سیم مسی: انواع، موارد استفاده، رسانایی و چرایی استفاده از آن برای سیم کشی

چیست سیم مسی ?

سیم مسی یک هادی الکتریکی تک یا چند رشته ای ساخته شده از فلز مس کشیده شده است که برای انتقال جریان الکتریکی در مدارها، سیستم ها و تاسیسات مختلف از میکروالکترونیک تا انتقال برق با ولتاژ بالا استفاده می شود. اصطلاح "سیم CU" از کلمه لاتین مس گرفته شده است. جام - و نماد شیمیایی Cu، که در برچسب های سیم کشی، برگه اطلاعات کابل و مشخصات هادی در سراسر جهان ظاهر می شود. هنگامی که یک کابل با علامت "CU" مشخص می شود، ماده هادی را به عنوان مس، متمایز از هادی های آلومینیومی (AL) که در برخی از برنامه های انتقال ولتاژ بالا و سیم کشی ساختمان استفاده می شود، مشخص می کند.

سیم مسی یکی از قدیمی ترین مواد صنعتی است که به طور مداوم مورد استفاده قرار می گیرد. شواهد سیم مسی کشیده شده به مصر و روم باستان برمی گردد، اما فرآیند سیم کشی صنعتی - کشیدن میله مسی از طریق قالب های به تدریج کوچکتر برای کاهش قطر و افزایش طول - در طول قرن نوزدهم همراه با گسترش شبکه های تلگراف و الکتریکی، پالایش شد. امروز، مس ماده رسانای غالب برای سیم کشی برق در سطح جهان است ، با تقریباً 65٪ از کل مس تولید شده در سراسر جهان توسط صنایع برق و الکترونیک مصرف می شود.

آیا مس یک رسانای الکتریکی است - و چرا اینقدر موثر است؟

مس یکی از بهترین هادی های الکتریکی در میان تمام فلزات طبیعی است. رسانایی آن از ساختار اتمی آن ناشی می شود: هر اتم مس دارای یک الکترون ظرفیت واحد در بیرونی ترین پوسته خود است که به صورت سست و بسیار متحرک است. در یک شبکه مسی، این الکترون های آزاد به آسانی در پاسخ به میدان الکتریکی اعمال شده حرکت می کنند و جریان الکتریکی با حداقل مقاومت در برابر آن جریان را تشکیل می دهند.

اندازه گیری در شرایط عملی، هدایت الکتریکی مس خالص در دمای 20 درجه سانتیگراد تقریباً 58.0 × 106 زیمنس بر متر (S/m) است. که استاندارد مرجع - 100% IACS (استاندارد بین المللی مس آنیل شده) است - که تمام مواد رسانای دیگر بر اساس آن معیار قرار می گیرند. نقره تنها فلز رایج با رسانایی بالاتر (حدود 106٪ IACS) است، اما هزینه آن باعث می شود که برای اکثر برنامه های سیم کشی غیرعملی باشد. آلومینیوم تقریباً در 61٪ IACS، طلا در 73٪ IACS و آهن در تقریباً 17٪ IACS قرار دارد.

مقاومت یک سیم مسی

مقاومت معکوس رسانایی است - میزان مخالفت یک ماده با جریان الکتریکی در واحد طول و مقطع را اندازه گیری می کند. مقاومت مس خالص در دمای 20 درجه سانتی گراد است 1.72 × 10-8 اهم متر (Ω·m) ، یا تقریباً 1.72 میکرواهم سانتی متر. در محاسبات عملی سیم، این بدان معناست که یک هادی مسی با سطح مقطع 1 میلی‌متر مربع دارای مقاومت تقریباً 17.2 میلی اهم بر متر طول است.

مقاومت با دما افزایش می یابد - ضریب مقاومت دمای مس تقریباً 0.00393 در درجه سانتیگراد است، به این معنی که مقاومت حدود 0.4٪ به ازای هر 1 درجه سانتیگراد افزایش در دمای رسانا افزایش می یابد. این رابطه به این دلیل است که رتبه‌بندی‌های ampacity در استانداردهای سیم‌کشی در دماهای محیطی تعریف‌شده مشخص می‌شوند و چرا هادی‌هایی که بارهای سنگین را حمل می‌کنند به اندازه سخاوتمندانه اندازه‌گیری می‌شوند تا گرمایش مقاومتی را محدود کنند.

