电线与电缆(一)
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电线与电缆这两个用词很常见但却不容易区分，根据IEEE的定义，电线是指导电体加上可有的绝缘体，因此一根露的电线与一个导电体是等同的.当然，电线的电气连接点是导体制成的。这些连接点的终点操作在卷曲和遮蔽之前或在绝缘体挽置时，绝缘体会被移动。
电缆有两种常见类型：对电线提供机械保护或便于电线处理的复选电缆，如加套和带状电缆；与倾向于提供特定的电气工作性能的电缆，如防护传输线或同轴电缆。当然有些电缆构造混合了全部优点，如图8.1所提供的电缆就是例子。图8.1a显示了一个双层外套的导体电缆，图8.1b显示了带状电缆的形态结构。这些电缆并没有提供很好的电气工作性能。图8.1c和图8.1d所示的电缆提供了这些优点，图8.1c所示的防护传输线状电缆控制了阻抗，和非传导性的材料一样用于空间和导体直径受到限制的地方，环绕在电缆周围的防护套可保护其不受电磁干扰。图8.1d所示的同轴电缆利用不同的形态结构提供了同样的好处。
这一章根据用途和特性来组织，提供了电缆材料，构造和工作性能方面一个总的看法。它们同如同卷曲一样形成固定的机械边结和绝缘替代边结发生联系，更多的电线和电缆的细节讨论可从Refs.1-3找到。
8.1导体
当然，导体的功能是在两个电气系统或电系统之间提供一个传导的路径.导体通常是金属，这样可以利用金属固有的高导电性及机械强度与制造方面的优点，导体可以由两部分组成，导体的基体金属及在许多情况下可以提供防蚀保护或特定工作性能的末端或外套。每一部分都认为是分开的。
铜是在导体广泛应用的金属，这是因为它在导电性，成形性和价格上拥有不可比拟的组合优势。其它的导体材料包括有铜合金和铝，之所以选择这些材料，是因以它们在导电性，拉伸强度，重量和成本方面的组合特性，使之作出应用决定，因以这些因素是非常重要的。
末端包括锡，银和镍，末端的选择主要是依据在温度，频率和细节方面的应用要求。
8.1.1铜
铜易于延伸，从而有广阔的形状范围，能提供在安装方面必需的柔韧性，能应用于各种不同的要求.导体直径的较高限制是由柔韧性要求来决定的，较底的限制则是根据电线的拉伸强度的降低来变化，通常是一些制造或处理方面的原因。通过一些普通的方法(如机加工或焊接)得到的铜导体的终点是明确可信赖的。铜常被用来退火或快速回火，这样会对拉伸强度，导电性和易弯曲缺点带来的电阻产生重大原影响。
8.1.2铜合金
铜合金用于对拉伸强度有应用要求时，但它通常会造成导电性能的降低，即便是低含量合金，高强度合金的例子包括铜-镉合金(C16200)和镉-铬-铜合金。合适的导体合金的选择是一项复杂的工作，包括了对成本，重量，导电性，治金性及终点工艺需求的适宜性的考虑。8.1节包含了对电线和电缆中应用的铜合金的电气性能与机械性能的编辑，电气特性可以用两种方法列出：根据Ω/cm的材料电阻和国际退火铜标准所规定的导电性，即IACS的百分比。
8.1.3铝
铝有良好的导电性与较轻的重量，但是与铜相比，其较难接到终端上.。这些特性使得铝应用在对于重量减轻要求比较严格的地方，例如航空、汽车等行业，然而对于终端连接技术的发展给予了较强的重视。铝及铝合金的一些电气与机械性能在表8.1中已给出。
从终端连接角度来看，导体铝连接终端有困难归结于两个原因。第一，铝的表面形成致密的氧化物保护膜，导致连接终端的许多焊接及机械方面的工艺问题。焊接需要在焊锡与表面有难去除有氧化层的金属导体间形成金属间化合物。氧化层由于其厚度与附着力会影响机械电连接。第二，，铝对于潜伸是敏感的，潜伸-材料在压力下的流动-此因素在设计机械连接工艺时必须要考虑到。这样就需要在铝线端头处存在一弹性体，使得在金属流动时其残余应力可维持连接的稳定性。
