أسلاك الكهرباء

تتكون الكابلات الحديثة ذات الغلاف غير المعدني، مثل كابلات NMB وNMC (في الولايات المتحدة وكندا)، من سلكين إلى أربعة أسلاك مغطاة بعازل حراري بلاستيكي ، بالإضافة إلى سلك للتأريض الوقائي (الربط)، محاطة بغلاف بلاستيكي مرن. في أمريكا الشمالية والمملكة المتحدة، يكون هذا الموصل عادةً سلكًا مكشوفًا، ولكن في المملكة المتحدة، يُشترط تغليف موصل التأريض الوقائي المكشوف هذا بأنبوب عازل أخضر/أصفر في حال إزالة غلاف الكابل. أما في معظم المناطق الأخرى، فيُشترط الآن عزل موصل التأريض الوقائي وفقًا للمعايير نفسها المطبقة على موصلات التيار الكهربائي ذات العزل الأخضر/الأصفر.

في بعض الكابلات، يتم تغليف الموصلات الفردية بالورق قبل وضع الغلاف البلاستيكي.

صُممت أنواع خاصة من الكابلات غير المعدنية المغلفة، مثل كابلات UF الأمريكية، للدفن المباشر تحت الأرض (غالباً مع حماية ميكانيكية منفصلة) أو للاستخدام الخارجي في الأماكن المعرضة للأشعة فوق البنفسجية . وتتميز هذه الكابلات ببنية مقاومة للرطوبة، وخالية من الورق أو أي مواد مالئة ماصة أخرى، ومصممة خصيصاً لمقاومة الأشعة فوق البنفسجية.

تُستخدم مواد العزل المصنوعة من البوليمرات الاصطناعية الشبيهة بالمطاط في الكابلات الصناعية وكابلات الطاقة المثبتة تحت الأرض نظرًا لمقاومتها الفائقة للرطوبة.

تُصنّف الكابلات المعزولة وفقًا لجهد التشغيل المسموح به وأقصى درجة حرارة تشغيل على سطح الموصل. وقد يحمل الكابل تصنيفات استخدام متعددة لتطبيقات مختلفة، على سبيل المثال، تصنيف للاستخدام في الأماكن الجافة وآخر عند تعرضه للرطوبة أو الزيت.

عموماً، يكون سلك البناء أحادي الموصل ذو الأحجام الصغيرة سلكاً صلباً، إذ لا يُشترط أن يكون مرناً للغاية. أما موصلات أسلاك البناء التي يزيد قطرها عن 10 AWG (أو حوالي 5  مم² ⁾ فهي مجدولة لتوفير المرونة أثناء التركيب، ولكنها ليست مرنة بما يكفي لاستخدامها كسلك للأجهزة الكهربائية.

قد تحتوي الكابلات المستخدمة في المباني الصناعية والتجارية والسكنية على العديد من الموصلات المعزولة داخل غلاف خارجي، مع درع من الفولاذ أو الألومنيوم بشريط حلزوني، أو درع من أسلاك الفولاذ، وربما غلاف خارجي من مادة PVC أو الرصاص للحماية من الرطوبة والتلف المادي. أما الكابلات المصممة للاستخدامات المرنة للغاية أو في التطبيقات البحرية، فقد تُحمى بأسلاك برونزية منسوجة. ويشترط قانون البناء النموذجي أن تكون كابلات الطاقة أو الاتصالات (مثل كابلات شبكات الحاسوب) التي تمر عبر أو داخل غرف التهوية (المساحات المخصصة لتوزيع الهواء) في المباني المكتبية، إما مغلفة بأنابيب معدنية، أو مصممة لإنتاج لهب ودخان منخفضين.

في بعض الاستخدامات الصناعية في مصانع الصلب والبيئات الحارة المماثلة، لا توفر المواد العضوية أداءً مُرضيًا. تُستخدم أحيانًا كابلات معزولة برقائق الميكا المضغوطة. وهناك نوع آخر من كابلات درجات الحرارة العالية، وهو الكابل المعزول بالمعادن ، حيث توضع الموصلات الفردية داخل أنبوب نحاسي، ويُملأ الفراغ بمسحوق أكسيد المغنيسيوم . يُسحب الهيكل بأكمله إلى أحجام أصغر، مما يؤدي إلى ضغط المسحوق. تتميز هذه الكابلات بتصنيف معتمد لمقاومة الحريق، وهي أغلى ثمنًا من الكابلات غير المقاومة للحريق. كما أنها قليلة المرونة، وتتصرف كأنابيب صلبة أكثر من كونها كابلات مرنة.

