¿Por qué se aíslan los cables?
¿Por qué se aíslan los cables?
En los sistemas eléctricos modernos, con la excepción de los cables de transmisión de energía montados en postes eléctricos, casi todos los cables en uso hoy en día están aislados. El grado de resistencia al aislamiento en un cable está estrechamente relacionado con su aplicación prevista. El aislamiento cumple múltiples funciones críticas. Además de minimizar las pérdidas de energía al entorno, su papel más crucial es proteger vidas humanas evitando electrocuciones.
La electricidad representa un peligro significativo. Un solo contacto accidental con un cable vivo puede tener consecuencias fatales, sin dejar margen para un segundo intento. Nuestros cuerpos son conductores parciales de electricidad. Cuando entramos en contacto con un conductor que lleva corriente, la corriente eléctrica fluirá desde el conductor hacia nuestro cuerpo. Dada la limitada conductividad de nuestro cuerpo, no puede disipar eficazmente la corriente entrante. Cuando la cantidad de corriente supera la tolerancia de nuestro cuerpo, puede resultar en un desenlace fatal.
Para prevenir tales accidentes trágicos en entornos domésticos e industriales, el aislamiento de los cables se ha convertido en un requisito esencial. El aislamiento actúa como una barrera, evitando fugas de corriente y asegurando que los componentes eléctricos vivos no sean accesibles, eliminando así el riesgo de electrocución.
¿Qué es un aislante?
Un aislante es un material o sustancia que resiste el flujo de calor y electricidad. Esta resistencia se debe a la ausencia de electrones libres en movimiento dentro del material. Cuando los conductores están cubiertos con materiales aislantes, como el cloruro de polivinilo (PVC), se dice que están aislados. Este proceso, conocido como aislamiento, sirve para evitar que la energía y las señales eléctricas se disipen en el entorno circundante.
Efecto de la temperatura en los materiales aislantes
La temperatura tiene un impacto profundo en las propiedades eléctricas de diferentes materiales. En los conductores, un aumento de la temperatura conduce a un aumento de la resistencia. Por el contrario, en semiconductores y aislantes, se observa una disminución de la resistencia a medida que la temperatura aumenta. Bajo condiciones de temperatura extremas, un semiconductor puede transformarse en un mejor conductor, y un aislante puede incluso exhibir un comportamiento similar al de un semiconductor.
Resistencia al aislamiento de un cable
Los conductores de los cables están recubiertos de aislamiento de un grosor adecuado para evitar fugas de corriente. El grosor del aislamiento se determina según el uso previsto del cable. En un cable, la ruta de la fuga de corriente es radial, y el aislamiento ofrece resistencia radial al flujo de corriente a lo largo de toda su longitud.
Rins = ρdr/2πrl
Para un cable de un solo núcleo con un conductor de radio r1, una vaina interna de radio r2, longitud l, y un material de aislamiento con resistividad ρ, el perímetro del conductor es 2πr1. El espesor diferencial del aislamiento se denota como dr. La resistencia al aislamiento Rins se puede expresar como:
Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]
Es notable que Rins es inversamente proporcional a la longitud l del cable, lo que contrasta con la relación R=ρl para la resistencia del conductor, donde ρ representa la resistividad, una constante específica del material.
Algunos cables, como los coaxiales, presentan múltiples capas de aislamiento y múltiples núcleos. En los cables coaxiales, el cable central sirve como conductor principal. Los núcleos adicionales están diseñados para fines de puesta a tierra y para proteger contra la fuga de ondas electromagnéticas y radiación. Un cable coaxial consiste en un conductor interno, generalmente hecho de cobre debido a su baja resistividad (y a veces chapado para mejorar el rendimiento), envuelto en una serie de capas aislantes. Estas capas a menudo incluyen un material dieléctrico, un escudo de aluminio o de hilos de cobre, y una vaina externa de PVC. La vaina externa protege el cable de factores ambientales externos. Cuando se aplica un voltaje al conductor interno, el escudo permanece a un voltaje negligente.
El diseño coaxial ofrece ventajas significativas. Confinan los campos eléctricos y magnéticos dentro del dieléctrico, minimizando las fugas fuera del escudo. Las múltiples capas de aislamiento bloquean eficazmente los campos electromagnéticos y la radiación externa, previniendo la interferencia. Dado que los conductores con diámetros más grandes tienen menor resistencia y emiten menos fugas electromagnéticas, y el aislamiento adicional reduce aún más dichas fugas, los cables coaxiales con múltiples capas de aislamiento son ideales para transmitir señales débiles que son vulnerables a la interferencia.
Características de un cable aislado
Dado que la resistencia al aislamiento de un cable se determina por su propósito de diseño, los ingenieros deben considerar varios factores al diseñar cables. Por ejemplo, los cables coaxiales requieren un aislamiento extenso para prevenir tanto fugas de potencia como escape de radiación electromagnética, a menudo presentando dos, tres o incluso cuatro capas de aislamiento. Diferentes cables están diseñados para diversas aplicaciones, pero generalmente comparten las siguientes características clave:
Resistencia al calor: Capacidad para soportar altas temperaturas sin degradarse.
Alta resistencia al aislamiento: Minimiza las fugas de corriente y garantiza la seguridad eléctrica.
Durabilidad mecánica: Resistente a cortes, rasgaduras y abrasión, asegurando confiabilidad a largo plazo.
Propiedades superiores: Exhibe excelentes características mecánicas y eléctricas.
Resistencia química: Resistente a aceites, disolventes y diversos productos químicos.
Resiliencia ambiental: Impermeable al ozono y a las condiciones climáticas, adecuado para uso tanto en interiores como en exteriores.