铝有低的疲劳强度与有限的弯曲能力。这些负面特性限制了铝导体的应用。铝导体应用最广是在大功率输电线、地下电缆及高空电缆(高空线缆中有钢制增强线芯)、内部连通和buss bar。
8.1.4导体镀层
铜导线通过涂、电镀或包覆几种金属来增加其对于腐蚀及升温的抵抗力。绝大部分金属是锡、银及镍。锡与银为铜提供保护，当某处不可避免地出现高温及影响绝缘性的情况，从而导致铜的绝缘性能下降与铜的腐蚀。镍基本上用于提高抗高温性能。
锡镀层提供抗腐蚀保护是由于第三章所讨论的锡自身限制氧化的特性。锡也能提高端头性能在焊接方面，因为锡是焊料的一部分，在机械式永久连接中，如第三章所讨论的，卷边与IDC存在较容易的氧化物转移，增大了所需要有金属接触表面。镀锡导体被应用在许多商业设施，但与bare导体相比有价格上的损失。然而，锡的高电阻率限制了其在低频设施上的应用，这些低频设施其表面效应可以忽略。表面效应是指随着电流频率的增加，导体中电流会靠近导体边缘流动。
相比之下银用在高频设施上是有利的，它的高导电率增加了导体的导电性。银在同轴导线及线缆设备中属于普通导体镀层，因为它有价格较高。
镍能提高铜导体的抗高温能力通过其直到250°C时的氧化保护膜。镍镀层对于焊接与机械连接端头的简便性均会产生负面的影响，尽管此两影响可通过适当的处理得到解决。
8.1.5导线的结构
导线是由单束或多束纯金属丝组成，或者由成束的导体组成。每一种组成都有其优点和缺点。
“实心导线”. 实心导线比起搓合导线来，成本低并且在相同的横截面上体电阻较低。较低的电阻再加上较高的热导性，使实心导线对于给定的导线尺寸有较高的额定电流。但是它们的挠性和抗弯曲性不高，在脱剥绝缘体时，要比搓合导线更易受到损坏。实心导线表面上的一个刻痕或擦痕，经过持续受力可以传到整个横截面，从而导致导线的损坏。对于搓合导线，这种损坏只局限在受损坏的单个导线中。
“搓合导线”. 搓合导线的应用主要是跟实心导线相比，它们出众的挠性及抗弯曲性。这些益处得益于用在一个导线上搓合结构，在图8.2和图8.3中展示了这样一些导线。
搓合结构中束状搓合与绳状搓合在复杂性个不一样。在束状搓合中，所有的导线被当成一个单位，在单独一股的相对位置上没有任何控制(图8.2a)。束状搓合导线呈现了最高的挠性，在制造中可能会也可能不会进行螺旋式缠绕或是捻合。在很多种搓合结构中，一个中心导线被外面的导线层所包覆(图8.2.b)；在这种结构中，每一层的线股数增加六个。在用于高股数的绳状结构中，单独导线股被多导线束所代替，这些导线是以相似的结构束状搓合成的(图8.2c)。
图8.3是所选择的同心导体之结构示意图：（a）单层（b）等边层（c）完全同心分布。由AMP公司提供。
成束的金属成同心的排列方式，如图8.26所示，可以通过层和另一种层区分。如图8.3所示，若导线在加工时是弯曲的，那也能曲分。在单层结构中（图8.3a）导体层只有单一的间距。在等边的结构中（图8.3b）导体层也只有单一的间距。但是导体层在扭曲的方向上是交替变换的。在完全同心结构中（图8.3c）导体层扭曲的方向和间距，每一层都有不同。
导体层每一层的间距和方向都变换是为了导体间相互距离和导体的全部尺寸及稳定性。单层结构最具有柔韧性但控制导体的稳定性和尺寸的能力最差。完全同心结构控制所有要素的能力最强。显然，这种尺寸控制包含面本的增加，更复杂的导体结构只有在成本划算时才用。增强尺寸的控制能力对于计划发展电缆在IDC的应用特别重要，这正如第9章所述。
成束的结构对柔韧性和电阻也有影响。例如减小层间的间距，结果柔韧性降低，但电阻却有提高，这是由于导体的弯曲了导线的总长度。
成束的导体可以由一层能够包覆整个导体长度的锡铂外被将其捆在一起。如果此种外被用在预先包有锡铂层的金属导体束中，这称作双外被的铜。如果在裸铜导线中，则称作具有顶层外被的铜。这种做法稍微经济些。所有叙述表明了柔韧性减弱以及由于振动和机械滥用而更易折断的趋势。其也展现了更强的尺寸控制能力，以及导体位置在导线中更加稳定，这两点能推动IDC的进程。