ناخالصی ها رسانایی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهند. حتی 0.1٪ از فسفر، آهن یا سیلیکون در مس رسانایی را 15 تا 30٪ کاهش می دهد. به همین دلیل است که سیم مسی درجه الکتریکی با حداقل خلوص 99.9٪ (پیچ سخت الکترولیتی، مس ETP) یا 99.99٪ (رسانایی بالا بدون اکسیژن، مس OFHC) برای کاربردهایی که حداکثر رسانایی حیاتی است مشخص شده است.

چرا از مس برای سیم کشی برق استفاده می شود؟

تسلط مس در سیم کشی الکتریکی تنها به رسانایی مربوط نمی شود. این ترکیبی از چندین ویژگی مطلوب - الکتریکی، مکانیکی و عملی - است که مس را به ماده رسانای ترجیحی در تقریباً تمام کاربردهای سیم‌کشی تبدیل می‌کند.

• رسانایی بالا - بعد از نقره در میان فلزات عملی، در رده دوم قرار دارد، که در مقایسه با آلومینیوم یا سایر گزینه‌های جایگزین، سطح مقطع رسانای کوچک‌تری را برای ظرفیت انتقال جریان معین می‌دهد.
• شکل پذیری عالی - مس را می توان بدون شکستگی به ضخامت 0.02 میلی متر داخل سیم کشید و می توان آن را خم کرد، سیم پیچ کرد و به طور مکرر بدون سخت شدن تا نقطه شکستگی از طریق مجرا عبور داد.
• مقاومت در برابر خوردگی - مس یک لایه اکسیدی پایدار و چسبنده (پتینه) تشکیل می دهد که از خوردگی بیشتر بدون افزایش قابل توجه مقاومت تماس در پایانه ها جلوگیری می کند. در مقابل، آلومینیوم یک لایه اکسید عایق را تشکیل می دهد که در طول زمان مشکلات مقاومت اتصال را در اتصالات و پایانه ها ایجاد می کند.
• استحکام مکانیکی - سیم مسی با استحکام کششی 200 تا 250 مگاپاسکال به صورت آنیل شده و حداکثر 400 مگاپاسکال در گریدهای سخت کششی، در برابر تنش‌های نصب، لرزش و بارگذاری مکانیکی بدون نیاز به سطح مقطع هادی سنگین‌تر مورد نیاز آلومینیوم مقاومت می‌کند.
• لحیم کاری و سازگاری خاتمه - مس به طور قابل اعتماد به آلیاژهای لحیم کاری، ترمینال های چین دار، گیره های پیچی و کانکتورهای مکانیکی متصل می شود. سازگاری آن با طیف گسترده ای از روش های خاتمه الکتریکی آن را به طور منحصر به فردی همه کاره می کند.
• پایداری حرارتی - مس خواص مکانیکی و الکتریکی خود را در طیف وسیعی از دما، از کاربردهای برودتی تا سرویس مداوم در دمای 75 درجه سانتی گراد، 90 درجه سانتی گراد یا 105 درجه سانتی گراد بسته به نوع عایق حفظ می کند.

مسی که برای ساخت سیم های برق استفاده می شود ماده ای خالص است - به طور خاص، مس عنصری تصفیه شده با خلوص 99.9٪ یا بیشتر در گریدهای الکتریکی تجاری. این یک مخلوط یا یک آلیاژ در کاربردهای سیم کشی استاندارد نیست، اگرچه آلیاژهای مس (برنز، برنج) در اتصالات تخصصی، فنرهای تماسی، و میله‌های اتوبوس که در آن استحکام یا خواص فنر خاصی در کنار رسانایی معقول مورد نیاز است، استفاده می‌شود.

انواع سیم و کابل مسی

سیم مسی در طیف گسترده ای از تنظیمات بهینه سازی شده برای نیازهای مختلف الکتریکی، مکانیکی و محیطی تولید می شود. تمایز بین انواع برای انتخاب برنامه، انطباق کد نصب و عملکرد طولانی مدت اهمیت زیادی دارد.

