Tính chất vật lí và ứng dụng của kim loại

Vật liệu làm dây dẫn điện trong nhà cần đồng thời ba yêu cầu: dẫn điện tốt để không hao phí điện năng, giá thành hợp lí để sản xuất hàng loạt, và đủ bền, dẻo để dễ thi công, uốn theo tường mà không gãy.

Bạc dẫn điện tốt nhất trong mọi kim loại, nhưng trữ lượng ít và giá thành rất đắt, nên chỉ dùng ở những mạch điện tử đặc biệt cần độ chính xác cao (như tiếp điểm trong thiết bị đo lường), không thể dùng đại trà cho hàng trăm mét dây điện trong một ngôi nhà.

Đồng dẫn điện đạt khoảng 95% so với bạc (xem biểu đồ trên) — gần như tương đương về hiệu quả truyền điện — trong khi giá thành rẻ hơn bạc rất nhiều lần, lại có độ dẻo tốt để kéo thành dây và uốn cong khi lắp đặt.

Sắt dẫn điện kém hơn hẳn (chỉ khoảng 17%, tức 1/6 so với đồng ở biểu đồ trên) nên nếu dùng làm dây dẫn, dòng điện bị cản trở lớn, tỏa nhiệt nhiều gây hao phí điện năng và có nguy cơ quá nhiệt; muốn tải cùng một dòng điện, dây sắt phải to hơn dây đồng rất nhiều, tốn vật liệu mà vẫn kém hiệu quả.

Đồng vừa dẫn điện tốt vừa giá thành hợp lí, đủ dẻo để thi công — đó là lí do được chọn phổ biến cho dây điện dân dụng, không phải vì đồng dẫn điện tốt nhất trong mọi kim loại.

Cho bảng nhiệt độ nóng chảy: thủy ngân (Hg) −39 °C, nhôm (Al) 660 °C, sắt (Fe) 1538 °C, vonfram (W) 3422 °C. Giải thích vì sao thủy ngân được dùng làm chất lỏng trong nhiệt kế (loại cũ) và vonfram được dùng làm dây tóc bóng đèn sợi đốt.

Hg có nhiệt độ nóng chảy rất thấp (−39 °C), thấp hơn nhiều so với mọi nhiệt độ mà nhiệt kế cần đo (nhiệt độ cơ thể người, nhiệt độ phòng), nên ở mọi tình huống sử dụng, Hg luôn ở thể lỏng, có thể dâng lên hoặc hạ xuống trong ống thủy tinh mảnh để chỉ thị nhiệt độ một cách chính xác, liên tục.

Nhôm có nhiệt độ nóng chảy chỉ 660 °C — quá thấp so với cả hai yêu cầu trên — nên không thể dùng làm dây tóc bóng đèn, dù nhôm dẫn điện khá tốt và nhẹ.

Mỗi kim loại được chọn vì tính chất vật lí khớp với yêu cầu sử dụng cụ thể, không phải kim loại nào “tốt” theo một tiêu chí cũng luôn được chọn cho mọi ứng dụng.