8.2绝缘
导线绝缘有机械和电子的功能，各自的主要性取决于应用的场合。绝缘的要求也有变化，取决于电线或电缆应用是否须考虑。除了以上因素，绝缘体的化学和热学稳定性也要着重考虑。这些特性自然是取决于绝缘体的材料、结构及尺寸。各式各样的高分子材料被用作电线和电缆的绝缘体。
8.2.1 机械考虑
电线和线缆绝缘体的机械性能要求是能避免导线磨损以及减小导线的使用应力。绝缘体的材料特性，即硬度、抗拉强度、刚度和磨擦系数会影响其使用性能。对于单线，仅因其导线的尺寸和数量与线缆不同，其承受的机械应力一般比线缆小，因此将对线缆的机械性能比对电线作更重要的讨论。对于小规格电线，绝缘体主要是承受搞拉应力。
对于永久性机械连接，绝缘体的机械性能可以从多方面进行讨论。对于卷边连接，可重复且可靠地剥去导线上是一个侧重点，而对于绝缘体断层连接（IDC），当电线插入绝缘体断层连接（IDC）的狭缝时，绝缘体的断层处于临界状态。这将在第九章讨论。
8.2.2电的考虑
根据使用的频率不同，电线与线缆的电性绝缘可分为两类，一是低频绝缘，其乃通常所说的绝缘，以确保导线间或设备的导电组件间不会产生短路；一是高频绝缘，因其绝缘性能会影响信号的传播和电线及线缆本身的阻抗而使其显得比较重要，这将在往后的第十二章进行讨论。这些性能取决于绝缘体的非导电性系数和尺寸参数（犹指厚度），在高频领域，泡沫绝缘体通过其间夹杂的空气可降低非导电性系数，故多用于提高信号传播速率。
8.2.3 化学/热量的考虑
化学考虑包括清洁剂的稳定性、高温氧化、除添加剂的气体和易燃物，绝大部分的这些材料特性取决于材料的生产。热量考虑包括温度对绝缘体的硬度和伸长性或弯曲性的影响，以及焊接时短时间高温辐射的稳定性。由于这些影响主要由聚合体结构决定，亦即主要由材料决定。
8.2.4 绝缘材料
根据绝缘材料的用途，可将其分为基本的两类：一级绝缘和二级绝缘，其中一级绝缘直接裹住导体以提供电性绝缘，而二级绝缘以覆被的形式存在，可提供线缆内部导线以机械保护并有助于电线操作。据此用途对它们的要求是相似的但侧重点不同。图8.4表示一个具有所说的一级绝缘和二级绝缘的带覆被线缆的例子。由于绝缘材料的种类很多用途很广，在此仅选择数种材料进行说明。
一级绝缘：主要一级绝缘材料包括聚乙烯胺（PVC）、聚烯烃和氟化碳化氢，其中聚乙烯胺（PVC）于商业和低频运用领域占有优势，而聚烯烃和氟化碳化氢，尤其是其泡沫型号多用于高频运用领域。
聚乙烯胺（PVC）：到处存在的聚乙烯胺因其具有合理的价格和可由多种制程获得的优良整体性能而兴起，制程材料可是50%的可塑剂和添加剂，可形成一系列不同的柔韧度、强度和耐磨度，另外，一些PVC绝缘体为提高耐磨度而采用放射性交叉连接，PVC具有很强的非导电性和绝缘性，但非导电性或电容性损失限制了它于高频领域的运用，尽管PVC常用的操作温度范围是-20℃至80℃，但据其制程其可于-55℃至105℃的温度范围内操作。
聚烯烃：其包括聚乙烯（PE）、聚丙烯（PP）和这些材料的共聚物，通过改变PE聚合体的密度可获得不同的PE绝缘性能，其高密度和低密度成品均被广泛使用，低密度聚乙烯（LDPE）是一种强度大韧性好的聚合体，其具低非导电性系数，这使它很适于高频运用领域，尤其是以泡沫形式进一步减小有效的非导电性系数，高密度聚乙烯比LDPE具有更高的耐磨度和强度以及与LDPE的最高常用温度80℃相比其可承受到90℃。
氟化碳化氢：用于一级绝缘的三种主要氟化碳化氢分别是聚四氟乙烯（PTFE）、多糖铁（PFEP）和聚乙烯胺（PVDF），与前述材料相比，所有这几种材料具有更广的温度适用范围以及强导电性能和机械特性，然而这些优点的获得是以材料成本和制造成本的提高为代价的，这使得它们仅用于需要特别高性能的地方。