Perché i cavi sono isolati?

Perché i cavi sono isolati?

Nei sistemi elettrici moderni, con l'eccezione dei cavi di trasmissione elettrica aerei montati su pali elettrici, quasi tutti i cavi in uso oggi sono isolati. La resistenza all'isolamento di un cavo è strettamente legata alla sua applicazione prevista. L'isolamento svolge diverse funzioni critiche. Oltre a minimizzare le perdite energetiche nell'ambiente circostante, il suo ruolo più cruciale è proteggere le vite umane prevenendo la scossa elettrica.

L'elettricità rappresenta un pericolo significativo. Un solo contatto accidentale con un cavo sotto tensione può avere conseguenze fatali, non lasciando spazio a una seconda possibilità. I nostri corpi sono parzialmente conduttori di elettricità. Quando veniamo a contatto con un conduttore che trasporta corrente, la corrente elettrica fluisce dal conduttore al nostro corpo. Data la nostra limitata conduttività, non possiamo dissipare efficacemente la corrente in entrata. Quando la quantità di corrente supera la tolleranza del nostro corpo, può risultare in un esito fatale.

Per prevenire tali tragici incidenti in ambienti domestici e industriali, l'isolamento dei cavi è diventato un requisito essenziale. L'isolamento agisce come barriera, impedendo la fuoriuscita di corrente e assicurando che i componenti elettrici sotto tensione non siano accessibili, eliminando così il rischio di scosse elettriche.

Cosa è un isolante?

Un isolante è un materiale o sostanza che resiste al flusso di calore ed elettricità. Questa resistenza deriva dall'assenza di elettroni liberi all'interno del materiale. Quando i conduttori sono ricoperti da materiali isolanti, come il cloruro di polivinile (PVC), si dice che sono isolati. Questo processo, noto come isolamento, serve a prevenire la dispersione di energia e segnali elettrici nell'ambiente circostante.

Effetto della temperatura sui materiali isolanti

La temperatura ha un impatto profondo sulle proprietà elettriche dei diversi materiali. Nei conduttori, un aumento di temperatura porta a un aumento della resistenza. Al contrario, nei semiconduttori e negli isolanti, si osserva una diminuzione della resistenza man mano che la temperatura aumenta. In condizioni di temperatura estrema, un semiconduttore può trasformarsi in un conduttore migliore, e un isolante può persino esibire un comportamento simile a quello di un semiconduttore.

Resistenza all'isolamento di un cavo

I conduttori dei cavi sono racchiusi in un isolamento di spessore appropriato per prevenire la fuoriuscita di corrente. Lo spessore dell'isolamento è determinato dall'utilizzo previsto del cavo. In un cavo, il percorso di fuoriuscita della corrente è radiale, e l'isolamento offre resistenza radiale al flusso di corrente lungo tutta la sua lunghezza.

Rins = ρdr/2πrl

Per un cavo monofase con un conduttore di raggio r1, un rivestimento interno di raggio r2, lunghezza l, e un materiale isolante con resistività ρ, la circonferenza del conduttore è 2πr1. Lo spessore differenziale dell'isolamento è denotato come dr. La resistenza all'isolamento Rins può essere espressa come:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

Notoriamente, Rins è inversamente proporzionale alla lunghezza l del cavo, il che contrasta con la relazione R=ρl per la resistenza del conduttore, dove ρ rappresenta la resistività, una costante specifica del materiale.

Alcuni cavi, come i cavi coassiali, presentano più strati isolanti e più nuclei. Nei cavi coassiali, il filo centrale serve come conduttore principale. I nuclei aggiuntivi sono progettati per scopi di messa a terra e per schermare contro la fuga di onde elettromagnetiche e radiazioni. Un cavo coassiale è composto da un conduttore interno, solitamente realizzato in rame a causa della sua bassa resistività (e talvolta rivestito per migliorare le prestazioni), racchiuso all'interno di una serie di strati isolanti. Questi strati spesso includono un materiale dielettrico, uno schermo di alluminio o di filo di rame, e un rivestimento esterno in PVC. Il rivestimento esterno protegge il cavo dagli agenti ambientali esterni. Quando viene applicata una tensione al conduttore interno, lo schermo rimane a una tensione trascurabile.

Il design coassiale offre vantaggi significativi. Confinando i campi elettrici e magnetici all'interno del dielettrico, minimizza la fuoriuscita al di fuori dello schermo. I multipli strati di isolamento bloccano efficacemente i campi elettromagnetici e le radiazioni esterne, prevenendo interferenze. Poiché i conduttori con diametri maggiori hanno una resistenza inferiore e emettono meno fuga elettromagnetica, e un ulteriore isolamento riduce ulteriormente tale fuga, i cavi coassiali con multipli strati di isolamento sono ideali per la trasmissione di segnali deboli che sono vulnerabili alle interferenze.

Caratteristiche di un cavo isolato

Poiché la resistenza all'isolamento di un cavo è determinata dal suo scopo di progettazione, gli ingegneri devono considerare diversi fattori quando progettano i cavi. Ad esempio, i cavi coassiali richiedono un ampio isolamento per prevenire sia la fuga di potenza che la fuga di radiazione elettromagnetica, spesso presentando due, tre o anche quattro strati di isolamento. Diversi cavi sono progettati per applicazioni diverse, ma generalmente condividono le seguenti caratteristiche chiave:

• Resistenza al calore: Capace di resistere a temperature elevate senza degradarsi.

• Alta resistenza all'isolamento: Minimizza la fuoriuscita di corrente e garantisce la sicurezza elettrica.

• Durabilità meccanica: Resistente a tagli, strappi e abrasioni, garantendo affidabilità a lungo termine.

• Proprietà superiori: Esibisce eccellenti caratteristiche meccaniche ed elettriche.

• Resistenza chimica: Resistente a oli, solventi e varie sostanze chimiche.

• Resilienza ambientale: Impermeabile all'ozono e alle condizioni atmosferiche, adatto per uso interno ed esterno.