الأسلاك والكابلات: الهيكل والمواد والمكونات الرئيسية

يمكن تقسيم المكونات الهيكلية لمنتجات الأسلاك والكابلات بشكل عام إلى أربعة أجزاء هيكلية رئيسية: الموصلات، وطبقات العزل، وطبقات الحماية والأغلفة، بالإضافة إلى عناصر الحشو وعناصر الشد، وما إلى ذلك. ووفقًا لمتطلبات الاستخدام وسيناريوهات التطبيق، تتميز بعض المنتجات بهياكل بسيطة للغاية، تتكون من مكون هيكلي واحد فقط، وهو السلك، مثل الأسلاك العلوية العارية، وأسلاك السلسلة، وقضبان التوصيل النحاسية والألومنيوم، وما إلى ذلك. ويتم ضمان العزل الكهربائي الخارجي لهذه المنتجات باستخدام العوازل والمسافة المكانية أثناء التركيب والتمديد (أي باستخدام العزل الهوائي).

تتميز غالبية منتجات الأسلاك والكابلات بنفس شكل المقطع العرضي (مع استبعاد أخطاء التصنيع)، وتأتي على شكل شرائط طويلة. ويعود ذلك إلى استخدامها في تكوين الدوائر أو الملفات في الأنظمة أو المعدات. لذا، عند دراسة وتحليل التركيب الهيكلي لمنتجات الكابلات، يكفي فقط فحص وتحليل مقاطعها العرضية.

فيما يلي تحليل مفصل لتكوين هيكل الكابل ومواده:

1. مكونات هيكل الكابل: الموصل

تُعدّ الأسلاك المكونات الأساسية التي لا غنى عنها في المنتجات لأداء وظيفة نقل التيار أو المعلومات الكهرومغناطيسية. السلك هو اختصار للقلب الموصل.

ما هي المواد المستخدمة في موصلات الكابلات؟ تُصنع الموصلات عادةً من معادن غير حديدية ذات موصلية كهربائية ممتازة، مثل النحاس والألومنيوم. وتستخدم الكابلات الضوئية، المستخدمة في شبكات الاتصالات الضوئية التي شهدت تطورًا سريعًا خلال العقود الثلاثة الماضية، الألياف الضوئية كموصلات.

2. مكونات هيكل الكابل: طبقة عازلة

الطبقة العازلة هي عنصر يغطي محيط السلك ويعمل كعازل كهربائي. أي أنها تضمن أن التيار المنقول أو الموجات الكهرومغناطيسية أو موجات الضوء تنتقل فقط على طول السلك ولا تنتشر للخارج. وبذلك، يتم عزل فرق الجهد على الموصل (أي فرق الجهد بينه وبين الأجسام المحيطة، أي الفولتية). وهذا ضروري لضمان كل من وظيفة النقل الطبيعية للسلك وسلامة الأجسام والأشخاص في الخارج. الأسلاك وطبقات العزل هما المكونان الأساسيان اللذان يجب توافرهما في منتجات الكابلات (باستثناء الأسلاك العارية).

ما هي مواد عزل الكابلات؟ في صناعة الأسلاك والكابلات الحديثة، تُصنّف مواد عزل الكابلات بشكل رئيسي إلى فئتين: البلاستيك والمطاط. وتُهيمن المواد البوليمرية، مما يُتيح إنتاج مجموعة واسعة من منتجات الأسلاك والكابلات المناسبة للاستخدامات المختلفة والمتطلبات البيئية المتنوعة. ومن مواد العزل الشائعة للأسلاك والكابلات كلوريد البولي فينيل (PVC).البولي إيثيلين المتشابك (XLPE)، والبلاستيك الفلوري، ومركبات المطاط، ومركبات مطاط الإيثيلين بروبيلين، ومواد عزل مطاط السيليكون.

