ทำไมสายไฟจึงมีฉนวน?

ทำไมสายไฟจึงต้องมีฉนวน?

ในระบบไฟฟ้าสมัยใหม่ ยกเว้นสายไฟที่ใช้สำหรับการส่งไฟฟ้าทางอากาศที่ติดตั้งบนเสาไฟฟ้า แทบทุกสายไฟที่ใช้งานในปัจจุบันมีฉนวนหุ้ม ความต้านทานของฉนวนในสายไฟมีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับวัตถุประสงค์ในการใช้งาน ฉนวนมีหน้าที่สำคัญหลายประการ นอกเหนือจากการลดการสูญเสียพลังงานไปยังสภาพแวดล้อมแล้ว หน้าที่สำคัญที่สุดคือการปกป้องชีวิตมนุษย์โดยป้องกันการโดนไฟฟ้าช็อต

ไฟฟ้าเป็นอันตรายอย่างมาก การสัมผัสกับสายไฟที่มีไฟฟ้าโดยไม่ตั้งใจเพียงครั้งเดียวอาจทำให้เกิดผลร้ายแรงได้ โดยไม่มีโอกาสแก้ไข ร่างกายของเราเป็นตัวนำไฟฟ้าบางส่วน เมื่อเราสัมผัสกับตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้า กระแสไฟฟ้าจะไหลจากตัวนำเข้าสู่ร่างกายของเรา เนื่องจากร่างกายของเราไม่สามารถกระจายกระแสไฟฟ้าออกไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ หากปริมาณกระแสไฟฟ้าเกินขีดจำกัดของร่างกาย อาจทำให้เกิดผลร้ายแรงได้

เพื่อป้องกันอุบัติเหตุที่เศร้าโศกในสถานที่อยู่อาศัยและอุตสาหกรรม ฉนวนหุ้มสายไฟจึงกลายเป็นสิ่งจำเป็น ฉนวนทำงานเป็นกำแพงป้องกันการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้า และทำให้ส่วนประกอบไฟฟ้าที่มีไฟฟ้าไม่สามารถเข้าถึงได้ ซึ่งทำให้ลดความเสี่ยงของการโดนไฟฟ้าช็อต

ฉนวนคืออะไร?

ฉนวนคือวัสดุหรือสารที่ต้านทานการไหลของความร้อนและไฟฟ้า ความต้านทานนี้มาจากความขาดแคลนของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ได้ภายในวัสดุ เมื่อตัวนำถูกหุ้มด้วยวัสดุฉนวน เช่น พอลิไวนิลคลอไรด์ (PVC) จะถือว่ามีฉนวนหุ้ม กระบวนการนี้เรียกว่าการฉนวนหุ้ม มีวัตถุประสงค์เพื่อป้องกันการสูญเสียพลังงานไฟฟ้าและการส่งสัญญาณไปยังสภาพแวดล้อม

ผลกระทบของอุณหภูมิต่อวัสดุฉนวน

อุณหภูมิมีผลกระทบอย่างมากต่อคุณสมบัติไฟฟ้าของวัสดุต่างๆ ในตัวนำ การเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะทำให้ความต้านทานเพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้าม สารกึ่งตัวนำและฉนวนจะมีความต้านทานลดลงเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น ในภาวะอุณหภูมิสูงมาก สารกึ่งตัวนำอาจเปลี่ยนเป็นตัวนำที่ดีขึ้น และฉนวนอาจแสดงพฤติกรรมเหมือนสารกึ่งตัวนำ

ความต้านทานฉนวนของสายไฟ

ตัวนำสายไฟถูกหุ้มด้วยฉนวนที่มีความหนาแน่นเหมาะสมเพื่อป้องกันการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้า ความหนาแน่นของฉนวนกำหนดโดยวัตถุประสงค์ในการใช้งาน ในการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าในสายไฟ จะเป็นแบบแนวรัศมี และฉนวนจะให้ความต้านทานแนวรัศมีตลอดความยาวของสาย

