موصل نحاسي

الموصلية الكهربائية هي مقياس لمدى كفاءة المادة في نقل الشحنة الكهربائية . وهي خاصية أساسية في أنظمة الأسلاك الكهربائية. يتميز النحاس بأعلى تصنيف للموصلية الكهربائية بين جميع المعادن غير النفيسة : حيث تبلغ مقاومته الكهربائية 16.78 نانو أوم متر عند 20  درجة مئوية.

تساعد نظرية المعادن في حالتها الصلبة ^{[ 7 ]} في تفسير الموصلية الكهربائية العالية غير العادية للنحاس. ففي ذرة النحاس ، تكون منطقة الطاقة الخارجية 4s، أو نطاق التوصيل ، نصف ممتلئة فقط، مما يسمح لعدد كبير من الإلكترونات بنقل التيار الكهربائي . عند تطبيق مجال كهربائي على سلك نحاسي، تتسارع حركة الإلكترونات نحو الطرف الموجب، مُولِّدةً تيارًا كهربائيًا . تواجه هذه الإلكترونات مقاومةً في مسارها نتيجة اصطدامها بذرات الشوائب، والفراغات، وأيونات الشبكة البلورية، والعيوب. يتناسب متوسط ​​المسافة المقطوعة بين التصادمات، والمعروف بمتوسط ​​المسار الحر ، عكسيًا مع مقاومة المعدن. ما يُميز النحاس هو طول متوسط ​​مساره الحر (حوالي 100 مسافة ذرية عند درجة حرارة الغرفة). ويزداد هذا المتوسط ​​بسرعة عند تبريد النحاس. ^{[ 8 ]}

بسبب موصليته الفائقة، أصبح النحاس المُلدَّن المعيار الدولي الذي تُقارن به جميع الموصلات الكهربائية الأخرى. في عام 1913، حددت اللجنة الكهروتقنية الدولية موصلية النحاس النقي تجاريًا في معيارها الدولي للنحاس المُلدَّن، حيث بلغت 100% IACS = 58.0  ميجا سيمنز/متر عند 20  درجة مئوية، مع انخفاض بنسبة 0.393% لكل درجة مئوية. ^{[ 9 ] [ 10 ]} ونظرًا لتحسن نقاء النحاس التجاري خلال القرن الماضي، غالبًا ما تتجاوز موصلات النحاس المستخدمة في أسلاك البناء معيار 100% IACS بقليل. ^{[ 11 ]}

يُعدّ النحاس الإلكتروليتي الصلب (ETP) (CW004A أو ASTM C11040) النوع الرئيسي من النحاس المستخدم في التطبيقات الكهربائية. يتميز هذا النحاس بنقاوة لا تقل عن 99.90% وموصلية كهربائية لا تقل عن 101% من معيار IACS. يحتوي نحاس ETP على نسبة ضئيلة من الأكسجين (0.02 إلى 0.04%). في حال الحاجة إلى لحام أو صهر النحاس عالي الموصلية ، أو استخدامه في بيئة مُختزلة، يُمكن استخدام النحاس النقي الخالي من الأكسجين (CW008A أو ASTM C10100)؛ ^{[ 12 ]} فهو أكثر موصلية بنسبة 1% تقريبًا (أي يحقق موصلية لا تقل عن 101% من معيار IACS). ^{[ 9 ] [ 10 ]}

تتميز العديد من المعادن الموصلة للكهرباء بكثافة أقل من النحاس، ولكنها تتطلب مقاطع عرضية أكبر لنقل نفس التيار، وقد لا تكون مناسبة للاستخدام في المساحات المحدودة. ^{[ 8 ] [ 4 ]} تبلغ موصلية الألومنيوم 61% من موصلية النحاس. ^{[ 13 ]} يجب أن تكون مساحة المقطع العرضي لموصل الألومنيوم أكبر بنسبة 56% من مساحة المقطع العرضي للنحاس للحصول على نفس قدرة نقل التيار. إن الحاجة إلى زيادة سمك سلك الألومنيوم تحد من استخدامه في العديد من التطبيقات، ^{[ 4 ]} مثل المحركات الصغيرة والسيارات. مع ذلك، في بعض التطبيقات مثل كابلات نقل الطاقة الكهربائية الهوائية ، يسود الألومنيوم، ونادرًا ما يُستخدم النحاس. ^{[ 14 ]}

