چرا کابل‌ها عایق می‌شوند

چرا کابل‌ها عایق می‌شوند؟ 

در سیستم‌های برق مدرن، به جز کابل‌های انتقال برق بالا که بر روی پایه‌های برق نصب شده‌اند، تقریباً تمام کابل‌های مورد استفاده در حال حاضر عایق شده‌اند. مقاومت عایق کابل به کاربرد مورد نظر آن وابسته است. عایق‌بندی توابع متعددی را انجام می‌دهد. فراتر از کاهش زیان‌های انرژی به محیط اطراف، مهم‌ترین نقش آن محافظت از زندگی انسان‌ها با جلوگیری از سوختگی الکتریکی است.

برق خطرات قابل توجهی دارد. تماس تصادفی با یک کابل زنده می‌تواند پیامدهای مرگباری داشته باشد و فرصت دومی وجود ندارد. بدن ما رسانای جزئی برق است. هنگامی که با یک رسانای حامل جریان در تماس می‌آییم، جریان الکتریکی از رسانا به بدن ما می‌رود. با توجه به رسانایی محدود بدن ما، قادر به پخش مؤثر جریان ورودی نیست. هنگامی که مقدار جریان از تحمل بدن ما بیشتر شود، می‌تواند منجر به نتیجه مرگبار شود.

برای جلوگیری از چنین تصادفات تragیکی در محیط‌های خانگی و صنعتی، عایق‌بندی کابل‌ها به یک نیاز ضروری تبدیل شده است. عایق‌بندی به عنوان یک مانع عمل می‌کند، جلوگیری از نشت جریان و اطمینان از عدم دسترسی به قطعات برق زنده را تضمین می‌کند، بنابراین خطر سوختگی الکتریکی را حذف می‌کند.

چه چیزی عایق است؟

عایق یک ماده یا ماده است که مقاومت در برابر جریان حرارت و برق را ارائه می‌دهد. این مقاومت از غیاب الکترون‌های آزاد در ماده ناشی می‌شود. هنگامی که رساناهای پوشیده با مواد عایق‌کننده مانند پلی‌وینیل کلرید (PVC) می‌شوند، آن‌ها عایق شده می‌گویند. این فرآیند که عایق‌بندی نامیده می‌شود، به منظور جلوگیری از پخش انرژی و سیگنال‌های الکتریکی به محیط اطراف انجام می‌شود.

تأثیر دما بر مواد عایق‌شده

دمای تأثیر عمیقی بر خصوصیات الکتریکی مواد مختلف دارد. در رساناهایی، افزایش دما منجر به افزایش مقاومت می‌شود. در مقابل، نیمه‌رساناهای و عایق‌ها با افزایش دما مقاومت کمتری دارند. در شرایط دماهای شدید، یک نیمه‌رسانا می‌تواند به یک رسانای بهتر تبدیل شود و یک عایق حتی می‌تواند رفتاری شبیه به نیمه‌رسانا نشان دهد.

مقاومت عایق یک کابل

رساناهای کابل در عایق با ضخامت مناسب جاسازی شده‌اند تا جلوگیری از نشت جریان را تضمین کنند. ضخامت عایق بر اساس کاربرد مورد نظر کابل تعیین می‌شود. در یک کابل، مسیر نشت جریان شعاعی است و عایق مقاومت شعاعی به جریان در طول کل کابل ارائه می‌دهد.

Rins = ρdr/2πrl

برای یک کابل تک‌هسته‌ای با رسانایی به شعاع r1، پوشش داخلی به شعاع r2، طول l و ماده عایق‌کننده با مقاومت ρ، محیط رسانا 2πr1 است. ضخامت دیفرانسیل عایق dr نشان داده می‌شود. مقاومت عایق Rins می‌تواند به صورت زیر بیان شود:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

به توجه، Rins با طول l کابل نسبت معکوس دارد که با رابطه R=ρl برای مقاومت رسانا که ρ مقاومت ویژه یک ماده خاص است، در تضاد است.

برخی کابل‌ها مانند کابل‌های کوکسیال شامل لایه‌های عایق‌کننده چندگانه و هسته‌های چندگانه هستند. در کابل‌های کوکسیال، سیم مرکزی به عنوان رسانای اصلی عمل می‌کند. هسته‌های اضافی برای ارضی شدن طراحی شده‌اند و برای محافظت در برابر فراری گرفتن موج‌های الکترومغناطیسی و تابش. یک کابل کوکسیال شامل یک رسانای داخلی، معمولاً از مس به دلیل مقاومت کم (و گاهی اوقات پوشانده شده برای عملکرد بهتر)، درون مجموعه‌ای از لایه‌های عایق‌کننده جاسازی شده است. این لایه‌ها اغلب شامل یک ماده دی الکتریک، یک پوشش آلومینیوم یا سیم مسی و یک پوشش PVC خارجی است. پوشش خارجی کابل را از عوامل محیطی خارجی محافظت می‌کند. هنگامی که ولتاژ به رسانای داخلی اعمال می‌شود، پوشش در ولتاژ کمی باقی می‌ماند.

طراحی کوکسیال مزایای قابل توجهی دارد. این طراحی میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را درون دی الکتریک محدود می‌کند، کاهش می‌دهد به خارج از پوشش. لایه‌های چندگانه عایق به طور مؤثری میدان‌های الکترومغناطیسی و تابش خارجی را مسدود می‌کنند، جلوگیری از تداخل. چون رساناهای با قطر بزرگتر مقاومت کمتری دارند و کمتر تابش الکترومغناطیسی دارند، و عایق‌بندی اضافی این تابش را بیشتر کاهش می‌دهد، کابل‌های کوکسیال با لایه‌های عایق‌کننده چندگانه برای انتقال سیگنال‌های ضعیف که در برابر تداخل آسیب‌پذیر هستند، مناسب هستند.

ویژگی‌های یک کابل عایق‌شده

با توجه به اینکه مقاومت عایق یک کابل بر اساس هدف طراحی آن تعیین می‌شود، مهندسان باید عوامل مختلفی را در نظر بگیرند هنگام طراحی کابل‌ها. به عنوان مثال، کابل‌های کوکسیال نیاز به عایق‌بندی گسترده‌ای دارند تا هم نشتی برق و هم فراری گرفتن تابش الکترومغناطیسی را جلوگیری کنند، اغلب شامل دو، سه یا حتی چهار لایه عایق‌کننده می‌شوند. کابل‌های مختلف برای کاربردهای متنوع طراحی شده‌اند، اما به طور کلی ویژگی‌های کلیدی زیر را دارند:

• مقاومت در برابر گرما: توانایی تحمل دماهای بالا بدون تخریب.

• مقاومت عایق بالا: کاهش نشتی جریان و تضمین ایمنی الکتریکی.

• طول عمر مکانیکی: مقاومت در برابر برش، پارگی و خراش، تضمین قابلیت اطمینان بلندمدت.

• خصوصیات برتر: نشان دادن مشخصات مکانیکی و الکتریکی عالی.

• مقاومت در برابر مواد شیمیایی: مقاومت در برابر روغن‌ها، محلول‌ها و مواد شیمیایی مختلف.

• مقاومت در برابر محیط: مقاومت در برابر ازن و شرایط آب و هوایی، مناسب برای استفاده در داخل و خارج از ساختمان.