الأسلاك الكهربائية

مقدمة.

تعتبر الأسلاك من أهم المكونات الكهربائية فهي المسؤولة عن نقل التيار إلى الأجهزة لكي تعمل ، و عندما نذكر الأسلاك فإننا نتذكر الأشكال الكثيرة لها و التي تختلف في السماكة فقد نجدها بسمك عالي أو منخفض , وأيضًا تختلف أشكالها فتجد ما يعرف بالثنائية أو الثلاثية , و لا يتوقف الأمر عند هذا الحد ! فهناك أيضًا ألوان تميز الأسلاك و تفاصيل أخرى كثيرة . في هذا المقال سنتعرف على الأسلاك الكهربائية و تفاصيلها المختلفة للأجهزة التي تعمل على الجهد المنخفض . الجدير بالذكر هنا ان مفاهيم الكهرباء واحدة بغض النظر عن الجهد ، و لكن ركزنا في هذا المقال على الجهد المنخفض كون القدرة المنقولة على هذا الجهد منخفضة القيمة وهذا ما يصف الاحمال المنزلية -مثلًا- والتي نتعامل مع الاسلاك فيها بكثرة.

تم نشر هذا المقال للمرة الأولى في موقع هندسة كهربائية بتاريخ 4 يوليو، 2021 على هذا الرابط https://electricengg.com/2530-revision-v1/

ماهي الأسلاك ؟

الأسلاك الكهربائية عبارة عن مكون يحتوي على مواد موصلة للكهرباء و مواد اخرى اضافية , بغرض نقل الكهرباء من مصدر التغذية الى الجهاز بطريقة آمنة وذات كفاءة عالية.
يطلق على الأسلاك مصطلح (Wires) باللغة الإنجليزية و كذلك مصطلح (Cables) الذي يُعرف بالكيابل وهو الأكثر أستخدامًا في مجال الصناعات و المشاريع.

: تتكون الأسلاك من مادتين رئيسيتين

1- الموصل : مادة موصلة مثل النحاس ، الألمنيوم و الذهب

2- العازل : مادة غير موصلة تعزل الموصل عن البيئة الخارجية مثل بولي ايثيلين او كلوريد الفينيل شكل(2) يظهر الصورة المبسطة لأي سلك كهربائي

تصميم الأسلاك

لتحديد حجم السلك المناسب سنتبع الخطوات التالية:

  1- معرفة كمية التيار 

لتسهيل فهم تأثير التيار على حجم السلك أنظر إلى المثال التالي : لدينا جهاز كهربائي (غلاية مياه مثلًا ) تستهلك قدرة كهربائية تقدر بـ 1500 وات لتسخين الماء. ماهو التيار الناتج من هذا الحمل ؟ تتبع المعادلات التالية :

معادلة القدرة الكهربائية ، حيث القدرة تساوي حاصل ضرب الجهد في التيار :

 P = V X I

تم إعادة كتابة المعادلة لمعرفة قيمة التيار :

I = P / V

الجهد التي تعمل عليه الغلاية في المنزل هو 230 فولت : 

I = 1500 / 230 

التيار الناتج عن عملية تسخين الماء = 6.5 امبير :

I = 6.5

سنضرب مثال أخر لتوضيح إختلاف التيار الناتج من مختلف الأجهزة الكهربائية : مجفف شعر يستهلك 2500 وات ليُنتج هواء ساخن لتجفيف الشعر سنتتبع نفس المعادلات لتوضيح إختلاف التيار :

P = V X I

I = P / V

I = 2500 / 230 

I =10.8

التيار الناتج عن عملية تسخين الهواء = 10.8 امبير :
في المثالين السابقين شاهدنا اختلاف في كمية التيار ، إذًا ما علاقة كمية التيار بحجم السلك ؟
كلما زاد التيار كلما احتجنا الى موصل ذو مساحة اكبر و العكس صحيح و السبب ببساطة يعود إلى أن التيار عبارة عن شحنات كهربائية و هذه الشحنات كلما زادت كلما احتاجت إلى مساحة اكبر لتعبر من خلالها بسلاسة .

  2- معرفة المادة الموصلة

في أنبوب المياه ، طول و مساحة مقطع الأنبوب تحدد مقاومة الأنبوب لمرور المياه من خلاله. الأنابيب ذات الطول الأكبر و المساحة الأقل لديها مقاومة أعلى. نفس المفهوم يوجد في الكهرباء حيث نستعرض مفهوم المقاومة (Resistance). والتي نقصد بها مقاومة المادة الموصلة لعبور التيار من خلالها. معادلة المقاومة كالتالي :

R= ρ L/A

توضح هذه المعادلة أن مقاومة مادة ذات طول معين بمساحة مقطع معينة تساوي حاصل ضرب مقاومتها النوعية (Resistivity) (ρ) في ذلك الطول ذو مساحة المقطع المعينة ، وتقاس بوحدة Ω.m . ولكل مادة مقاومة نوعية فالموصلات تتميز بمقاومة منخفضة و أشباه الموصلات مقاومتها متوسطة أما المواد العازلة فمقاومتها منخفضة جدًا و تكاد تقترب من الصفر . أنظر للجدول التالي :

جدول (1) : قيم المقاومة النوعية بوحدة Ω.m لبعض المواد كما تم قياسها عند درجة حرارة 20°

لمقاومة النوعية (Resistivity) خاصية جوهرية للمادة كما الحال بالنسبة للكثافة (Density). اما المقاومة (Resistance) على الجانب الآخر فتعتمد على كلًا من المقاومة النوعية و الشكل الهندسي للمادة و بناء على ذلك لنفترض ان هناك سلكين مصنوعين من النحاس ذو المقاومة النوعية 1.7 × 10-8 فإن المعادلة (R= ρ L/A) تشير إلى أن السلك القصير ذو مساحة المقطع الأكبر لديه مقاومة اقل مقارنةً بالسلك الأطول.