3. مكونات هيكل الكابل: الغلاف

عند تركيب وتشغيل منتجات الأسلاك والكابلات في بيئات مختلفة، لا بد من وجود مكونات تحمي المنتج بأكمله، وخاصة طبقة العزل، وهي الغلاف. ولأن مواد العزل تتطلب خصائص عزل كهربائي ممتازة، فمن الضروري أن تكون فائقة النقاء وقليلة الشوائب. غالبًا ما يكون من المستحيل مراعاة قدرتها على الحماية من العوامل الخارجية. لذلك، يجب أن تكون الهياكل الواقية مسؤولة عن تحمل أو مقاومة القوى الميكانيكية الخارجية المختلفة (مثل ظروف التركيب، وموقع الاستخدام، وأثناء التشغيل)، ومقاومة الظروف الجوية، ومقاومة المواد الكيميائية والزيوت، ومنع التلف البيولوجي، والحد من مخاطر الحريق. تتمثل الوظائف الرئيسية لأغلفة الكابلات في مقاومة الماء، ومقاومة اللهب، ومقاومة الحريق، ومنع التآكل. يمكن للعديد من منتجات الكابلات المصممة خصيصًا للبيئات الخارجية الجيدة (مثل البيئات النظيفة والجافة والداخلية الخالية من القوى الميكانيكية الخارجية)، أو تلك التي تحتوي على مواد عزل تتمتع بطبيعتها بقوة ميكانيكية معينة ومقاومة للعوامل الجوية، الاستغناء عن طبقة الحماية.

ما هي أنواع مواد غلاف الكابلات؟ تشمل المواد الرئيسية لأغلفة الكابلات المطاط والبلاستيك والطلاء والسيليكون ومنتجات الألياف المختلفة، وغيرها. تتميز طبقة الحماية المطاطية والبلاستيكية بالنعومة والخفة، وتُستخدم على نطاق واسع في كابلات الهواتف المحمولة. مع ذلك، ونظرًا لنفاذية الماء في كل من المطاط والبلاستيك، لا يُمكن استخدامهما إلا عند استخدام مواد بوليمرية عالية المقاومة للرطوبة كعازل للكابلات. قد يتساءل البعض عن سبب استخدام البلاستيك كطبقة حماية في السوق. بالمقارنة مع أغلفة البلاستيك، تتميز أغلفة المطاط بمرونة وليونة أعلى، ومقاومة أكبر للتقادم، لكن عملية تصنيعها أكثر تعقيدًا نسبيًا. أما أغلفة البلاستيك، فتتمتع بخصائص ميكانيكية أفضل ومقاومة أعلى للماء، وهي متوفرة بكثرة، ومنخفضة السعر، وسهلة التصنيع. لذلك، فهي أكثر شيوعًا في السوق. تجدر الإشارة إلى وجود نوع آخر من الأغلفة المعدنية. لا تقتصر وظيفة الأغلفة المعدنية على الحماية الميكانيكية فحسب، بل تشمل أيضًا وظيفة الحماية المذكورة أدناه. كما أنها تتمتع بخصائص مثل مقاومة التآكل، وقوة الضغط والشد، ومقاومة الماء، مما يمنع الرطوبة والمواد الضارة الأخرى من دخول عزل الكابل. لذلك، تُستخدم على نطاق واسع كأغلفة لكابلات الطاقة المعزولة بورق مشبع بالزيت والتي تتميز بمقاومة ضعيفة للرطوبة.

4. مكونات هيكل الكابل: طبقة الحماية

تُعدّ طبقة الحماية عنصرًا أساسيًا في منتجات الكابلات لتحقيق عزل المجال الكهرومغناطيسي. فهي لا تمنع فقط تسرب الإشارات الكهرومغناطيسية الداخلية وتداخلها مع الأجهزة الخارجية أو العدادات أو الخطوط الأخرى، بل تمنع أيضًا دخول الموجات الكهرومغناطيسية الخارجية إلى نظام الكابل عبر التداخل. من الناحية الهيكلية، لا تقتصر طبقة الحماية على وضعها على السطح الخارجي للكابل، بل تمتد أيضًا بين أزواج أو مجموعات الأسلاك في الكابلات متعددة النوى، لتشكل "شاشات عزل كهرومغناطيسي" متعددة المستويات. في السنوات الأخيرة، ومع تزايد متطلبات كابلات الاتصالات عالية التردد ومقاومة التداخل، تطورت مواد الحماية من الورق المعدني التقليدي وأشرطة الورق شبه الموصلة إلى مواد مركبة أكثر تطورًا مثل...أشرطة مايلر من رقائق الألومنيومتتضمن هياكل الحماية الشائعة طبقات حماية داخلية مصنوعة من بوليمرات موصلة أو أشرطة شبه موصلة، بالإضافة إلى طبقات حماية خارجية مثل التغليف الطولي بشريط نحاسي وشبكة نحاسية مضفرة. وتستخدم الطبقة المضفرة في الغالب النحاس المطلي بالقصدير لتعزيز مقاومة التآكل. وفي تطبيقات خاصة، مثل كابلات التردد المتغير التي تستخدم حماية مركبة من شريط نحاسي وسلك نحاسي، وكابلات البيانات التي تستخدم تغليفًا طوليًا برقائق الألومنيوم مع تصميم انسيابي، والكابلات الطبية التي تتطلب طبقات مضفرة من النحاس المطلي بالفضة ذات تغطية عالية، أصبح هيكل الحماية الهجين المكون من شريط مركب من الألومنيوم والبلاستيك ونسيج سلك نحاسي مطلي بالقصدير هو الحل السائد لكابلات التردد العالي. وتشير الممارسات الصناعية إلى أن طبقة الحماية قد تطورت من هيكل إضافي إلى مكون أساسي مستقل للكابل. يتطلب اختيار المواد اللازمة لذلك مراعاة شاملة لخصائص التردد وأداء الانحناء وعوامل التكلفة لتلبية متطلبات التوافق الكهرومغناطيسي لسيناريوهات التطبيق المختلفة.

