ケーブルが絶縁されているのはなぜですか

なぜケーブルは絶縁されるのですか？

現代の電気システムでは、電柱に取り付けられた架空送電線を除いて、現在使用されているほぼすべてのケーブルは絶縁されています。ケーブルの絶縁抵抗の程度はその用途と密接に関連しています。絶縁は複数の重要な機能を持っています。周囲へのエネルギー損失を最小限に抑えるだけでなく、最も重要な役割は感電による人命の保護です。

電気は大きな危険性があります。生きたケーブルとの偶然の接触は致命的な結果を招く可能性があり、二度目のチャンスはありません。私たちの体は電気の部分的な導体です。電流が流れている導体に触れると、電流は導体から私たちの体に流れ込みます。私たちの体の導電性が限られているため、流入する電流を効果的に散逸することはできません。電流の量が私たちの体の耐えられる限度を超えると、致命的な結果になることがあります。

家庭や産業環境でのこのような悲劇的な事故を防ぐために、ケーブルの絶縁は必須要件となっています。絶縁はバリアとして働き、電流の漏れを防ぎ、生きた電気部品がアクセスできないようにすることで、感電のリスクを排除します。

絶縁体とは何ですか？

絶縁体とは熱と電気の流れを抵抗する材料または物質のことです。この抵抗性は、材料内に自由に動く電子がないことから来ています。導体がポリ塩化ビニル（PVC）などの絶縁材料で覆われている場合、それは絶縁されていると言われます。このプロセスは絶縁と呼ばれ、電気エネルギーと信号が周囲の環境に散逸することを防ぎます。

温度が絶縁材料に与える影響

温度は異なる材料の電気的特性に大きな影響を与えます。導体の場合、温度が上がると抵抗も増加します。一方、半導体と絶縁体は、温度が上昇すると抵抗が減少します。極端な温度条件下では、半導体はより良い導体に変化し、絶縁体は半導体のような挙動を示すこともあります。

ケーブルの絶縁抵抗

ケーブルの導体は適切な厚さの絶縁体で覆われており、電流の漏れを防ぎます。絶縁体の厚さはケーブルの用途によって決まります。ケーブルでは、電流の漏れの経路は径方向であり、絶縁体はその全長を通じて径方向の抵抗を提供します。

Rins = ρdr/2πrl

半径r1の導体を持つ単心ケーブルの場合、内部シースの半径がr2、長さがl、絶縁材料の比抵抗がρであるとき、導体の円周は2πr1です。絶縁体の微小な厚さをdrと表記します。絶縁抵抗Rinsは以下の式で表されます：

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

注目すべき点は、Rinsはケーブルの長さlに反比例することです。これは導体抵抗R=ρlの関係とは対照的であり、ここでρは材料固有の定数である比抵抗を表します。

同軸ケーブルなどの一部のケーブルには複数の絶縁層と複数のコアがあります。同軸ケーブルでは、中央のワイヤーが主導体として機能します。追加のコアは接地目的と電磁波や放射線の逃げ出しを防ぐために設計されています。同軸ケーブルは通常、低比抵抗の銅で作られた内部導体（性能向上のためにメッキされた場合もあります）と、絶縁層のシリーズで構成されています。これらの層には誘電体材料、アルミニウム箔または銅ストランドシールド、そして外側のPVCシースが含まれることがあります。外側のシースはケーブルを外部環境からの影響から保護します。内部導体に電圧が印加されると、シールドはほとんど電圧を持たない状態になります。

同軸設計は多くの利点を提供します。電場と磁場を誘電体の中に閉じ込め、シールド外への漏れを最小限に抑えます。複数の絶縁層は外部の電磁場や放射線を効果的にブロックし、干渉を防ぎます。直径が大きい導体は抵抗が低く、電磁漏れも少ないため、さらに絶縁層を追加することでそのような漏れをさらに減らすことができます。そのため、干渉に敏感な弱い信号の伝送に同軸ケーブルは理想的です。

絶縁ケーブルの特徴

ケーブルの絶縁抵抗はその設計目的によって決定されるため、エンジニアはケーブル設計時にいくつかの要素を考慮する必要があります。例えば、同軸ケーブルは電力の漏れと電磁放射の逃げ出しを防ぐために広範な絶縁が必要であり、しばしば2つ、3つ、または4つの絶縁層を特徴としています。さまざまなケーブルは多様な用途に設計されていますが、一般的に以下の主要な特徴を共有しています：

• 耐熱性：高温でも劣化せずに耐えられる。

• 高絶縁抵抗：電流の漏れを最小限に抑え、電気安全を確保する。

• 機械的耐久性：切れ、引き裂き、摩耗に耐え、長期的な信頼性を確保する。

• 優れた特性：優れた機械的および電気的特性を示す。

• 化学的耐性：油、溶剤、様々な化学物質に耐える。

• 環境適応性：オゾンと天候条件に影響を受けず、室内と屋外の両方で使用可能。