توسط Conductor Construction

• سیم مسی جامد - یک رشته مسی منفرد و پیوسته. حداکثر رسانایی در هر مقطع و پایداری خاتمه عالی را ارائه می دهد (بدون پخش شدن رشته در پایانه ها)، اما سفت تر و انعطاف پذیرتر است. در سیم کشی ساختمان های ثابت (مدارهای انشعاب خانگی، راه های درون دیوار) در گیج های تا AWG 10 (5.26 میلی متر مربع) استفاده می شود. در گیج های بزرگتر، سیم جامد برای نصب به طور عملی سفت نمی شود.
• سیم مسی رشته ای - چندین رشته مسی نازک به هم پیچیده شده اند. انعطاف پذیری بیشتر نسبت به سیم جامد، مقاومت برتر در برابر شکست خستگی ناشی از خم شدن مکرر، و مسیریابی آسان تر از طریق مجرا و اطراف موانع. انتخاب استاندارد برای سیم‌کشی پانل، سیم‌های دستگاه، کابل‌های قابل حمل و هر برنامه‌ای که نیاز به جابجایی مکرر یا مسیریابی از طریق خم‌های محکم دارد.
• سیم دسته دار / رشته ریز - تعداد رشته های بسیار بالا (کلاس 5 و کلاس 6 در IEC 60228) انعطاف پذیری فوق العاده ای را ارائه می دهد. در کابل‌های جوشکاری، کابل‌های دنباله‌دار برای ماشین‌آلات متحرک، و سیم‌های انعطاف‌پذیر تحت خمش مداوم استفاده می‌شود.
• طناب گشاد و متحدالمرکز دراز رشته - هادی های بزرگ که توسط گروه های هادی رشته ای به هم متصل می شوند. در کابل‌های برق با جریان بالا، سیم‌کشی کشتی و کابل‌های تغذیه‌کننده صنعتی که در آن‌ها سطح مقطع بسیار بزرگ باید در حین نصب قابل کنترل باقی بماند، استفاده می‌شود.

توسط درجه مس و سطح درمان

• سیم مسی لخت - مس بدون پوشش، که در هادی های زمین، میله های اتوبوس، خطوط انتقال هوایی و کاربردهایی که سطح مس عمداً در معرض دید قرار می گیرد، استفاده می شود. رساناترین شکل؛ اکسیداسیون روی سطح معمولاً برای کاربردهای زمین یا جریان بالا نگران کننده نیست.
• سیم مسی قلع شده - رشته های مسی با یک لایه نازک قلع (معمولاً 1-3 میکرومتر) پوشیده شده اند. پوشش قلع قابلیت لحیم کاری را بهبود می بخشد، اکسیداسیون را مهار می کند و مقاومت در برابر خوردگی را در محیط های مرطوب یا دریایی ایجاد می کند. مس قلع شده استاندارد سیم کشی دریایی، تجهیزات صوتی و کابل های سیگنال RF است که در آن اتصالات لحیم کاری قابل اعتماد و یکپارچگی سطح طولانی مدت مورد نیاز است.
• سیم مسی با روکش نقره - مس پوشیده شده با نقره، عمدتاً در کاربردهای فرکانس RF و مایکروویو استفاده می شود که در آن اثر پوستی جریان جریان را روی سطح هادی متمرکز می کند. آبکاری نقره یک لایه سطحی با رسانایی بالاتر نسبت به اکسید مس ارائه می دهد و یکپارچگی سیگنال را در فرکانس های بالا حفظ می کند.
• سیم مسی نیکل اندود - در محیط های با دمای بالا که نقطه ذوب پایین قلع نامناسب است استفاده می شود. در سیم‌کشی هوافضا، کابل‌های محفظه موتور، و سیم‌کشی کنترل کوره‌های صنعتی با درجه‌بندی خدمات مداوم بالای 150 درجه سانتی‌گراد یافت می‌شود.
• مس بدون اکسیژن (OFC / OFHC) - بدون قرار گرفتن در معرض اکسیژن در طول ریخته‌گری برای جلوگیری از ورود اکسیدهای داخلی تولید می‌شود. رسانایی کمی بالاتر و عملکرد قابل توجهی بهتر در کاربردهای سیگنال با خلوص بالا ارائه می دهد. به طور گسترده در کابل های صوتی پیشرفته، تجهیزات پزشکی و تولید نیمه هادی مشخص شده است.