5. تكوين بنية الكابل: بنية مملوءة

تتكون العديد من منتجات الأسلاك والكابلات من عدة نوى. على سبيل المثال، تتكون معظم كابلات الطاقة ذات الجهد المنخفض من أربعة أو خمسة نوى (مناسبة للأنظمة ثلاثية الطور)، وتأتي كابلات الهاتف في المدن بأعداد تتراوح بين 800 و1200 و2400 إلى 3600 زوج. بعد توصيل هذه النوى أو الأزواج المعزولة (أو توصيلها في مجموعات عدة مرات)، تظهر مشكلتان: الأولى هي عدم استدارة شكل الكابل، والثانية هي وجود فجوات كبيرة بين النوى المعزولة. لذلك، يجب إضافة هيكل حشو أثناء التوصيل. يهدف هيكل الحشو إلى جعل القطر الخارجي للكابل دائريًا نسبيًا، مما يُسهّل عملية لف الغلاف الخارجي وبثقه، كما يُساهم في استقرار بنية الكابل وقوة بنيته الداخلية. أثناء الاستخدام (عند الشد والضغط والانحناء أثناء التصنيع والتركيب)، يتم تطبيق القوة بالتساوي دون إتلاف البنية الداخلية للكابل. لذلك، على الرغم من أن هيكل الحشو هو هيكل مساعد، إلا أنه ضروري أيضًا، وهناك لوائح مفصلة بشأن اختيار المواد وتصميم الشكل.

مواد حشو الكابلات: تشمل مواد حشو الكابلات عادةً شريط البولي بروبيلين، وحبل البولي بروبيلين غير المنسوج، وحبل القنب، أو مواد رخيصة نسبيًا مصنوعة من المطاط المعاد تدويره. ولكي تُستخدم كمادة حشو للكابل، يجب أن تتمتع بخصائص عدم التسبب في آثار سلبية على قلب الكابل المعزول، وعدم امتصاص الرطوبة، وعدم الانكماش، وعدم التآكل.

6. مكونات هيكل الكابل: عناصر الشد

تعتمد منتجات الأسلاك والكابلات التقليدية على طبقة التدريع الموجودة في الغلاف لمقاومة قوى الشد الخارجية أو قوى الشد الناتجة عن وزنها. ومن الهياكل النموذجية للتدريع شريط فولاذي أو سلك فولاذي (على سبيل المثال، في كابلات الغواصات، تُستخدم أسلاك فولاذية سميكة بقطر 8 مم تُلف لتشكيل طبقة التدريع). مع ذلك، ولحماية الألياف الضوئية من قوى الشد الطفيفة ومنع أي تشوه طفيف فيها قد يؤثر على أداء الإرسال، يُجهز هيكل كابل الألياف الضوئية بغلافين أساسي وثانوي، بالإضافة إلى مكونات مخصصة لمقاومة الشد. علاوة على ذلك، إذا اعتمد كابل سماعة الهاتف المحمول هيكلًا يُلف فيه سلك نحاسي دقيق أو شريط نحاسي رفيع حول خيوط ألياف صناعية، وتُبثق طبقة عازلة من الخارج، فإن خيوط الألياف الصناعية هذه تُمثل عنصر الشد. وخلاصة القول، في المنتجات الخاصة والصغيرة والمرنة التي طُورت في السنوات الأخيرة والتي تتطلب استخدامات متعددة في الانحناء واللف، تلعب عناصر الشد دورًا رئيسيًا.

ما هي المواد المستخدمة في مكونات شد الكابلات: شرائح فولاذية، وأسلاك فولاذية، ورقائق من الفولاذ المقاوم للصدأ؟