الفضة ، وهي معدن نفيس ، هي المعدن الوحيد الذي يتمتع بموصلية كهربائية أعلى من النحاس. تبلغ الموصلية الكهربائية للفضة 106% من موصلية النحاس المُلدّن وفقًا لمقياس IACS، وتبلغ مقاومتها الكهربائية 15.9 نانو أوم متر عند 20  درجة مئوية. ^{[ 15 ] [ 16 ]} يحدّ ارتفاع تكلفة الفضة، إلى جانب انخفاض مقاومتها للشد، من استخدامها في تطبيقات خاصة، مثل طلاء الوصلات وأسطح التلامس المنزلقة، وطلاء الموصلات في الكابلات المحورية عالية الجودة المستخدمة بترددات أعلى من 30  ميجاهرتز.

تقيس قوة الشد القوة اللازمة لسحب جسم ما، كالحبل أو السلك أو عارضة هيكلية، حتى ينكسر. وتُعرف قوة الشد للمادة بأنها أقصى إجهاد شد يمكن أن تتحمله قبل أن تنكسر.

تُعدّ قوة الشدّ العالية للنحاس (200-250 نيوتن/مم² ^بعد التلدين) مقارنةً بالألومنيوم (100 نيوتن/مم² ^لسبائك الموصلات النموذجية ^{[ 17 ]} ) سببًا آخر لاستخدام النحاس على نطاق واسع في قطاع البناء. تقاوم قوة النحاس العالية التمدد، والانحناء، والزحف، والتشققات، والكسور، وبالتالي تمنع الأعطال وانقطاعات الخدمة. ^{[ 18 ]} يُعدّ النحاس أثقل بكثير من الألومنيوم في الموصلات ذات القدرة المتساوية على حمل التيار، لذا فإنّ قوة الشدّ العالية تُعادلها زيادة وزنه.

الليونة هي قدرة المادة على التشوه تحت تأثير الإجهاد الشدّي . وتتميز هذه الخاصية عادةً بقدرة المادة على التمدد إلى شكل سلك . وتكتسب الليونة أهمية خاصة في صناعة المعادن، لأن المواد التي تتشقق أو تنكسر تحت تأثير الإجهاد لا يمكن طرقها أو دحرجتها أو سحبها (السحب عملية تستخدم قوى الشد لتمديد المعدن).

يتميز النحاس بمرونة أعلى من المعادن الموصلة الأخرى باستثناء الذهب والفضة. ^{[ 19 ]} وبسبب مرونة النحاس العالية، يسهل تشكيله إلى أقطار دقيقة للغاية. ^{[ 20 ]}

عادةً، كلما زادت صلابة المعدن، قلت مرونته. لكن هذا لا ينطبق على النحاس. فمزيجه الفريد من القوة العالية والمرونة العالية يجعله مثالياً لأنظمة الأسلاك. ففي صناديق التوصيل وعند نقاط التوصيل، على سبيل المثال، يمكن ثني النحاس ولفه وسحبه دون أن يتمدد أو ينكسر. ^{[ 18 ]}

الزحف هو التشوه التدريجي للمادة نتيجة التمدد والانكماش المستمر تحت ظروف تحميل متغيرة. لهذه العملية آثار سلبية على الأنظمة الكهربائية: فقد تصبح النهايات غير محكمة، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الوصلات أو حدوث شرارة كهربائية خطيرة.

يتميز النحاس بخصائص زحف ممتازة تقلل من ارتخاء الوصلات. أما بالنسبة للموصلات المعدنية الأخرى التي تزحف، فيلزم إجراء صيانة إضافية لفحص الأطراف بشكل دوري والتأكد من إحكام ربط البراغي لمنع حدوث شرارة كهربائية وارتفاع درجة الحرارة. ^{[ 18 ]}