Rins = ρdr/2πrl

สำหรับสายไฟประเภทเดี่ยวที่มีตัวนำรัศมี r1 ปลอกภายในรัศมี r2 ความยาว l และวัสดุฉนวนที่มีความต้านทานไฟฟ้า ρ ความยาวรอบตัวนำคือ 2πr1 ความหนาแน่นของฉนวนแตกต่างกันแสดงเป็น dr ความต้านทานฉนวน Rins สามารถแสดงเป็น:

Rins = ρ/2πl[loge r2 /r2 ]

สังเกตว่า Rins แปรผันตามความยาว l ของสายไฟ ซึ่งแตกต่างจากความสัมพันธ์ R=ρl สำหรับความต้านทานของตัวนำ ที่ ρ แทนความต้านทานไฟฟ้าเฉพาะของวัสดุ

บางสายไฟ เช่น สายโคแอ็กเซียล มีหลายชั้นฉนวนและหลายแกน ในสายโคแอ็กเซียล สายกลางเป็นตัวนำหลัก แกนเสริมออกแบบมาเพื่อการต่อกราวด์และป้องกันการหลุดรอดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าและรังสี สายโคแอ็กเซียลประกอบด้วยตัวนำภายใน ที่มักทำด้วยทองแดงเนื่องจากมีความต้านทานไฟฟ้าต่ำ (และบางครั้งอาจเคลือบเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพ) หุ้มด้วยชั้นฉนวนหลายชั้น ซึ่งรวมถึงวัสดุไดอิเล็กทริก ฟอยล์อะลูมิเนียมหรือสายโลหะป้องกัน และปลอก PVC ภายนอก ปลอกภายนอกป้องกันสายไฟจากสภาพแวดล้อมภายนอก เมื่อมีแรงดันไฟฟ้าถูกนำไปยังตัวนำภายใน ปลอกป้องกันจะมีแรงดันต่ำมาก

การออกแบบโคแอ็กเซียลเสนอข้อดีอย่างมาก มันจำกัดสนามไฟฟ้าและสนามแม่เหล็กภายในไดอิเล็กทริก ลดการรั่วไหลออกนอกปลอกป้องกัน ชั้นฉนวนหลายชั้นป้องกันสนามแม่เหล็กไฟฟ้าและรังสีภายนอกได้อย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้ไม่เกิดการรบกวน ตัวนำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่จะมีความต้านทานต่ำและปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ารั่วไหลน้อย และฉนวนเพิ่มเติมยิ่งลดการรั่วไหล ทำให้สายโคแอ็กเซียลที่มีฉนวนหลายชั้นเหมาะสำหรับการส่งสัญญาณอ่อนที่ไวต่อการรบกวน

คุณสมบัติของสายไฟที่มีฉนวน

เนื่องจากความต้านทานฉนวนของสายไฟถูกกำหนดโดยวัตถุประสงค์ในการออกแบบ วิศวกรต้องพิจารณาหลายปัจจัยในการออกแบบสายไฟ ตัวอย่างเช่น สายโคแอ็กเซียลต้องการฉนวนที่หนาแน่นเพื่อป้องกันการรั่วไหลของพลังงานและการหลุดรอดของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมักมีสอง สาม หรือสี่ชั้นฉนวน สายไฟต่างๆ ถูกสร้างขึ้นสำหรับการใช้งานที่หลากหลาย แต่โดยทั่วไปจะมีคุณสมบัติหลักดังนี้:

• ทนความร้อน: สามารถทนต่ออุณหภูมิสูงได้โดยไม่เสื่อมสภาพ

• ความต้านทานฉนวนสูง: ลดการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าและรับประกันความปลอดภัยทางไฟฟ้า

• ความทนทานทางกล: ทนต่อการตัด ฉีก และการสึกหรอ รับประกันความน่าเชื่อถือในระยะยาว

• คุณสมบัติยอดเยี่ยม: มีคุณสมบัติทางกลและไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม

• ทนต่อเคมี: ทนต่อน้ำมัน สารละลาย และสารเคมีต่างๆ

• ทนต่อสภาวะแวดล้อม: ทนต่อโอโซนและสภาพอากาศ เหมาะสมสำหรับการใช้งานทั้งภายในและภายนอก