Tính chất của Dây dẫn Điện
Một dây dẫn điện là vật liệu cho phép các điện tích di chuyển dễ dàng qua nó khi chịu sự chênh lệch điện thế. Dây dẫn điện rất quan trọng cho nhiều ứng dụng như dây dẫn, đường dây truyền tải, máy điện, phần tử đốt nóng, che chắn tĩnh điện, và nhiều hơn nữa. Trong bài viết này, chúng ta sẽ khám phá các tính chất của dây dẫn điện, các loại, ví dụ và ứng dụng.
Định nghĩa về Dây dẫn Điện
Dây dẫn điện được định nghĩa là vật liệu có electron tự do hoặc ion có thể mang dòng điện khi một trường điện được áp dụng. Khả năng dẫn điện của một vật liệu được gọi là độ dẫn. Ngược lại với dây dẫn là vật cách điện, có rất ít hoặc không có electron tự do hoặc ion và không cho phép dòng điện chạy qua.
Độ dẫn của một vật liệu phụ thuộc vào nhiều yếu tố, chẳng hạn như cấu trúc nguyên tử, nhiệt độ, tạp chất, và ảnh hưởng bên ngoài. Nhìn chung, kim loại có độ dẫn cao vì chúng có nhiều electron tự do ở vỏ ngoài cùng có thể di chuyển dễ dàng từ nguyên tử này sang nguyên tử khác. Một số ví dụ về dây dẫn tốt là bạc, đồng, vàng, nhôm, sắt, và graphite. Các chất phi kim có độ dẫn thấp vì chúng có ít hoặc không có electron tự do ở vỏ ngoài cùng và có xu hướng giữ chúng chặt chẽ. Một số ví dụ về vật cách điện là cao su, thủy tinh, gỗ, nhựa, và không khí.
Một số vật liệu có độ dẫn trung gian giữa dây dẫn và vật cách điện. Những vật liệu này được gọi là bán dẫn và được sử dụng rộng rãi trong điện tử và công nghệ máy tính. Một số ví dụ về bán dẫn là silic, germani, gali arsinide, và ống nano cacbon.
Tính Chất của Dây dẫn Điện
Dây dẫn điện thể hiện một số tính chất chung khi chúng ở trạng thái cân bằng. Những tính chất này bao gồm:
Kháng điện: Kháng điện là thước đo mức độ mà dây dẫn phản đối dòng điện chạy qua. Nó phụ thuộc vào độ dẫn của vật liệu, chiều dài, diện tích mặt cắt ngang, và nhiệt độ. Độ dẫn là tính chất nội tại của vật liệu xác định độ kháng mỗi đơn vị chiều dài và diện tích. Nó tỷ lệ nghịch với độ dẫn. Dây dẫn có độ dẫn thấp và kháng điện thấp, trong khi vật cách điện có độ dẫn cao và kháng điện cao. Kháng điện khiến một phần năng lượng điện được chuyển thành năng lượng nhiệt trong dây dẫn. Điều này được gọi là sự phát nhiệt Joule hoặc sự phát nhiệt ohmic.
Độ cảm ứng: Độ cảm ứng là thước đo mức độ mà dây dẫn phản đối sự thay đổi dòng điện chạy qua nó. Nó phụ thuộc vào hình dạng, kích thước, hướng, và sắp xếp của dây dẫn. Độ cảm ứng gây ra một trường từ được tạo ra xung quanh dây dẫn khi dòng điện chạy qua nó. Trường từ này có thể gây ra lực điện động (EMF) trong dây dẫn đó hoặc dây dẫn gần đó, phản đối sự thay đổi dòng điện. Điều này được gọi là độ cảm ứng tự và độ cảm ứng lẫn, tương ứng. Độ cảm ứng ảnh hưởng đến phân bố dòng điện và hiệu điện thế rơi trong dây dẫn khi nó được sử dụng cho dòng điện xoay chiều (AC).
Trường điện bên trong dây dẫn là không: Trường điện bên trong dây dẫn hoàn hảo là không vì bất kỳ trường điện nào sẽ tác động lực lên các electron tự do và tăng tốc chúng cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. Trong trạng thái cân bằng, lực tổng cộng trên các electron tự do là không, và chúng không di chuyển. Điều này có nghĩa là không có hiệu điện thế bên trong dây dẫn, và tất cả các điểm đều ở cùng một tiềm năng. Tính chất này làm cho dây dẫn phù hợp để che chắn tĩnh điện cho thiết bị điện.
