm giảm đáng kể khả năng dẫn điện. Các nguyên tử lạ xen vào mạng tinh thể làm rối loạn đường đi của electron, khiến dòng điện di chuyển kém hiệu quả hơn. Chẳng hạn, bạc bị oxy hóa đều dẫn điện kém hơn bạc nguyên chất.
-
Cấu trúc tinh thể và pha vật liệu: Độ hoàn hảo của mạng tinh thể ảnh hưởng trực tiếp đến tốc độ di chuyển của electron. Vật liệu có nhiều pha khác nhau hoặc chứa ranh giới hạt sẽ khiến electron bị tán xạ nhiều hơn, làm giảm độ dẫn điện tổng thể. Các quá trình nhiệt luyện, ép nguội, hoặc pha hợp kim đều có thể thay đổi cấu trúc này.
-
Trường điện từ bên ngoài: Khi có dòng điện chạy qua, dây dẫn tạo ra từ trường vuông góc với điện trường. Nếu xuất hiện thêm một trường điện từ ngoài, hiện tượng từ trở có thể xảy ra, khiến dòng điện di chuyển chậm lại hoặc bị lệch hướng, làm thay đổi độ dẫn điện thực tế của vật liệu.
-
Tần số dòng điện: Đối với dòng điện xoay chiều (AC), tần số càng cao thì hiệu ứng bề mặt càng rõ rệt, dòng điện có xu hướng chạy quanh bề mặt vật dẫn thay vì đi sâu vào lõi. Kết quả là tiết diện hữu dụng của dòng điện giảm, kéo theo hiệu suất dẫn điện giảm. Ngược lại, dòng điện một chiều (DC) không có dao động tần số, nên không bị ảnh hưởng bởi hiệu ứng này.
