Pourquoi les câbles sont-ils isolés
Pourquoi les câbles sont-ils isolés ?
Dans les systèmes électriques modernes, à l'exception des câbles de transmission aérienne montés sur des poteaux électriques, presque tous les câbles utilisés aujourd'hui sont isolés. La résistance d'isolation d'un câble est étroitement liée à son application prévue. L'isolation sert plusieurs fonctions critiques. Au-delà de la minimisation des pertes d'énergie vers l'environnement, son rôle le plus crucial est de protéger les vies humaines en empêchant les électrocutions.
L'électricité représente un danger significatif. Un simple contact accidentel avec un câble sous tension peut avoir des conséquences fatales, ne laissant aucune marge de manœuvre. Nos corps sont des conducteurs partiels de l'électricité. Lorsque nous entrons en contact avec un conducteur porteur de courant, le courant électrique va circuler du conducteur vers notre corps. Étant donné la conductivité limitée de notre corps, il ne peut pas dissiper efficacement le courant entrant. Lorsque la quantité de courant dépasse la tolérance de notre corps, cela peut entraîner un résultat fatal.
Pour prévenir de tels accidents tragiques dans les environnements domestiques et industriels, l'isolation des câbles est devenue une exigence essentielle. L'isolation agit comme une barrière, empêchant les fuites de courant et garantissant que les composants électriques sous tension ne soient pas accessibles, éliminant ainsi le risque d'électrocution.
Qu'est-ce qu'un isolant ?
Un isolant est un matériau ou une substance qui résiste au flux de chaleur et d'électricité. Cette résistance provient de l'absence d'électrons libres se déplaçant librement dans le matériau. Lorsque les conducteurs sont recouverts de matériaux isolants, tels que le chlorure de polyvinyle (PVC), on dit qu'ils sont isolés. Ce processus, connu sous le nom d'isolation, vise à empêcher l'énergie électrique et les signaux de se dissiper dans l'environnement extérieur.
Effet de la température sur les matériaux isolés
La température a un impact profond sur les propriétés électriques des différents matériaux. Dans les conducteurs, une augmentation de la température entraîne une augmentation de la résistance. En revanche, les semi-conducteurs et les isolants présentent une diminution de la résistance lorsque la température augmente. Dans des conditions de température extrême, un semi-conducteur peut se transformer en un meilleur conducteur, et un isolant peut même présenter un comportement similaire à celui d'un semi-conducteur.
Résistance d'isolation d'un câble
Les conducteurs de câbles sont enveloppés d'une isolation d'une épaisseur appropriée pour empêcher les fuites de courant. L'épaisseur de l'isolation est déterminée par l'utilisation prévue du câble. Dans un câble, le trajet de la fuite de courant est radial, et l'isolation offre une résistance radiale au flux de courant le long de toute sa longueur.
Rins = ρdr/2πrl
Pour un câble monobrin avec un conducteur de rayon r1, une gaine interne de rayon r2, une longueur l, et un matériau d'isolation de résistivité ρ, le périmètre du conducteur est 2πr1. L'épaisseur différentielle de l'isolation est notée dr. La résistance d'isolation Rins peut être exprimée comme suit :
Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]
Il est notoire que Rins est inversement proportionnel à la longueur l du câble, ce qui contraste avec la relation R=ρl pour la résistance des conducteurs, où ρ représente la résistivité, une constante spécifique au matériau.
Certains câbles, tels que les câbles coaxiaux, présentent plusieurs couches d'isolation et plusieurs cœurs. Dans les câbles coaxiaux, le fil central sert de conducteur principal. Les cœurs supplémentaires sont conçus pour des fins de mise à la terre et pour protéger contre l'échappement des ondes électromagnétiques et des radiations. Un câble coaxial se compose d'un conducteur interne, généralement en cuivre en raison de sa faible résistivité (et parfois plaqué pour améliorer ses performances), enveloppé dans une série de couches isolantes. Ces couches comprennent souvent un matériau diélectrique, une gaine en aluminium ou en fil de cuivre, et une gaine externe en PVC. La gaine externe protège le câble des facteurs environnementaux externes. Lorsqu'une tension est appliquée au conducteur interne, la gaine reste à une tension négligeable.
La conception coaxiale offre des avantages significatifs. Elle confine les champs électriques et magnétiques à l'intérieur du diélectrique, minimisant les fuites à l'extérieur de la gaine. Les multiples couches d'isolation bloquent efficacement les champs électromagnétiques et les radiations externes, empêchant les interférences. Comme les conducteurs de plus grand diamètre ont une résistance plus faible et émettent moins de fuites électromagnétiques, et que l'isolation supplémentaire réduit encore ces fuites, les câbles coaxiaux avec plusieurs couches d'isolation sont idéaux pour transmettre des signaux faibles qui sont vulnérables aux interférences.
Caractéristiques d'un câble isolé
Étant donné que la résistance d'isolation d'un câble est déterminée par son objectif de conception, les ingénieurs doivent prendre en compte plusieurs facteurs lors de la conception des câbles. Par exemple, les câbles coaxiaux nécessitent une isolation extensive pour empêcher à la fois les fuites de puissance et l'échappement des radiations électromagnétiques, souvent avec deux, trois ou même quatre couches d'isolation. Bien que différents câbles soient conçus pour diverses applications, ils partagent généralement les caractéristiques clés suivantes :
Résistance à la chaleur : Capable de résister à de hautes températures sans se dégrader.
Haute résistance d'isolation : Minimise les fuites de courant et assure la sécurité électrique.
Durabilité mécanique : Résistant aux coupures, aux déchirures et à l'abrasion, assurant une fiabilité à long terme.
Propriétés supérieures : Présente d'excellentes caractéristiques mécaniques et électriques.
Résistance chimique : Résistant aux huiles, solvants et divers produits chimiques.
Résilience environnementale : Insensible à l'ozone et aux conditions météorologiques, adapté à un usage intérieur et extérieur.