بر اساس عایق و نوع کابل

• THHN / THWN - عایق ترموپلاستیک، مقاوم در برابر حرارت، مناسب برای نصب کانال در مکان های خشک یا مرطوب. رایج ترین نوع سیم ساختمان در آمریکای شمالی.
• NM-B (Romex) - کابل غلاف غیر فلزی حاوی دو یا سه هادی مسی عایق شده به اضافه یک زمین مسی خالی که برای سیم کشی مدار انشعاب مسکونی در ایالات متحده استفاده می شود.
• کابل MC (روکش فلزی) - هادی‌های مسی عایق‌شده در یک ژاکت زره مارپیچ، مورد استفاده در ساختمان‌های تجاری که در آن حفاظت مکانیکی بدون مجرای سفت و سخت مورد نیاز است.
• کابل کواکسیال - یک هادی مسی مرکزی که توسط عایق دی الکتریک، یک سپر مسی بافته شده و یک ژاکت بیرونی احاطه شده است. برای انتقال سیگنال RF در تلویزیون، ماهواره، اینترنت پهن باند و سیستم های آنتن استفاده می شود.
• جفت پیچ خورده - جفت هادی‌های مسی عایق‌شده به هم پیچیده شده‌اند تا تداخل الکترومغناطیسی را لغو کنند. پایه و اساس کابل کشی داده های ساخت یافته (Cat5e، Cat6، Cat6A) و سیم کشی تلفن.
• کابل جوش - مس بسیار منعطف، رشته ای ریز با لاستیک ضخیم یا عایق EPDM، دارای درجه بندی برای جریان بالا و انعطاف پذیری شدید تجهیزات جوش قوس الکتریکی.

سیم های مسی برای چه مواردی استفاده می شوند؟

طیف وسیعی از کاربردهای سیم مسی تقریباً هر بخش از اقتصاد مدرن را در بر می گیرد. کاربردهای آن فراتر از تحویل برق ساده است:

تولید، انتقال و توزیع برق

سیم پیچ های مسی در ژنراتورها، ترانسفورماتورها و موتورها انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی و بالعکس تبدیل می کنند. ولتاژ پایین ترانسفورماتورهای توزیع برای محله های مسکونی حاوی صدها کیلوگرم سیم سیم پیچ مسی است. سیم‌کشی مدار انشعاب خانگی، کابل‌های ورودی سرویس و اتصالات سوکت کنتور تقریباً در ساختمان‌های مسکونی و تجاری سبک مسی هستند.

موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها

هر موتور الکتریکی - از موتور کوچک در ویبراتور تلفن هوشمند گرفته تا درایوهای چند مگاواتی در کمپرسورهای صنعتی - دارای سیم پیچی مسی است. یک وسیله نقلیه الکتریکی منفرد دارای تقریباً 2.5 تا 4 کیلوگرم سیم کشی مسی است ، و خود موتور بخش قابل توجهی از آن را تشکیل می دهد. همانطور که برق رسانی در حمل و نقل، تهویه مطبوع و تجهیزات صنعتی شتاب می گیرد، تقاضای مس از تولید موتور به طور متناسب رشد می کند.

ارتباطات و زیرساخت داده

سیستم های کابل کشی ساخت یافته در ساختمان های تجاری - شبکه های جفت پیچ خورده Cat6 و Cat6A که داده های اترنت را بین سوئیچ های شبکه و ایستگاه های کاری حمل می کنند - تقریباً کاملاً مسی هستند. شبکه‌های تلفن از نظر تاریخی کاملاً بر روی سیم‌کشی جفت مسی کار می‌کردند، و علی‌رغم جابجایی فیبر نوری در فواصل طولانی، جفت پیچ خورده مسی در اتصال «آخرین مایل» به محل‌ها و داخل ساختمان‌ها همچنان غالب است.