تحدد بيئة الأسلاك المركبة مقدار التيار المسموح للكابل بحمله. ولأن الموصلات المتعددة المجمعة في كابل واحد لا تستطيع تبديد الحرارة بسهولة مثل الموصلات المعزولة المفردة، فإن هذه الدوائر تُصنف دائمًا بسعة تيار أقل . توضح الجداول في قوانين السلامة الكهربائية الحد الأقصى المسموح به للتيار بناءً على حجم الموصل، وجهد الجهد، ونوع العزل وسماكته، وتصنيف درجة حرارة الكابل نفسه. كما يختلف التيار المسموح به في المواقع الرطبة أو الجافة، وفي المواقع الحارة (مثل العلية) أو الباردة (مثل تحت الأرض). في مسار كابل يمر عبر عدة مناطق، يصبح الجزء ذو التصنيف الأدنى هو تصنيف المسار بأكمله.

تُثبّت الكابلات عادةً بوصلات خاصة عند دخولها الأجهزة الكهربائية؛ وقد تكون هذه الوصلات عبارة عن مشبك لولبي بسيط للكابلات المغلفة في الأماكن الجافة، أو موصل كابلات مزود بحشية بوليمرية يُحكم ربطه ميكانيكيًا بغلاف الكابل المدرع، مما يوفر وصلة مقاومة للماء. ويمكن استخدام وصلات كابلات خاصة لمنع تسرب الغازات القابلة للاشتعال إلى داخل الكابلات المغلفة، خاصةً عند مرور الكابل عبر مناطق تحتوي على هذه الغازات. ولمنع ارتخاء وصلات الموصلات الفردية للكابل، يجب دعم الكابلات بالقرب من مداخلها في الأجهزة وعلى فترات منتظمة على طول مسارها. في المباني الشاهقة، يلزم تصميم خاص لدعم موصلات الكابلات في المسارات الرأسية. وبشكل عام، يُسمح بكابل واحد فقط لكل وصلة، إلا إذا كانت الوصلة مصممة أو معتمدة لتحمل عدة كابلات.

تتطلب الكابلات المُثبّتة في السفن تصميمات خاصة وتقنيات توصيل مُحددة. وتتعرض هذه الكابلات لظروف بيئية وميكانيكية قاسية. لذا، بالإضافة إلى اعتبارات السلامة الكهربائية والحماية من الحرائق، قد يُشترط أيضًا أن تكون هذه الكابلات مقاومة للضغط عند اختراقها حواجز السفينة. كما يجب أن تقاوم التآكل الناتج عن مياه البحر أو رذاذ الملح ، ويتحقق ذلك باستخدام أغلفة سميكة مصممة خصيصًا، وتغطية أطراف الأسلاك بالقصدير.

في الممارسة المتبعة في أمريكا الشمالية، بالنسبة للمباني السكنية والتجارية الصغيرة التي تُغذى بخدمة أحادية الطور 120/240 فولت ، يُمدد كابل هوائي من محول كهربائي على عمود كهرباء إلى نقطة دخول الخدمة. هذا الكابل عبارة عن كابل ثلاثي الموصلات مجدول، يتكون من موصل محايد مكشوف وموصلين معزولين، بدون غلاف خارجي. ^{[ 1 ]} غالبًا ما يكون الموصل المحايد سلكًا فولاذيًا داعمًا، يُستخدم لدعم موصلات الخط المعزولة.

تستخدم الأجهزة الكهربائية غالبًا موصلات نحاسية نظرًا لخصائصها، بما في ذلك موصليتها الكهربائية العالية ، وقوة الشد ، وليونتها ، ومقاومتها للزحف ، ومقاومتها للتآكل ، وموصليتها الحرارية ، ومعامل تمددها الحراري ، وقابليتها للحام ، ومقاومتها للأحمال الكهربائية الزائدة ، وتوافقها مع العوازل الكهربائية ، وسهولة تركيبها. يُستخدم النحاس في أنواع عديدة من الأسلاك الكهربائية. ^{[ 2 ] [ 3 ]}

كان سلك الألمنيوم شائع الاستخدام في التمديدات الكهربائية السكنية في أمريكا الشمالية من أواخر الستينيات إلى منتصف السبعينيات بسبب ارتفاع تكلفة النحاس. ونظرًا لمقاومته العالية ، يتطلب سلك الألمنيوم موصلات أكبر من النحاس. فعلى سبيل المثال، بدلًا من سلك نحاسي قياس 14 AWG ( المقياس الأمريكي للأسلاك )، يجب أن يكون سلك الألمنيوم قياس 12 AWG في دائرة إضاءة نموذجية بقدرة 15 أمبير، مع العلم أن قوانين البناء المحلية تختلف.