Mật độ điện tích bên trong dây dẫn là không: Mật độ điện tích bên trong dây dẫn hoàn hảo là không vì bất kỳ điện tích nào sẽ tạo ra một trường điện đẩy điện tích đó ra bề mặt dây dẫn. Sự đẩy lùi tĩnh điện lẫn nhau giữa các điện tích giống nhau (electron) đẩy chúng ra bề mặt ngoài của dây dẫn, nơi chúng có thể xa nhau nhất. Điều này có nghĩa là không có điện tích bên trong dây dẫn, và chỉ có điện tích tự do tồn tại trên bề mặt.
Điện tích tự do chỉ tồn tại trên bề mặt dây dẫn: Như đã thảo luận ở trên, điện tích tự do (electron) không tồn tại bên trong dây dẫn mà chỉ trên bề mặt do sự đẩy lùi tĩnh điện. Số lượng và phân bố của điện tích tự do trên bề mặt phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của dây dẫn và trường điện ngoại vi được áp dụng cho nó.
Trường điện trên bề mặt dây dẫn vuông góc với bề mặt: Trường điện trên bề mặt dây dẫn hoàn hảo là vuông góc (vuông góc) với bề mặt vì bất kỳ thành phần tiếp tuyến nào cũng sẽ khiến các electron tự do di chuyển dọc theo bề mặt cho đến khi chúng hủy bỏ thành phần tiếp tuyến. Điều này có nghĩa là không có thành phần song song của trường điện trên bề mặt, và chỉ có thành phần vuông góc tồn tại.
Các Loại Dây dẫn Điện
Dây dẫn điện có thể được phân loại thành các loại khác nhau dựa trên cấu trúc, thành phần, hành vi và ứng dụng. Một số loại phổ biến bao gồm:
Dây dẫn kim loại: Đây là dây dẫn làm từ kim loại hoặc hợp kim có độ dẫn cao do có electron tự do. Chúng được sử dụng rộng rãi cho dây dẫn, đường dây truyền tải, máy điện, tiếp xúc điện, v.v. Một số ví dụ là bạc (Ag), đồng (Cu), vàng (Au), nhôm (Al), sắt (Fe), v.v.
Dây dẫn ion: Đây là dây dẫn làm từ hợp chất ion có độ dẫn cao do có ion tự do khi chúng tan trong nước hoặc tan chảy thành trạng thái lỏng. Chúng được sử dụng cho điện phân, pin, tế bào nhiên liệu, v.v. Một số ví dụ là clorua natri (NaCl), hydroxit kali (KOH), axit sulfuric (H2SO4), v.v.
Dây dẫn phân tử: Đây là dây dẫn làm từ phân tử có độ dẫn cao do có electron phân tán hoặc quỹ đạo phân tử có thể chồng chéo với nhau. Chúng được sử dụng cho điện tử hữu cơ, công nghệ nano, v.v. Một số ví dụ là than chì (C), ống nano cacbon (CNTs), polyacetylen (PA), v.v.
Siêu dẫn: Đây là dây dẫn có độ kháng bằng không và độ dẫn vô hạn khi chúng được làm lạnh xuống dưới một nhiệt độ tới hạn nhất định. Chúng cũng thể hiện các hiện tượng khác, như hiệu ứng Meissner, dòng điện bền, bay lượng tử, v.v. Chúng được sử dụng cho nam châm siêu dẫn, máy tính lượng tử, chụp ảnh y tế, v.v. Một số ví dụ là thủy ngân (Hg), chì (Pb), oxit barium đồng ytri (YBCO), v.v.
Ứng dụng của Dây dẫn Điện
Dây dẫn điện có nhiều ứng dụng trong các lĩnh vực khoa học, kỹ thuật và công nghệ. Một số ứng dụng phổ biến bao gồm:
Dây dẫn: Dây dẫn là một trong những ứng dụng phổ biến nhất của dây dẫn điện. Nó bao gồm việc kết nối các thiết bị điện hoặc bộ phận với dây làm từ dây dẫn kim loại như đồng hoặc nhôm. Dây dẫn cho phép điện chạy từ điểm này sang điểm khác với tổn thất hoặc nhiễu tối thiểu.
Đường dây truyền tải: Đường dây truyền tải là dây hoặc cáp chuyên dụng mang dòng điện xoay chiều (HVAC) hoặc dòng điện một chiều (HVDC) qua khoảng cách dài từ nhà máy điện đến trạm biến áp hoặc người tiêu dùng. Đường dây truyền tải sử dụng dây dẫn kim loại như nhôm hoặc thép được củng cố bằng lõi thép hoặc sợi quang. Đường dây truyền tải cho phép truyền điện hiệu quả với tổn thất hoặc nhiễu tối thiểu.
Máy điện: Máy điện là thiết bị chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng cơ học hoặc ngược lại. Chúng bao gồm động cơ, máy phát,