التآكل هو التلف والضعف غير المرغوب فيهما للمادة نتيجة التفاعلات الكيميائية. يقاوم النحاس عمومًا التآكل الناتج عن الرطوبة والتلوث الصناعي والعوامل الجوية الأخرى. ومع ذلك، فإن أي أكاسيد أو كلوريدات أو كبريتيدات تتشكل على النحاس تكون موصلة للكهرباء إلى حد ما. ^{[ 13 ] [ 18 ]}

في العديد من ظروف الاستخدام، يكون النحاس أعلى في سلسلة التآكل الجلفاني من المعادن الإنشائية الشائعة الأخرى، مما يعني أن أسلاك النحاس أقل عرضة للتآكل في الظروف الرطبة. مع ذلك، فإن أي معادن أخرى ذات خصائص أنودية تتلامس مع النحاس ستتآكل لأنها ستُضحى بها لصالح النحاس.

تتمدد المعادن والمواد الصلبة الأخرى عند تسخينها وتنكمش عند تبريدها، وهو أمر غير مرغوب فيه في الأنظمة الكهربائية. يتميز النحاس بمعامل تمدد حراري منخفض مقارنةً بالمواد الموصلة للكهرباء الأخرى. أما الألومنيوم، وهو موصل شائع بديل، فيتمدد بنحو الثلث أكثر من النحاس عند ارتفاع درجات الحرارة. هذه الدرجة العالية من التمدد، إلى جانب انخفاض ليونة الألومنيوم، قد تُسبب مشاكل كهربائية عند تركيب الوصلات الملولبة بشكل غير صحيح. باستخدام أدوات مناسبة، مثل وصلات الضغط الزنبركية والحلقات المقعرة أو المشقوقة عند الوصلة، يُمكن إنشاء وصلات ألومنيوم تُضاهي جودة وصلات النحاس. ^{[ 13 ]}

الموصلية الحرارية هي قدرة المادة على توصيل الحرارة. في الأنظمة الكهربائية، تُعدّ الموصلية الحرارية العالية مهمة لتبديد الحرارة الزائدة، خاصةً عند نقاط التوصيل. يتميز النحاس بموصلية حرارية أعلى بنسبة 60% من الألومنيوم، ^{[ 18 ]} مما يجعله أكثر قدرة على تقليل النقاط الساخنة في أنظمة الأسلاك الكهربائية. ^{[ 8 ] [ 21 ]}

اللحام عملية يتم فيها ربط معدنين أو أكثر معًا عن طريق التسخين باستخدام مادة حشو ذات درجة انصهار أقل بكثير من المعدن المراد لحامه. هذه خاصية مرغوبة في الأنظمة الكهربائية. يُعدّ النحاس سهل اللحام لتكوين وصلات متينة عند الحاجة.

تُسهّل قوة النحاس وصلابته ومرونته التعامل معه. يمكن تركيب أسلاك النحاس بسهولة ويسر دون الحاجة إلى أدوات خاصة أو حلقات أو أسلاك توصيل أو مواد مانعة للتسرب. تُسهّل مرونته عملية التوصيل، بينما تُساعد صلابته على تثبيت الوصلات بإحكام. يتميز النحاس بقوة جيدة لسحب الأسلاك عبر الأماكن الضيقة، بما في ذلك المواسير. يمكن ثنيه أو لفه بسهولة دون أن ينكسر. كما يمكن تجريده وتوصيله أثناء التركيب أو الصيانة مع تقليل خطر الخدوش أو الكسور. ويمكن توصيله دون استخدام وصلات أو تركيبات خاصة. كل هذه العوامل مجتمعة تُسهّل على الكهربائيين تركيب أسلاك النحاس. ^{[ 18 ] [ 22 ]}

يتكون السلك الصلب من خيط واحد من سلك نحاسي معدني، مكشوف أو محاط بمادة عازلة. تُستخدم الموصلات النحاسية أحادية الخيط عادةً كأسلاك مغناطيسية في المحركات والمحولات. وهي تتميز بصلابتها النسبية، وعدم انحناءها بسهولة، وعادةً ما تُركّب في تطبيقات دائمة، قليلة التداول، ومنخفضة المرونة.

