Đồng: vì sao dây điện, ống nước, tản nhiệt máy tính đều chọn đồng

Dây điện, ống dẫn ga điều hoà và đế tản nhiệt chọn đồng vì trong các kim loại thông dụng, đồng dẫn điện và dẫn nhiệt tốt thứ hai, chỉ sau bạc, mà lại rẻ và bền hơn bạc rất nhiều. Đồng còn dẻo, kéo được thành sợi mảnh, hàn và nối dễ, không gỉ đỏ như sắt. Đồng nóng chảy ở khoảng 1.085 °C. Riêng đường dây tải điện trên cột thì phần lớn dùng nhôm, vì xét theo khối lượng, nhôm dẫn điện hơn đồng.

Vì sao đồng dẫn điện tốt đến vậy?

Trong kim loại, mỗi nguyên tử nhả ra một vài electron ngoài cùng vào một "biển electron" chung. Dòng điện chính là dòng electron trôi trong biển ấy. Với đồng, mỗi nguyên tử góp một electron rất linh động, và mạng tinh thể lập phương tâm mặt của đồng khá "êm", ít cản trở electron. Nhiệt cũng được chuyển chủ yếu bởi chính các electron đó, nên kim loại dẫn điện tốt thường dẫn nhiệt tốt.

Năm 1913, Ủy ban Kỹ thuật Điện Quốc tế lấy đồng ủ mềm làm chuẩn so sánh, gọi là 100% IACS. Đến nay người ta vẫn dùng thang này để ghi độ dẫn điện của dây và hợp kim. Đồng tinh luyện hiện đại tinh khiết hơn thời đó, nên thường đạt nhỉnh hơn 100% IACS một chút.

Bảng cho thấy một điều thú vị: chỉ cần pha kẽm vào đồng để thành đồng thau, độ dẫn điện đã tụt còn khoảng một phần tư. Các nguyên tử lạ làm méo mạng tinh thể, electron va chạm nhiều hơn. Vì vậy dây điện phải dùng đồng rất sạch, thường từ 99,9% trở lên.

Dây điện trong nhà làm bằng đồng gì?

Lõi dây điện dân dụng là đồng đỏ tinh khiết, được kéo nguội qua hàng loạt khuôn kéo cho mảnh dần, rồi ủ lại cho mềm. Dây mềm nhiều sợi nhỏ (dây đôi cho quạt, đèn bàn) chịu uốn đi uốn lại tốt; dây cứng một sợi to thường đi âm tường cố định. Màu cam hồng sáng ở lõi dây mới là màu đặc trưng của đồng sạch. Lõi đã ngả đen, xỉn hoặc có đốm xanh là đồng bị ôxy hoá, thường do nóng lâu hoặc ẩm.

Cách chọn tiết diện dây không nằm trong phạm vi bài này và cần thợ điện tính theo tải. Chỉ cần nhớ một nguyên lý: dây càng nhỏ thì điện trở càng lớn, dòng điện càng làm dây nóng. Mối nối lỏng, xoắn tay sơ sài, bị ôxy hoá còn nguy hiểm hơn, vì điện trở dồn vào một điểm và có thể nóng đỏ âm thầm bên trong ống luồn dây.

Vì sao dây nhôm cũng được dùng?

Nhôm dẫn điện kém đồng, chỉ khoảng 61–64% IACS, nhưng nhôm nhẹ bằng khoảng một phần ba đồng. Muốn dẫn cùng một dòng điện, dây nhôm phải to hơn dây đồng khoảng 1,6 lần về tiết diện, nhưng vẫn chỉ nặng bằng khoảng một nửa. Với những sợi cáp treo dài hàng trăm mét giữa hai cột, nhẹ hơn nghĩa là cột thưa hơn, móng nhỏ hơn. Cáp trên đường dây cao thế thường là nhiều sợi nhôm bện quanh lõi thép chịu lực; cáp hạ thế vặn xoắn trên cột điện dọc phố cũng thường là lõi nhôm.

Trong nhà thì khác. Ở một số nước, từng có thời kỳ đi dây nhôm cho các mạch điện nhánh, và về sau người ta ghi nhận nhiều sự cố nóng, cháy tại điểm nối. Nguyên nhân là nhôm có lớp ôxít cứng cách điện, giãn nở nhiệt mạnh, lại bị "chảy chậm" dưới lực ép của ốc siết, lâu ngày mối nối lỏng ra. Vì vậy dây trong nhà gần như luôn dùng đồng.

Một điểm hay bị bỏ qua: nối thẳng dây đồng với dây nhôm ngoài trời là tạo ra một cặp pin nhỏ. Khi có hơi ẩm, nhôm bị ăn mòn nhanh tại chỗ tiếp xúc. Thợ điện dùng đầu cốt lưỡng kim đồng – nhôm hoặc kẹp chuyên dụng cho chỗ chuyển tiếp.

Vì sao ống điều hoà và ống dẫn nhiệt lại là đồng?