صُنعت الموصلات المصنوعة من الألومنيوم الصلب في الأصل خلال ستينيات القرن الماضي من سبيكة ألومنيوم عادية ذات خصائص غير مرغوبة لأسلاك البناء، واستُخدمت مع أجهزة توصيل مصممة للموصلات النحاسية. ^{[ 4 ] [ 5 ]} وقد تبيّن أن هذه الممارسات تتسبب في وصلات معيبة ومخاطر نشوب حرائق. في أوائل سبعينيات القرن الماضي، طُرح سلك ألومنيوم جديد مصنوع من إحدى السبائك الخاصة، وصُممت جميع الأجهزة - كالقواطع والمفاتيح والمقابس وموصلات التوصيل وأغطية الأسلاك ، وغيرها - خصيصًا لهذا الغرض. تعالج هذه الأسلاك الألومنيوم الجديدة والتصاميم الخاصة مشاكل الوصلات بين المعادن المختلفة، والأكسدة على أسطح المعادن، والتأثيرات الميكانيكية التي تحدث نتيجة تمدد المعادن المختلفة بمعدلات متفاوتة مع ارتفاع درجة الحرارة.

على عكس النحاس، يميل الألومنيوم إلى الزحف أو التدفق البارد تحت الضغط، لذا قد تصبح الوصلات القديمة المثبتة ببراغي فولاذية عادية غير محكمة مع مرور الوقت. تحتوي الأجهزة الكهربائية الحديثة المصممة لموصلات الألومنيوم على خصائص مصممة للتعويض عن هذا التأثير. على عكس النحاس، يشكل الألومنيوم طبقة أكسيد عازلة على سطحه. يُعالج هذا أحيانًا بتغطية موصلات الألومنيوم بمعجون مضاد للأكسدة (يحتوي على مسحوق الزنك في قاعدة بولي بيوتين منخفضة البقايا ^{[ 6 ]} ) عند الوصلات، أو بتطبيق طرفية ميكانيكية مصممة لاختراق طبقة الأكسيد أثناء التركيب.

قد ترتفع درجة حرارة بعض نهايات الأسلاك في الأجهزة المصممة خصيصًا لأسلاك النحاس تحت تأثير الأحمال الكهربائية العالية، مما قد يتسبب في نشوب حرائق عند استخدامها مع موصلات الألومنيوم. وللحد من هذه المشاكل، وُضعت معايير مُعدّلة لمواد الأسلاك وأجهزة التوصيل (مثل تصنيف CO/ALR "نحاس-ألومنيوم-مُعدّل"). ورغم استمرار استخدام الأحجام الكبيرة لتغذية لوحات التوزيع الكهربائية والأجهزة الكبيرة بالطاقة، إلا أن أسلاك الألومنيوم المستخدمة في المنازل اكتسبت سمعة سيئة وفقدت شعبيتها.

لا تزال موصلات الألومنيوم تُستخدم على نطاق واسع في نقل الطاقة الكهربائية وتوزيعها ، وفي دوائر التغذية الكبيرة ذات الأحمال العالية، وذلك لما توفره من مزايا عديدة مقارنةً بأسلاك النحاس. فموصلات الألومنيوم أقل تكلفةً ووزنًا من موصلات النحاس، مما يسمح باستخدام مساحة مقطع عرضي أكبر بكثير للحصول على نفس الوزن والسعر. وهذا يُعوض عن المقاومة الأعلى والقوة الميكانيكية الأقل للألومنيوم، مما يعني أن مساحة المقطع العرضي الأكبر ضرورية لتحقيق سعة تيار مماثلة وميزات أخرى. يجب تركيب موصلات الألومنيوم باستخدام موصلات متوافقة، مع الحرص الشديد على عدم تأكسد سطح التلامس.