تولید قطعات الکترونیک

بردهای مدار چاپی از ردهای مسی حکاکی شده از ورقه ورقه ای با روکش مسی برای اتصال قطعات استفاده می کنند. سیم های اتصال مدار مجتمع که زمانی عمدتاً طلایی بودند، به دلایل هزینه و عملکرد به طور فزاینده ای از سیم اتصال مسی استفاده می کنند. مس همچنین ماده رسانای آبکاری شده در مدارهای مدار چاپی است که ردپای مدار را بین لایه های برد متصل می کند.

سیستم های انرژی های تجدیدپذیر

تاسیسات فتوولتائیک خورشیدی از سیم‌کشی مسی در سرتاسر استفاده می‌کنند - از اتصالات DC در سطح ماژول و کابل‌های رشته‌ای گرفته تا خروجی اینورتر و هادی‌های اتصال به شبکه. توربین‌های بادی حاوی مقادیر زیادی مس در ژنراتورهای خود و کابل‌های صادراتی برق هستند که از پایین برج عبور می‌کنند. سیستم‌های ذخیره‌سازی انرژی از شین‌ها و کابل‌های مسی برای اتصال سلولی و یکپارچه‌سازی سیستم استفاده می‌کنند.

حفاظت از زمین و صاعقه

هادی مسی لخت ماده ترجیحی برای اتصال زمین سیستم الکتریکی، اتصال تجهیزات و سیستم های حفاظت در برابر صاعقه است. مقاومت در برابر خوردگی آن تداوم طولانی مدت زمین را در کاربردهای مستقیم مدفون و در معرض آن تضمین می کند و رسانایی بالای آن جریان های خطا و انرژی برخورد صاعقه را به سرعت بدون افزایش ولتاژ خطرناک از بین می برد.

از کجا می توان سیم مسی پیدا کرد؟

سیم مسی تقریباً در هر محیط ساخته شده و محصول ساخته شده ای که از برق استفاده می کند تعبیه شده است. از نظر عملی در موارد زیر یافت می شود:

• درون دیوارها و سقف ها از هر ساختمان مسکونی، تجاری و صنعتی - سیم کشی مدار انشعاب، مدارهای روشنایی، خروجی ها و هادی های ورودی سرویس.
• داخل هر وسیله و موتور - ماشین‌های لباسشویی، یخچال‌ها، تهویه مطبوع، محدوده‌های الکتریکی، فن‌ها، پمپ‌ها و کمپرسورها همگی دارای سیم سیم‌پیچ مسی هستند.
• در وسایل نقلیه - متوسط وسایل نقلیه احتراق داخلی 20 تا 45 متر سیم کشی مسی دارد. وسایل نقلیه الکتریکی 2 تا 3 برابر بیشتر.
• در دستگاه های الکترونیکی - رایانه‌ها، تلفن‌ها، تلویزیون‌ها و تجهیزات صوتی همگی از ردپای مدار مسی، کانکتورها و دسته‌های سیم‌کشی داخلی استفاده می‌کنند.
• در زیرساخت های تاسیساتی - خطوط توزیع هوایی (در مواردی که آلومینیومی نیستند)، کابل‌های توزیع مسکونی زیرزمینی، سیم‌پیچ‌های ترانسفورماتور و تجهیزات پست.
• در زیرساخت های مخابراتی - جعبه های اتصال تلفن، خطوط DSL، کابل کشی ساخت یافته در ساختمان های اداری، و سیستم های تلویزیون کابلی کواکسیال قدیمی.

وجود سیم مسی در همه جا در محیط ساخته شده همچنین آن را به هدف مهمی برای سرقت تبدیل می کند - ارزش کالایی مس و تراکم حضور آن در زیرساخت ها، مس الکتریکی را به یکی از متداول ترین فلزات بازیافتی و بازیافتی در سطح جهان تبدیل کرده است. مس بازیافتی 100% خواص الکتریکی خود را حفظ می کند و تقریباً 35 تا 40 درصد از عرضه جهانی مس را به خود اختصاص داده است و سیم مسی را به یکی از موفق ترین مواد صنعتی دایره ای در حال استفاده تبدیل می کند.