I cavi elettrici e la loro composizione

Un cavo elettrico è costituito da uno o più conduttori uniformemente isolati, raggruppati in forma tonda o “piatta”, ricoperti da un rivestimento protettivo.

Ogni cavo è composto dunque da diversi materiali e parti: vediamo nel dettaglio quali sono.

Si tratta della parte più interna dei cavi elettrici, ovvero quella metallica che conduce la corrente (le fibre ottiche ovviamente sono escluse) e per questo prende il nome di conduttore.

Può essere in rame nudo oppure placcato.

Nell’ultimo caso, si utilizzano normalmente tre metalli per placcare un conduttore di rame: stagno, argento e nichel. La placcatura ha lo scopo principale di evitare l’ossidazione del rame.

Lo stagno che è il più utilizzato, previene la corrosione e migliora la saldabilità.

L’argento, invece, viene impiegato in cavi per alte temperature (150°C–200°C). Inoltre può migliorare il cosiddetto effetto pelle per applicazioni ad alta frequenza: si tratta della tendenza della corrente elettrica alternata a distribuirsi in modo disomogeneo nel conduttore (con densità inferiore all’interno e maggiore in superficie).

Infine, il nichel è utilizzato per conduttori che possono arrivare a temperature comprese tra i 200°C e 450°C.

A volte il conduttore può essere in alluminio (ha un peso e un costo minori, costo minore ma resistività più alta), in particolare per cavi di grossa taglia al fine di limitarne il peso.

Il conduttore può essere formato da un filo unico o da più fili. Quello a filo unico si definisce rigido.  L’insieme di più fili, invece, prende il nome di trefolo. In genere, i fili sono riuniti ad elicoide e ciò rende il trefolo più o meno flessibile o super flessibile in funzione del maggior numero di fili elementari che compongono il conduttore e del loro diametro.

La “Classe del trefolo” è la classificazione normata dalla IEC 60228. La seguente tabella ne riassume le caratteristiche:

Il conduttore dei cavi elettrici è protetto da uno strato di materiale dielettrico formato dall’unione di materiali “plastici”. Il suo scopo è quello di sopportare la tensione elettrica e prevenire il passaggio di corrente tra due conduttori (corto circuito). Esistono diversi materiali o mescole, che si dividono in mescole “termoplastiche” (PVC), “elastomeriche” e “poliolefiniche”.

Un conduttore e il suo relativo isolamento costituiscono l’anima del cavo elettrico. Possono essere presenti in contemporanea una o più anime. È in base al loro numero, che i cavi elettrici vengono detti: unipolari, bipolari, tripolari, quadripolari, multipolari ecc..

A volte il termine conduttore viene utilizzato genericamente anche per indicare l’anima (conduttore più isolamento), quindi un cavo elettrico unipolare è detto anche mono conduttore e un cavo multipolare è detto anche multi-conduttore.

Sono quei materiali con cui sono riempiti gli interstizi tra le anime e la guaina nei cavi multipolari.

Possono essere di diverse dimensioni, forme e materiali: false anime di materiale plastico, fibre tessili a formare una “corda” o sfuse e altre ancora.

Per alcuni cavi elettrici la guaina stessa svolge questa funzione, per riempire gli interstizi più esterni e prende il nome di guaina penetrante.

È un rivestimento in materiale conduttore applicato sull’isolamento o sull’insieme delle anime. Le sue funzioni principali sono quelle  avente sia lo scopo di confinare il campo elettrico generato dai conduttori e sia quello di proteggere dai disturbi elettromagnetici esterni.

Lo schermo, normalmente, può essere fatto:

• in fili di rame avvolti ad elicoide, i fili di rame che possono essere stagnati
• in fili di rame a formare una calza, i fili di rame che possono essere stagnati
• in foglio di alluminio/poliestere avvolto a “tubo”
• in nastro di alluminio/poliestere

È un rivestimento applicato sull’insieme delle anime che protegge il cavo elettrico da sollecitazioni meccaniche più o meno gravose le fasi di posa o durante il normale funzionamento. Inoltre, ha lo scopo di scaricare eventuali trazioni esercitate sul cavo.
Le armature possono essere di diversi materiali e di differenti costruzioni, ecco alcuni esempi:

• in fili di acciaio avvolti ad elicoide
• in fili di acciaio a formare una calza
• in nastro o bandella di acciaio
• in fili di acciaio combinati con bandella in acciaio

Avvolge l’anima dei cavi elettrici (provvista o meno di schermatura o di armatura) e ha lo scopo fondamentale di proteggere i cavi da sollecitazioni di tipo meccanico, chimico o ambientale: garantisce la protezione dei conduttori che trasportano la corrente o i segnali.

Come per l’isolamento, anche per la guaina si utilizzano mescole di materiali plastici che possono avere caratteristiche di resistenza meccanica, chimica e ambientale diverse a seconda delle situazioni in cui vengono utilizzati (alte o basse temperature, presenza di oli o di agenti chimici, sollecitazioni meccaniche) e dalla posa (fissa o mobile).

È importante garantire lo scorrimento relativo tra le anime e la guaina esterna. Ecco perché le anime stesse sono avvolte da nastri o in alternativa da talco.

Le mescole di materiali plastici impiegati a protezione dei cavi elettrici sono studiate e selezionate per garantire loro una “vita” più lunga possibile e nelle migliori condizioni di sicurezza.

Ogni mescola plastica reagisce in modo anche totalmente diverso rispetto alle sollecitazioni meccaniche, chimiche e ambientali. Può avere una reazione al fuoco che può contenere oppure limitare i danni del fuoco o addirittura peggiorare la situazione.

La seguente tabella mostra le proprietà principali di alcuni materiali plastici utilizzati per comporre le varie mescole:

Nella scelta del materiale plastico non si può ignorare la componente economica.

Al contempo, ogni materiale ha i suoi punti di forza e caratteristiche invece nelle quali non ha un buon “comportamento”.

Come si può dedurre dalla tabella, dunque, non esiste il materiale migliore in perfetto, ma è possibile tendere al “compromesso giusto per l’applicazione giusta”.

In linea generale, le sollecitazioni meccaniche nella zona di curvatura di un cavo elettrico si riducono avvolgendo le anime in maniera elicoidale.

La distanza tra un punto dell’elica e il punto successivo in cui ritorna nella stessa posizione geometrica si chiama passo di cordatura.

• Per condizioni estreme di torsione: passo di cordatura lungo

• Per condizioni estreme di piega: passo di cordatura corto

Anche il trefolo presenta una costruzione geometrica simile: i fili elementari di rame vengono cordati con lo stesso principio delle anime.

La flessibilità dei cavi elettrici dipende dal passo di cordatura e dalla “Classe del Trefolo”.

Nei cavi per alimentazione oppure in quelli di controllo e comando, con anime cordate a fasci o a gruppi, le anime sono raggruppate in piccoli gruppi e successivamente questi sono raggruppati tra loro.

Le anime sono adatte all’utilizzo anche in catene molto lunghe o laddove ci siano delle torsioni, ma hanno solitamente un diametro esterno elevato e una difficile sguainabilità.

Nei cavi elettrici per trasmissione dati, le anime possono essere cordate a coppie dette anche Twisted Pair (TP) o a bi-coppie a stella dette anche a Star-Quad.

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