چرا سیم‌ها عایق می‌شوند

چرا کابل‌ها عایق می‌شوند؟ 

در سیستم‌های الکتریکی مدرن، به جز کابل‌های انتقال برق هوایی که روی ستون‌های برق نصب شده‌اند، تقریباً تمام کابل‌های مورد استفاده امروزی عایق شده‌اند. میزان مقاومت عایق در یک کابل به کاربرد مورد نظر آن وابسته است. عایق عملکردهای متعددی دارد. فراتر از کاهش ضایعات انرژی به محیط اطراف، مهم‌ترین نقش آن محافظت از زندگی انسان‌ها با جلوگیری از شوک الکتریکی است.

برق خطر قابل توجهی دارد. یک تماس تصادفی با یک کابل زنده می‌تواند پیامدهای مرگباری داشته باشد و فرصت دومی برای اصلاح اشتباه وجود ندارد. بدن ما رسانای جزئی برای برق است. هنگامی که با یک رسانا که جریان الکتریکی را منتقل می‌کند تماس می‌گیریم، جریان الکتریکی از رسانا به بدن ما می‌رود. با توجه به رسانایی محدود بدن ما، نمی‌تواند جریان وارد شده را مؤثرانه تخلیه کند. وقتی مقدار جریان از تحمل بدن ما بیشتر شود، می‌تواند منجر به پیامدهای مرگبار شود.

برای جلوگیری از چنین تصادفات تragیکی در محیط‌های خانگی و صنعتی، عایق کردن کابل‌ها به یک نیاز ضروری تبدیل شده است. عایق به عنوان یک مانع عمل می‌کند، جلوگیری از نشت جریان و اطمینان از عدم دسترسی به قطعات الکتریکی زنده را فراهم می‌کند و در نتیجه خطر شوک الکتریکی را حذف می‌کند.

چه چیزی عایق است؟

عایق یک ماده یا ماده است که مقاومت در برابر جریان حرارت و برق دارد. این مقاومت از عدم وجود الکترون‌های آزاد در مواد ناشی می‌شود. هنگامی که رساناها با مواد عایق‌کننده مانند پولی‌وینیل کلرید (PVC) پوشانده می‌شوند، آنها عایق شده می‌گویند. این فرآیند که عایق‌کردن نامیده می‌شود، به منظور جلوگیری از تخلیه انرژی و سیگنال‌های الکتریکی به محیط اطراف عمل می‌کند.

تأثیر دما بر مواد عایق

دمای تأثیر عمیقی بر خصوصیات الکتریکی مواد مختلف دارد. در رساناها، افزایش دما منجر به افزایش مقاومت می‌شود. در مقابل، نیمه‌رساناها و عایقات با افزایش دما مقاومت کمتری دارند. در شرایط دماهای حدی، یک نیمه‌رسانا می‌تواند به یک رسانا بهتر تبدیل شود و یک عایق ممکن است رفتاری مشابه نیمه‌رسانا نشان دهد.

مقاومت عایق یک کابل

رسانه‌های کابل در عایق با ضخامت مناسب جعبه‌بندی شده‌اند تا جلوگیری از نشت جریان کنند. ضخامت عایق با توجه به کاربرد مورد نظر کابل تعیین می‌شود. در یک کابل، مسیر نشت جریان شعاعی است و عایق مقاومت شعاعی در طول کل آن را ارائه می‌دهد.

Rins = ρdr/2πrl

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

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

به طور قابل توجه، Rins معکوس طول l کابل است، که با رابطه R=ρl برای مقاومت رسانا که در آن ρ مقاومت ویژه یک ثابت مخصوص ماده است، متفاوت است.

برخی از کابل‌ها مانند کابل‌های کوکسیال دارای لایه‌های عایق‌کننده و هسته‌های متعدد هستند. در کابل‌های کوکسیال، سیم مرکزی به عنوان رسانا اصلی عمل می‌کند. هسته‌های اضافی برای ارضای مقصود زمین‌کشی و محافظت در برابر فراری دادن موج‌های الکترومغناطیسی و تابش طراحی شده‌اند. یک کابل کوکسیال شامل یک رسانای داخلی، معمولاً از مس به دلیل مقاومت ویژه پایین (و گاهی اوقات پوشش داده شده برای بهبود عملکرد)، که در مجموعه‌ای از لایه‌های عایق‌کننده قرار گرفته است. این لایه‌ها معمولاً 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 ولتاژی به رسانای داخلی اعمال می‌شود، پوشش با ولتاژی ناچیز باقی می‌ماند.

طراحی کوکسیال مزایای قابل توجهی دارد. آن میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی را در دی الکتریک محدود می‌کند و نشت خارج از پوشش را کاهش می‌دهد. لایه‌های عایق‌کننده متعدد به طور مؤثر میدان‌های الکترومغناطیسی و تابش خارجی را مسدود می‌کنند و مداخله را جلوگیری می‌کنند. چون رساناها با قطر بزرگ‌تر مقاومت کمتری دارند و کمتر تابش الکترومغناطیسی می‌دهند، و عایق‌کننده‌های اضافی این نشت را بیشتر کاهش می‌دهند، کابل‌های کوکسیال با لایه‌های عایق‌کننده متعدد برای انتقال سیگنال‌های ضعیف که به مداخله آسیب‌پذیر هستند مناسب هستند.

ویژگی‌های یک کابل عایق شده

با توجه به اینکه مقاومت عایق یک کابل توسط هدف طراحی آن تعیین می‌شود، مهندسان باید چندین عامل را در نظر بگیرند. به عنوان مثال، کابل‌های کوکسیال به عایق‌کننده‌های گسترده نیاز دارند تا هم نشت برق و هم فراری دادن تابش الکترومغناطیسی را جلوگیری کنند و معمولاً دارای دو، سه یا حتی چهار لایه عایق‌کننده هستند. کابل‌های مختلف برای کاربردهای متنوع طراحی شده‌اند، اما به طور کلی ویژگی‌های کلیدی زیر را دارا هستند:

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

• مقاومت عایق بالا: کاهش نشت جریان و اطمینان از ایمنی الکتریکی.

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

• ویژگی‌های برتر: نشان دادن خصوصیات 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 هوا، مناسب برای استفاده داخلی و خارجی.