يتكون السلك المجدول من مجموعة من أسلاك النحاس المجدولة أو الملتوية معًا. يتميز السلك المجدول بمرونة أكبر وسهولة في التركيب مقارنةً بسلك أحادي الجديلة كبير الحجم له نفس المقطع العرضي. كما يُحسّن التجديل من عمر السلك في التطبيقات التي تتعرض للاهتزاز. ويمنح المقطع العرضي المحدد للموصل المجدول خصائص مقاومة مماثلة تقريبًا للموصل أحادي الجديلة، ولكن مع مرونة إضافية. ^{[ 23 ]}

يتكون كابل النحاس من سلكين نحاسيين أو أكثر متجاورين، يتم ربطهما أو لفهما أو تجديلهما معًا لتشكيل وحدة واحدة. ويمكن زيادة مرونة الكابلات الكهربائية عن طريق جدل الأسلاك.

قد تكون الأسلاك النحاسية في الكابلات مكشوفة أو مطلية بطبقة رقيقة من معدن آخر، غالباً القصدير ، ولكن أحياناً الذهب أو الفضة ، للحد من الأكسدة . يُطيل الطلاء عمر الأسلاك ويُسهّل عملية اللحام . صُممت الكابلات المجدولة والمحورية لمنع التداخل الكهرومغناطيسي، وحماية الإشارات من الإشعاع، وتوفير خطوط نقل ذات خصائص محددة. أما الكابلات المحمية ، فتُغلّف برقائق معدنية أو شبكة سلكية.

تُستخدم الأسلاك الكهربائية لتوزيع الطاقة الكهربائية داخل المباني السكنية والتجارية والصناعية، والمنازل المتنقلة، والمركبات الترفيهية، والقوارب، والمحطات الفرعية بفولتية تصل إلى 600 فولت. ويُحدد سُمك السلك بناءً على متطلبات التيار الكهربائي ودرجات حرارة التشغيل الآمنة. يُستخدم السلك الصلب للأقطار الصغيرة، بينما تُستخدم الأسلاك المجدولة للأقطار الأكبر لتوفير المرونة. تشمل أنواع الموصلات: الكابلات غير المعدنية/غير المعدنية المقاومة للتآكل (موصلان معزولان أو أكثر بغلاف خارجي غير معدني)، والكابلات المدرعة أو كابلات BX (الكابلات محاطة بغلاف معدني مرن)، والكابلات المعدنية المغلفة، وكابلات مدخل الخدمة، وكابلات التغذية الأرضية، وكابلات TC، والكابلات المقاومة للحريق، والكابلات المعزولة بالمعادن، بما في ذلك الكابلات النحاسية المغلفة والمعزولة بالمعادن . ^{[ 26 ]} يُستخدم النحاس بشكل شائع في أسلاك البناء نظرًا لموصليته وقوته وموثوقيته. وعلى مدار عمر نظام أسلاك المبنى، قد يكون النحاس أيضًا الموصل الأكثر اقتصادية.

يتميز النحاس المستخدم في أسلاك البناء بموصلية كهربائية تصل إلى 100% وفقًا لمعيار IACS ^{[ 10 ] [ 27 ]} أو أعلى. يتطلب سلك البناء النحاسي عزلًا أقل، ويمكن تركيبه في قنوات أصغر حجمًا مقارنةً باستخدام موصلات ذات موصلية أقل. كما يمكن وضع كمية أكبر من سلك النحاس في قناة معينة مقارنةً بالموصلات ذات الموصلية الأقل. وتُعد هذه الزيادة في كمية السلك ميزةً خاصة عند إعادة توصيل النظام أو توسيعه. ^{[ 18 ]}

يتوافق سلك البناء النحاسي مع النحاس الأصفر والبراغي المطلية عالية الجودة. يوفر هذا السلك وصلات مقاومة للتآكل والزحف. مع ذلك، فهو غير متوافق مع أسلاك أو موصلات الألومنيوم. عند توصيل المعدنين، قد يحدث تفاعل جلفاني. يمكن أن يؤدي التآكل الأنودي أثناء هذا التفاعل إلى تفتت الألومنيوم. لهذا السبب، يستخدم معظم مصنعي الأجهزة والمعدات الكهربائية أسلاك الرصاص النحاسية لتوصيل أنظمة الأسلاك في المباني. ^{[ 22 ]}