Ống dẫn môi chất lạnh giữa cục nóng và cục lạnh điều hoà thường là ống đồng. Đồng uốn được bằng tay hoặc dụng cụ uốn mà không gãy, loe miệng ống để nối ren dễ, hàn kín được, chịu được áp suất của môi chất, và không gỉ trong điều kiện ẩm. Dàn trao đổi nhiệt bên trong thường là ống đồng xuyên qua các lá nhôm mỏng: đồng lo phần áp suất và dẫn nhiệt, nhôm lo phần diện tích tiếp xúc với không khí mà lại nhẹ.

Trong máy tính, đế tản nhiệt chạm vào con chip thường là đồng để hút nhiệt thật nhanh khỏi một diện tích nhỏ. Nhiều bộ tản dùng ống dẫn nhiệt: ống đồng kín, bên trong có một ít chất lỏng và lớp bấc mao dẫn. Chất lỏng bốc hơi ở đầu nóng, hơi chạy sang đầu lạnh, ngưng lại rồi theo bấc quay về. Cách này chuyển nhiệt nhanh hơn một thanh đồng đặc cùng kích thước rất nhiều lần. Phần lá tản phía ngoài thì thường là nhôm cho nhẹ.

Đồng đỏ, đồng thau, đồng thiếc khác nhau thế nào?

Người Việt quen gọi theo màu, và mỗi màu ứng với một nhóm thành phần:

Đồng thau dễ gia công trên máy tiện hơn đồng đỏ, nên các chi tiết ren nhỏ như đầu nối vòi nước thường là đồng thau. Một số loại đồng thau cũ có pha chì để dễ cắt gọt; với đồ tiếp xúc nước uống, nhiều nước nay giới hạn lượng chì này.

Lớp xanh trên đồng là gì, có độc không?

Đồng để ngoài trời lâu năm chuyển dần từ đỏ sang nâu sẫm, rồi phủ một lớp xanh lục gọi là lớp patin. Lớp này chủ yếu là muối cacbonat và sunfat của đồng, hình thành chậm qua nhiều năm dưới mưa và không khí. Bức tượng nữ thần lớn ở cảng New York khoác màu xanh chính vì lớp vỏ đồng của nó đã lên patin. Lớp patin bám chặt và che chở phần đồng bên dưới, nên mái và tượng đồng có thể đứng hàng trăm năm.

Khác với patin tự nhiên ngoài trời, vết xanh sinh ra trong nồi, ấm đồng đựng thức ăn chua, mặn để lâu là các muối đồng có thể gây đau bụng, nôn nếu ăn vào. Cách an toàn: đồ đồng dùng nấu nướng phải có lớp tráng phù hợp, không ủ thức ăn chua mặn trong đồ đồng trần, chỗ nào đã lên xanh thì làm sạch trước khi dùng.

Bề mặt đồng và một số hợp kim đồng còn có khả năng diệt nhiều loại vi khuẩn sau một thời gian tiếp xúc, nhờ ion đồng. Một số bệnh viện thử dùng tay nắm cửa, tay vịn bằng hợp kim đồng. Đây là lớp phòng vệ bổ sung, không thay được rửa tay và khử khuẩn.

Đồng đến từ đâu và có cạn không?

Đồng có trong vỏ Trái Đất với hàm lượng nhỏ, chủ yếu ở dạng quặng sunfua như chancopirit (CuFeS₂). Quặng được nghiền, tuyển nổi thành tinh quặng, nấu luyện thành đồng thô rồi điện phân tinh luyện để đạt độ sạch dùng cho dây điện. Theo Cục Địa chất Hoa Kỳ, thế giới những năm gần đây sản xuất khoảng 26–27 triệu tấn đồng tinh luyện mỗi năm; nước khai thác lớn nhất là Chilê.

Nhu cầu đồng đang tăng nhanh vì xe điện, điện gió, điện mặt trời và lưới truyền tải đều cần nhiều đồng hơn công nghệ cũ. Đồng tái chế được gần như không giới hạn mà không mất tính dẫn điện nếu loại sạch tạp chất, nên dây điện cũ luôn được thu gom kỹ. Chuyện đồng tái chế được bàn riêng trong danh mục Tái chế kim loại.

Góc nhìn hôm nay: nhận biết và giữ đồ đồng

• Nhìn lõi dây: lõi đồng sạch có màu cam hồng đều; dây "đồng" mà lõi trắng bạc là dây nhôm hoặc nhôm mạ đồng, dẫn điện kém hơn, cần biết trước khi dùng.
• Thử nam châm: đồng, đồng thau không hút nam châm; vật hút mạnh là thép mạ màu đồng.
• Mối nối: mối nối phát nóng, đổi màu là dấu hiệu nguy hiểm, cần thợ điện kiểm tra ngay.
• Bảo quản: đồ đồng trang trí trong nhà lau khô, để nơi thoáng; muốn giữ màu sáng thì phủ lớp sáp hoặc sơn bóng trong.