Sähköjohto

Sähköjohto on sähköä johtavasta aineesta, johteesta valmistettu, virtapiirin osaksi kytketty osa, jota pitkin sähkövirta kulkee. Sähköjohdot tehdään yleensä kuparista tai alumiinista ja ne eristetään muovi- tai kumieristevaipalla. Sähköjohtoon voi kuulua liittimet, joilla se voidaan kiinnittää helposti-irrotettavaksi kohteeseensa.
Moninapaista sähköjohtoa kutsutaan "kaapeliksi". Sähköjohtoja ja -kaapeleita valmistetaan moniin käyttötarkoituksiin ja monenlaisiin olosuhteisiin: niitä valmistetaan muun muassa korkeille jännitteille, korkeisiin lämpötiloihin ja kestämään erityistä mekaanista rasitusta (robottikaapelit) ja kemiallista rasitusta (erityiset vaippamateriaalit). Radiotekniikassa ja tietoliikenteessä tarvitaan "häiriösuojattuja kaapeleita", joiden rakenteeseen on lisätty metallinen suojavaippa. Korkeilla taajuuksilla pitkä kaapeli muodostaa aina siirtolinjan, jonka siirtoimpedanssi täytyy ottaa huomioon signaalinsiirrossa.
Johdon paksuus voidaan ilmaista poikkipinta-alana ja neliömillimetreinä (mm²). Yleisimpiä poikkipintoja voivat olla 0,5; 0,75; 1,0; 1,5; 2,5; 4; 6; 10; 16 ja 25 mm². Lisäksi on olemassa valmiita standardeja kuten American Wire Gauge ja brittiläinen Standard Wire Gauge.
Kaapelin virrankesto riippuu poikkipinta-alasta - tavanomaisissa olosuhteissa 1,5 mm²:n kuparijohdin välittää korkeintaan 10 A:n virran. Johtimen sisäinen resistanssi eli vastus luonnollisesti kasvaa johtimen pituuden kasvaessa. Tämä on syytä ottaa huomioon käytettäessä esim. pitkiä jatkojohtoja. Sähköjohtimen virrankeston ylittävä virta kuumentaa sähköjohdinta. Kuumeneminen on epäedullinen ilmiö sähkönsiirrossa. Sen takia sähköenergiaa muuttuu lämpöenergiaksi vähentäen siirron hyötysuhdetta. Kuumeneva sähköjohto voi olla myös turvallisuusriski ympäristölle tulipalon muodossa. Johdon taivutussäteellä on tässä suhteessa oma merkityksensä.
Historia.
Ensimmäisenä sähkön johtuvuusominaisuuden havaitsi saksalainen Otto von Guericke 1600-luvulla. Hän ei kuitenkaan ymmärtänyt löytönsä merkitystä. Stephen Gray huomasi sähkönjohtavuuden hankaussähköä tuottavan lasiputken kanssa tehtyjen kokeidensa yhteydessä. Hän yhdisti lasiputken pellavalankoihin ja myöhemmin silkkilankoihin, joita pitkin sähköä voitiin siirtää. Gray kokeili monia aineita ja huomasi toisten esineiden kelpaavan johtimiksi ja toisten eristeiksi. Eristeet osoittautuvat samoiksi kuin aiemmin William Gilbertin määrittelemät sähköiset aineet, joita hankaamalla syntyi sähköisiä ilmiöitä.
Johdon resistanssi.
Johdon resistanssi voidaan laskea pituudesta ja poikkipinta-alasta, kun tiedetään johdon materiaalin ominaisvastus:
formula_1,
missä "ρ" on ominaisvastus, "L" johdon pituus ja "A" sen poikkipinta-ala.
Jos lämpötila on tavanomaisesta poikkeava, sen vaikutus ominaisvastukseen pitää myös huomioida.
Johdon käyttäytyminen vaihtojännitteellä.
Suoran johdon induktanssi voidaan arvioida kaavalla:
"L = 2 l [ln(2 l/r) - 1] nH"
Tässä kaavassa "l" on pituus senttimetriä, "r" on säde senttimetreinä ja tuloksena saadaan induktanssi "L" nanohenryinä.
Tästä voidaan edelleen laskea tietyllä taajuudella johdon vaihtovirtavastus eli reaktanssi ohmeina.
Kaavan perusteella metrin mittaisen johdon, jonka halkaisija on 1 mm, induktanssi on noin 1,5 μH.
Korkeilla taajuuksilla virranahtoilmiö aiheuttavaa virran pakkaantumisen johdon pintaosiin.
Koot ja kuormitettavuus.
Asennustapa
Kuparijohtimet.
Poikkeuksia esiintyy työmaakeskuksissa, joissa virrat voivat olla suurempia "tilapäiskäytön" takia ja jatkojohdoissa.
Kaapelit mitoitetaan kuormitettavuuden mukaan yhtä kokoa suuremmiksi siksi, että ne kestäisivät oikosulkuvirran.
Yli 16 mm²:n kuparimaakaapeleita käytetään nykyään harvoin kuparin kalleuden vuoksi.
Alumiinijohtimet.
Alumiinikaapeleita käytetään harvoin muussa kuin ilma- ja maakaapeliasennuksissa.
Poikkeuksia esiintyy työmaakeskuksissa, joissa virrat voivat olla suurempia "tilapäiskäytön" takia.
Kaapelit mitoitetaan kuormitettavuuden mukaan yhtä kokoa suuremmiksi siksi, että ne kestäisivät oikosulkuvirran.