يشير مصطلح "أسلاك المباني النحاسية بالكامل" إلى المباني التي تُنقل فيها الخدمة الكهربائية الداخلية حصريًا عبر أسلاك نحاسية. في المنازل ذات الأسلاك النحاسية بالكامل، تُستخدم الموصلات النحاسية في لوحات قواطع الدائرة ، وأسلاك الدوائر الفرعية (إلى المقابس والمفاتيح ووحدات الإضاءة وما شابه)، وفي الفروع المخصصة لتغذية الأجهزة ذات الأحمال العالية (مثل المواقد والأفران ومجففات الملابس ومكيفات الهواء). ^{[ 28 ]}

توقفت محاولات استبدال النحاس بالألومنيوم في أسلاك البناء في معظم البلدان بعد اكتشاف أن وصلات الألومنيوم تتفكك تدريجيًا بسبب زحفها البطيء المتأصل، بالإضافة إلى مقاومتها العالية وتوليدها للحرارة نتيجة أكسدة الألومنيوم عند الوصلات. وقد ساهمت الموصلات الزنبركية إلى حد كبير في التخفيف من هذه المشكلة المتعلقة بموصلات الألومنيوم في أسلاك البناء، إلا أن بعض قوانين البناء لا تزال تحظر استخدام الألومنيوم.

بالنسبة لأحجام الدوائر الفرعية، تُصنع جميع الأسلاك الأساسية تقريبًا للإضاءة والمقابس والمفاتيح من النحاس. ^{[ 18 ]} ويقتصر سوق أسلاك البناء المصنوعة من الألومنيوم اليوم في الغالب على الأحجام الأكبر المستخدمة في دوائر التغذية. ^{[ 29 ]}

تحدد قوانين التمديدات الكهربائية التيار المسموح به للأحجام القياسية للموصلات. ويختلف التيار المسموح به للموصل تبعًا لحجمه، ودرجة حرارته القصوى المسموح بها، وبيئة تشغيله. وبشكل عام، يُسمح للموصلات المستخدمة في المناطق التي يتدفق فيها الهواء البارد بحرية حول الأسلاك بحمل تيار أعلى من الموصلات الصغيرة الموجودة داخل أنابيب تحت الأرض مع العديد من الموصلات المماثلة المجاورة لها. وتعتمد درجات الحرارة العملية المسموح بها للموصلات النحاسية المعزولة في الغالب على قيود مادة العزل أو على درجة حرارة المعدات المتصلة بها.

يُعدّ توزيع الطاقة الكهربائية المرحلة الأخيرة في عملية توصيل الكهرباء للاستخدام النهائي. يقوم نظام توزيع الطاقة بنقل الكهرباء من شبكة النقل إلى المستهلكين.

تُستخدم كابلات الطاقة لنقل وتوزيع الطاقة الكهربائية، سواء في الهواء الطلق أو داخل المباني. تتوفر تفاصيل حول الأنواع المختلفة لكابلات الطاقة. ^{[ 38 ]}

يُعدّ النحاس المادة الموصلة المفضلة لخطوط نقل الطاقة تحت الأرض التي تعمل بفولتيات عالية وعالية جدًا تصل إلى 400 كيلوفولت. ويعود انتشار استخدام النحاس في أنظمة النقل تحت الأرض إلى موصليته الكهربائية والحرارية الحجمية العالية مقارنةً بالموصلات الأخرى. وتساهم هذه الخصائص المفيدة للنحاس في توفير المساحة، وتقليل فقد الطاقة، والحفاظ على انخفاض درجة حرارة الكابلات. ^{[ 39 ]}

لا يزال النحاس يهيمن على خطوط الجهد المنخفض في المناجم والتطبيقات تحت الماء، وكذلك في السكك الحديدية الكهربائية والرافعات وغيرها من الخدمات الخارجية. ^{[ 5 ]}

يُعدّ الألومنيوم، سواءً كان بمفرده أو مدعماً بالفولاذ، الموصل المفضل لخطوط نقل الطاقة الهوائية نظراً لخفة وزنه وانخفاض تكلفته. ^{[ 5 ]}