كانت طريقة الأسلاك المعيارية الأولى في المباني، والتي شاع استخدامها في أمريكا الشمالية من حوالي عام 1880 إلى ثلاثينيات القرن العشرين، هي طريقة الأسلاك ذات المقابض والأنابيب (K&T): حيث تُمرر موصلات مفردة عبر تجاويف بين العناصر الإنشائية في الجدران والأسقف، مع أنابيب خزفية تُشكل قنوات واقية عبر العوارض الخشبية، ومقابض خزفية تُثبت على العناصر الإنشائية لتوفير تهوية بين السلك والخشب ودعم الأسلاك. وبما أن الهواء كان حرًا في الدوران فوق الأسلاك، فقد أمكن استخدام موصلات أصغر من تلك المطلوبة في الكابلات. ومن خلال ترتيب الأسلاك على جانبين متقابلين من العناصر الإنشائية للمبنى، تم توفير بعض الحماية ضد قصر الدائرة الكهربائية الذي قد يحدث نتيجة دق مسمار في كلا الموصلين في آن واحد.

بحلول أربعينيات القرن العشرين، أدى ارتفاع تكلفة تركيب موصلين بدلاً من كابل واحد إلى انخفاض في تركيبات الأسلاك القديمة ذات الأنابيب. ومع ذلك، لا يزال القانون الأمريكي يسمح بتركيبات الأسلاك القديمة ذات الأنابيب في حالات خاصة (بعض التطبيقات الريفية والصناعية).

في المملكة المتحدة، كان أحد الأشكال المبكرة للكابلات المعزولة، ^{[ 9 ]} الذي طُرح عام 1896، يتألف من موصلين معزولين بورق مشبع داخل غلاف رصاصي. وكانت الوصلات تُلحم، وتُستخدم تجهيزات خاصة لحوامل المصابيح والمفاتيح. وكانت هذه الكابلات مشابهة لكابلات التلغراف والهاتف الأرضية في ذلك الوقت. وقد ثبت أن الكابلات المعزولة بالورق غير مناسبة لتركيبات الأسلاك الداخلية، إذ كان من الضروري توخي الحذر الشديد في صناعة الأغلفة الرصاصية لضمان عدم تأثر العزل بالرطوبة.

تم اختراع نظام لاحق في المملكة المتحدة عام 1908، يستخدم سلكًا معزولًا بالمطاط المقوى ومغلفًا بغلاف معدني. وكان الغلاف المعدني موصولًا بكل جهاز من أجهزة التوصيل المعدنية لضمان استمرارية التأريض.

استُخدم نظامٌ طُوِّر في ألمانيا يُسمى "سلك كوهلو" سلكًا واحدًا أو اثنين أو ثلاثة أسلاك معزولة بالمطاط داخل أنبوب من صفيحة حديدية مطلية بالنحاس أو الرصاص، مع وصلة مُثبَّتة. ويمكن استخدام الغلاف أيضًا كموصل إرجاع. ويمكن مدّ سلك كوهلو مكشوفًا على الأسطح ودهانه، أو دفنه في الجص. وصُنعت صناديق توصيل ومنافذ خاصة للمصابيح والمفاتيح، إما من الخزف أو من صفائح الفولاذ. ولم تُعتبر الوصلة المُثبَّتة مانعة لتسرب الماء مثل سلك ستانوس المُستخدم في إنجلترا، والذي كان غلافه ملحومًا. ^{[ 10 ]}

ظهر نظام مشابه إلى حد ما يُسمى "الأسلاك المتمركزة" في الولايات المتحدة حوالي عام 1905. في هذا النظام، يُلف سلك كهربائي معزول بشريط نحاسي ثم يُلحم، مُشكلاً الموصل الأرضي (العائد) لنظام الأسلاك. وكان الغلاف المعدني المكشوف، عند جهد الأرض، يُعتبر آمنًا للمس. ورغم أن شركات مثل جنرال إلكتريك صنعت تجهيزات لهذا النظام، وتم توصيل بعض المباني به، إلا أنه لم يُعتمد قط في قانون الكهرباء الوطني الأمريكي. ومن عيوب هذا النظام أنه يتطلب تجهيزات خاصة، وأن أي خلل في توصيل الغلاف سيؤدي إلى تكهربه. ^{[ 11 ]}

تم استخدام الكابلات المدرعة ذات الموصلين المعزولين بالمطاط في غلاف معدني مرن في وقت مبكر من عام 1906، واعتُبرت في ذلك الوقت طريقة أفضل من الأسلاك المكشوفة ذات العقد والأنابيب، على الرغم من أنها كانت أكثر تكلفة بكثير.