ولفهم الفكرة بشكل أوضح أنظر إلى المثال التالي :أحد الشركات التي تصنع آلة قص العشب توصي بإستخدام توصيلة كهربائية بمساحة مقطع = 0.51 مم2 للمسافات التي تصل إلى 35 متر ، ولكن للمسافات الأطول توصي بإستخدام توصيلة كهربائية بمساحة مقطع = 1.51 مم2 . نتتبع المعادلات :

—  معادلة المقاومة 

R = ρ L/A

تم التعويض بقيمة المقاومة النوعية للنحاس و الموجودة في جدول (1) ، و بالطول 35 متر و  بمساحة مقطع = 0.51 مم² (بوحدة المتر المربع = 5.2 × 10^-7 ) كما في توصية الشركة الأولى :

R = (1.7 × 10-8) 35/ 5.2 × 10-7

R = 1.14 Ω

اما في الحالة الثانية فالطول الموصى به = 75 متر و  بمساحة مقطع = 1.3 مم² (بوحدة المتر المربع = 13 × 10^-7 ) كما في التوصية الثانية :

R = (1.7 × 10-8) 75/ 5.2 × 10-7

R = 0.99 Ω

مانلاحظه هنا أنه بالرغم من أزدياد الطول إلى ما يقارب الضعف فإن السلك ذو السماكة الأعلى 1.3 مم² لديه مقاومة أقل مقارنة بالحجم الأصغر 0.5 مم² وذلك يعني أنه من الضروري إبقاء قيمة المقاومة صغيرة قدر الإمكان لتقليل سخونة السلك التي قد تنتج حريق.

كيف نحدد حجم السلك المناسب ؟

بعد أن عرفنا تأثير التيار و المقاومة النوعية لأبرز المواد الموصلة ، سنتعرض الآن احد الجداول المهمة التي تساعد في اختيار الحجم المناسب للسلك الكهربائي ، هذا الجدول تم صياغته بعد تتبع المعادلات الرياضية للكهرباء و إجراء التجارب العملية في NEC وهو اختصار لـ National Electrical Code وهو معيار عالمي تم تطويره من قبل الجمعية الأمريكية للحماية من الحرائق NFPA . علمًا انه يوجد العديد من المواصفات الأخرى و توصيات المُصنعين التي توضح اختيار الحجم المناسب و لكن سنشرح على هذا الجدول لسهولته :

—  طريقة قراءة الجدول 

الصف الأول : درجة الحرارة التي يتحملها الموصل
الصف الثاني : نوع المادة العازلة حيث تم توضيحها في الجدول التالي :

الصف الثالث : نوع المادة الموصلة

العمود الأول : الحجم بوحدة AWG وهي وحدة قياس حجم تخص الأسلاك

باقي الأعمدة : قيمة التيار القصوى الذي يمكن أن يحملها السلك بالأمبير

  مثال على أختيار السلك المناسب

أحد المصانع سيقوم بإنتاج فرن كهربائي مخصص للمطاعم يصل إستهلاكه إلى 5500 واط و يعمل على جهد 230 فولت ، ماهو السلك الذي يجب أن يختاره المصنع لهذا الفرن ؟

  1- تحديد كمية التيار

P = V X I

I = P / V

I = 5500 / 230 

I = 23.91 A

: سنضيف زيادة 25% عن التيار المطلوب للإحتياط و الحماية في حال التشغيل الأقصى

I = 23.91 * 1.25 = 29.89 A

  2- معرفة المادة الموصلة

سيقع اختيارنا على مادة النحاس نظرًا لأنخفاض مقاومتها ، مما يجعل إختيارنا ينحصر على أول ثلاث أعمدة لكونها تخص مادة النحاس ، كل صف يختص بدرجة حرارة معينة تستطيع المادة العازلة تحملها وهنا حيث سنختار عازل يتحمل درجة حرارة عالية لأنه سيعمل بجانب الفرن وسيقع أختيارنا على درجة حرارة 90°C (194°F) بالطبع ستكون درجة الحرارة داخل الفرن أعلى بكثير من ° 90 فقد تصل إلى ° 300 ولكن السلك لن يكون داخل الفرن ! إنما قد يتأثر بالحرارة الصادرة منه. هنا سيرتكز بحثنا على العمود الثالث. نأتي للأمر الآخر وهو تحديد الحجم المناسب ، ومما يتضح من الجدول أن كل حجم لديه كمية تيار Ampacity تختلف عن الأخر ، حيث تزداد بإزدياد الحجم كما شرحنا سابقًا. هنا سنبحث عن حجم بإمكانه حمل تيار لا يقل عن 21.75 أمبير .
سيقع إختيارنا في هذه الحالة على 14 AWG ما يعادل 2.08 مم² لكونه يحمل تيار أقصى = 30 أمبير مما يجعله الخيار الآمن.

. . . نهاية المقال . . . 

** المراجع :

Wiring and Re-wiring | Joe Lynch Electrical, Dublin Electrician

Photo by Element5 Digital on Unsplash

Photo by TOMOKO UJI on Unsplash

NFPA – National Electrical Code 2017

Ohms Law Calculator

RHW, RHW-2, USE-2 and RHH Building Wire – Explained | Multicom (multicominc.com)

 The Spruce / Margot Cavin