الأسلاك الكهربائية

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 لايتوقف 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.

ماهي الأسلاك ؟

الأسلاك الكهربائية عبارة عن مكون يحتوي على مواد موصلة للكهرباء و مواد أخرى إضافية، بغرض نقل الكهرباء من مصدر التغذية إلى الجهاز بطريقة آمنة وذات كفاءة عالية.
يطلق على الأسلاك مصطلح (Wires) باللغة الإنجليزية، و كذلك مصطلح (Cables): الذي يُعرف بالكيابل وهو الأكثر استخدامًا في مجال الصناعات و المشاريع.

تتكون الأسلاك من مادتين رئيسيتين:
1- الموصل: مادة موصلة مثل النحاس، والألمنيوم، والذهب.
2- العازل: مادة غير موصلة تعزل الموصل عن البيئة الخارجية مثل بولي ايثيلين أو 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 مثلاً ) 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 آخر لتوضيح اختلاف التيار الناتج من مختلف الأجهزة الكهربائية:

مجفف شعر يستهلك 2500 وات ليُنتج هواء ساخن لتجفيف الشعر سنتتبع نفس المعادلات لتوضيح اختلاف التيار:

P = V X I

I = P / V

I = 2500 / 230

I =10.8

التيار الناتج عن عملية تسخين الهواء = 10.8 امبير

*ملاحظة: في المثال الاخير تم الاقتصار على احتساب التيار لعنصر التسخين و الذي لا يوجد فيه عنصر حثي ولتبسيط عملية معرفة الحجم المناسب للسلك ، ولكن عند تحليل كامل الية عمل مجفف الشعر نجد ان عملية دفع الهواء عبر المحرك الدوار يوجد بها عنصر حثي مما يعني ان معامل القدرة لابد ان يؤخذ بعين الاعتبار اثناء حساب المحصلة النهائية لجهاز مجفف الشعر

في المثالين السابقين شاهدنا اختلاف في كمية التيار، إذاً ما علاقة كمية التيار بحجم السلك ؟
كلما زاد التيار كلما احتجنا إلى موصل ذو مساحة أكبر و العكس صحيح و السبب ببساطة يعود إلى أن التيار عبارة عن شحنات كهربائية و هذه الشحنات كلما زادت كلما احتاجت إلى مساحة أكبر 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 عالية جدًا بينما موصوليتها منخفضة جدًا و تكاد تقترب من الصفر، أنظر للجدول التالي :

المادة	المقاومة النوعية
Aluminum	2.8 × 10-8
Antimony	3.9 × 10^-7
Cobalt	5.6 × 10^-8
Copper	1.7 × 10^-8
Gold	2.4 × 10^-8

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

المقاومة النوعية (Resistivity) خاصية جوهرية للمادة كما الحال بالنسبة للكثافة (Density)، أما المقاومة (Resistance) على الجانب الآخر فتعتمد على كلًا من المقاومة النوعية و الشكل الهندسي للمادة، و بناء على ذلك لنفترض أن 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 أقل مقارنةً بالسلك الأطول.
ولفهم الفكرة بشكل أوضح أنظر إلى المثال التالي: أحد الشركات التي تصنع آلة قص العشب توصي باستخدام 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

أما 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 ازدياد 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 لأحد 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 أنه يوجد العديد من المواصفات الأخرى و توصيات المُصنعين التي توضح اختيار الحجم المناسب و لكن سنشرح على هذا الجدول لسهولته:

جدول: (2) هذا الجدول يحمل الرقم 310.15(B)(16) في معيار NEC وهو يختص بالجهد الذي لا يزيد عن 2000 فولت

طريقة قراءة الجدول:

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

جدول (3)

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 اختيار السلك المناسب:

أحد المصانع سيقوم بإنتاج فرن كهربائي مخصص للمطاعم يصل استهلاكه 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 للاحتياط و الحماية في حال التشغيل الأقصى.

I = 23.91 * 1.25 = 29.89 A

2- معرفة المادة الموصلة:

سيقع اختيارنا على مادة النحاس نظراً لانخفاض مقاومتها ، مما يجعل اختيارنا 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 اختيارنا 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 الآخر، حيث تزداد بازدياد الحجم كما شرحنا سابقاً هنا سنبحث عن حجم بإمكانه حمل تيار لا يقل عن 21.75 أمبير، سيقع اختيارنا 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)