تُصنع موصلات الأجهزة المنزلية والأدوات من أسلاك مرنة مجدولة، والتي قد تُطلى بالقصدير لتسهيل اللحام أو تحديد الطور. وبحسب الأحمال، يمكن أن تكون مواد العزل من البولي فينيل كلوريد (PVC)، أو النيوبرين، أو الإيثيلين بروبيلين، أو حشو البولي بروبيلين، أو القطن. ^{[ 5 ]}

تتطلب موصلات السيارات عزلًا مقاومًا لدرجات الحرارة المرتفعة، ومشتقات البترول، والرطوبة، والحريق، والمواد الكيميائية. يُعد البولي فينيل كلوريد (PVC)، والنيوبرين، والبولي إيثيلين من أكثر مواد العزل شيوعًا. تتراوح الجهود الكهربائية من 12 فولت للأنظمة الكهربائية إلى ما بين 300 و15000 فولت للأجهزة، والإضاءة، وأنظمة الإشعال. ^{[ 38 ]}

يُستخدم سلك المغناطيس أو سلك اللف في لفات المحركات الكهربائية ، والمحولات ، والمحاثات ، والمولدات ، وسماعات الرأس ، وملفات مكبرات الصوت ، ومحددات موضع رأس القرص الصلب، والمغناطيسات الكهربائية ، وغيرها من الأجهزة. ^{[ 5 ] [ 8 ]}

في أغلب الأحيان، يُصنع السلك المغناطيسي من نحاس مُعالج حراريًا بالكامل ومُكرر إلكتروليتيًا، مما يسمح بلفّه بإحكام أكبر عند تصنيع الملفات الكهرومغناطيسية. ويُغطى السلك بمجموعة متنوعة من العوازل البوليمرية ، بما في ذلك الورنيش ، بدلًا من البلاستيك السميك أو أنواع العزل الأخرى الشائعة الاستخدام في الأسلاك الكهربائية. ^{[ 5 ]} وتُستخدم أنواع النحاس عالية النقاء والخالية من الأكسجين في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية في الأجواء المختزلة، أو في المحركات أو المولدات المُبردة بغاز الهيدروجين.

كما هو موضح في وثيقة متطلبات الصناعة GR-3151 الصادرة عن شركة Telcordia ، يوجد نوعان رئيسيان من أغطية الكابلات: أغطية طرفية وأغطية خطية. تسمح الأغطية الطرفية بدخول الكابلات من طرف واحد فقط، ويُشار إلى هذا التصميم أيضًا باسم غطاء قبة. تُستخدم هذه الأغطية في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك وصلات الفروع. أما الأغطية الخطية، فتسمح بدخول الكابلات من كلا طرفيها، وتُستخدم أيضًا في تطبيقات متنوعة، بما في ذلك وصلات الفروع والوصول إلى الكابلات. كما يمكن استخدام الأغطية الخطية في تصميم طرفي عن طريق حصر وصول الكابلات من طرف واحد فقط.

تُعرَّف وصلة النحاس المغلقة بخصائص التصميم الوظيفية، وهي في الغالب مستقلة عن بيئات النشر أو التطبيقات المحددة. وقد حددت شركة تيلكورديا حاليًا نوعين من وصلات النحاس المغلقة:

1. أغطية محكمة الإغلاق بيئياً (ESCs)
2. إغلاقات التنفس الحر (FBCs)

توفر وصلات العزل البيئي (ESCs) جميع الميزات والوظائف المتوقعة من وصلة عزل نموذجية داخل غلاف يمنع تسرب السوائل والأبخرة إلى داخلها. ويتحقق ذلك باستخدام نظام عزل بيئي مثل الحشيات المطاطية أو المواد اللاصقة بالذوبان الساخن. وتستخدم بعض وصلات العزل البيئي الهواء المضغوط للمساعدة في منع دخول الرطوبة إلى الوصلة.

توفر وصلات الأنابيب المرنة جميع الميزات والوظائف المتوقعة من وصلة نموذجية تمنع دخول مياه الأمطار والغبار والحشرات. ومع ذلك، تسمح هذه الوصلات بتبادل الهواء بحرية مع البيئة الخارجية، مما قد يؤدي إلى تكثف الرطوبة داخلها. لذا، من الضروري توفير تصريف مناسب لمنع تراكم المياه داخلها.