طُرحت أولى الكابلات المعزولة بالمطاط لتمديدات المباني في الولايات المتحدة عام 1922، بموجب براءة الاختراع الأمريكية رقم 1458803 ، المسجلة باسم هاري بيرلي وهنري روني، بعنوان "سلك كهربائي معزول"، بتاريخ 12 يونيو 1923، والممنوحة لشركة بوسطن للأسلاك والكابلات المعزولة  . كانت هذه الكابلات تتكون من سلكين كهربائيين أو أكثر من النحاس الصلب معزولين بالمطاط، بالإضافة إلى غطاء من قماش القطن المنسوج فوق كل موصل لحماية العزل، مع غلاف خارجي منسوج، يُشرب عادةً بالقطران للحماية من الرطوبة. استُخدم الورق المشمع كحشو وفاصل.

بمرور الوقت، تصبح الكابلات المعزولة بالمطاط هشةً نتيجة تعرضها للأكسجين الجوي، لذا يجب التعامل معها بحذر، وعادةً ما يتم استبدالها أثناء أعمال التجديد. عند استبدال المفاتيح أو المقابس أو وحدات الإضاءة، قد يؤدي مجرد شد الوصلات إلى تقشر العازل المتصلب عن الموصلات. غالبًا ما يكون العازل المطاطي الموجود داخل الكابل في حالة أفضل من العازل المكشوف عند الوصلات، نظرًا لقلة تعرضه للأكسجين.

تسبب الكبريت الموجود في عازل المطاط المُفلكن في تآكل أسلاك النحاس المكشوفة، لذا طُليت الموصلات بالقصدير لمنع ذلك. وعادت الموصلات إلى حالتها الأصلية المكشوفة عندما توقف استخدام المطاط.

في حوالي عام 1950، تم إدخال عزل وأغلفة PVC ، وخاصة لتمديدات الأسلاك المنزلية. وفي نفس الوقت تقريبًا، أصبحت الموصلات الفردية ذات عزل PVC أرق وغلاف نايلون رقيق (مثل النوع الأمريكي THN، THHN، إلخ) شائعة.

أبسط أنواع الكابلات يتكون من موصلين معزولين ملتويين معًا لتشكيل وحدة واحدة. تُستخدم هذه الكابلات غير المغلفة، ذات الموصلين (أو أكثر)، فقط لتطبيقات الإشارات والتحكم ذات الجهد المنخفض جدًا، مثل أسلاك جرس الباب.

تشمل الطرق الأخرى لتأمين الأسلاك التي أصبحت الآن قديمة ما يلي:

• إعادة استخدام أنابيب الغاز الموجودة عند تحويل أنظمة الإضاءة الغازية إلى إضاءة كهربائية. تم سحب موصلات معزولة عبر الأنابيب التي كانت تغذي مصابيح الغاز سابقًا. على الرغم من استخدام هذه الطريقة أحيانًا، إلا أنها تنطوي على خطر تلف العزل بسبب الحواف الحادة داخل الأنبوب عند كل وصلة.
• قوالب خشبية ذات أخاديد محفورة لأسلاك أحادية الموصل، مغطاة بشريط خشبي. وقد حُظرت هذه القوالب في قوانين الكهرباء في أمريكا الشمالية بحلول عام 1928. كما استُخدمت القوالب الخشبية بدرجة ما في المملكة المتحدة، ولكنها لم تكن مسموحة مطلقًا بموجب القوانين الألمانية والنمساوية. ^{[ 12 ]}
• استُخدم نظام من الحبال المزدوجة المرنة المدعومة بأزرار زجاجية أو خزفية قرب مطلع القرن العشرين في أوروبا، ولكن سرعان ما استُبدل بطرق أخرى. ^{[ 13 ]}
• خلال السنوات الأولى من القرن العشرين، استُخدمت أشكال مختلفة من أنظمة الأسلاك الحاصلة على براءات اختراع، مثل أنابيب بيرغمان وبيشل، لحماية الأسلاك؛ وقد استخدمت هذه الأنابيب أنابيب ليفية رقيقة للغاية، أو أنابيب معدنية استُخدمت أيضًا كموصلات عودة. ^{[ 14 ]}
• في النمسا، كانت الأسلاك تُخفى عن طريق غرس أنبوب مطاطي في أخدود في الجدار، ثم تغطيته بالجص، ثم إزالة الأنبوب وسحب الأسلاك من خلال التجويف. ^{[ 15 ]}

كانت أنظمة القوالب المعدنية، ذات المقطع البيضاوي المسطح والمكونة من شريط أساسي وقناة غطاء قابلة للتركيب بالضغط، أغلى ثمناً من الأسلاك المكشوفة أو القوالب الخشبية، ولكن يمكن تركيبها بسهولة على أسطح الجدران. ولا تزال أنظمة الأسلاك السطحية المماثلة متوفرة حتى اليوم.