7-20. Опять наилучший кабель
В § 7-10 был разобран пример о кабеле, который имеет наибольшую электрическую прочность при заданном диаметре его оболочки. У такого кабеля жила должна иметь диаметр в е раз меньший, нежели оболочка.
Но не всегда электрикам нужен самый прочный кабель. При телефонной связи, например, по кабелю передают такие слабые сигналы, что энергии этих сигналов совершенно недостаточно для пробоя самой тонкой изоляции. В этом случае, следовательно, нечего заботиться о высокой электрической прочности кабеля.
Для связи необходимо, чтобы сигналы возможно меньше затухали в пути.
В § 6-31 было рассказано о трансляционных усилителях. Они компенсируют затухание в линии. Усилители подымают мощность сигнала, ослабевшего из-за потерь, доводят эту мощность до требуемого уровня.
Нужно ли при наличии усилителей заботиться об уменьшении затухания линий? Конечно, нужно. Усилители стоят недешево. Эксплуатация их вызывает дополнительные расходы. Чем лучше линия связи, тем на большее расстояние можно удалять друг от друга усилительные пункты.
Связисты применяют множество ухищрений, чтобы уменьшить потери в линии, уменьшить ее затухание. Стараются помещать возможно меньше твердой изоляции между токонесущими проводниками. Для этого не покрывают медную жилу сплошной изоляционной оболочкой, а обматывают ее жгутиком из изоляционного материала. На рис. 2-12 была показана жила с бумажной обмоткой. Но для кабелей дальней связи применяется часто обмоточный жгутик из более высококачественной изоляции (стирофлекс, триацетатная пленка). Увеличивают сечение медной жилы. Все эти приемы удорожают кабель. Это является предметом отдельного исследования на максимум и минимум: до какой величины повышать затраты на линию и разносить усилители, уменьшать их число, или, наоборот, до какой величины сближать усилители, увеличивать их число и уменьшать стоимость линии. Вопрос о самом дешевом канале связи — это очень сложная проблема. Чем выше качество линии связи, тем больше каналов можно на нее наложить. Но усложняется аппаратура: фильтры, усилители. Дороже стоит и обучение персонала, требуется более высокая его квалификация.
Рассмотрим только вопрос о наименьшем затухании кабеля.
Кабели связи выполняют по-разному. Такой кабель может состоять из проводников, скрученных в пары. Затухание зависит от отношения расстояния между проводниками к диаметру проводника. Иногда вокруг пары или четверки проводов делают экран. Тогда затухание зависит еще от диаметра экрана.
Для многократной дальней связи применяют чаще всего двухпроводную линию, в которой один проводник — это внутренняя жила, а второй — окружающая эту жилу оболочка. Она одновременно является и электрическим экраном. Оси внутреннего и внешнего проводников совпадают. Аксис по латыни — ось. Приставка «ко» указывает на совмещение, совпадение. Поэтому кабель такой конструкции называется коаксиальным (соосным).
Если в коаксиальном кабеле задан диаметр его внешнего проводника (экрана), то затухание будет зависеть от диаметра внутренней жилы.
Затухание сигналов в кабеле возрастает с увеличением емкости между его проводниками. А емкость кабеля тем больше при заданном диаметре внешнего проводника, чем толще его внутренняя жила, чем меньше зазор между жилой и оболочкой.
Для снижения емкости кабеля надо уменьшать внутренний диаметр его жилы. Но чем тоньше жила, тем больше ее активное электросопротивление, тем больше нагревается она проходящим током. А это также вызывает увеличение затухания сигналов.
Рис. 7-19. Затухание переменных токов в кабеле в зависимости от диаметра его внутренней жилы при неизменном диаметре оболочки.
На график нанесена еще кривая электрической прочности кабеля (подобная рис. 7-6). Сравнение этих двух кривых показывает, что кабель для связи должен иметь жилу относительно меньшего диаметра, нежели силовой кабель.
Как во всех задачах на максимум и минимум, и здесь «хвост вытаскиваешь — нос увязает». И тонкая жила плоха — затухание велико, и толстая жила нехороша — меди потрачено много, а затухание все равно большое.
Для отыскания размера жилы, дающего наименьшее затухание, приходится производить более сложные вычисления, нежели для отыскания размера жилы, обеспечивающего наибольшую прочность.
Наименьшее затухание будет у кабеля, внутренняя жила которого в 3,6 раза тоньше оболочки. Пропорции кабеля с минимальным затуханием иные, нежели у кабеля с наивысшей электрической прочностью. Кабель с минимальным затуханием имеет относительно более тонкую жилу (рис. 7-19).
Наилучшие размеры кабеля получаются разными в зависимости от того, что интересует конструктора: прочность или затухание.
7-21. Еще наилучшие кабели
При постоянном токе или токе низкой частоты плотность тока одинакова по всему сечению жилы кабеля и напряжение между жилой и оболочкой одинаково по всей длине кабеля. Мощность, передаваемая по кабелю, равна произведению тока на напряжение.
Для сильноточной электротехники, для энергетики можно так сформулировать задачу о наилучшем кабеле: при заданном диаметре оболочки получить наибольшую передаваемую мощность, т. е. наибольшее произведение тока на напряжение при наименьшей стоимости кабеля.
Сила тока пропорциональна сечению жилы кабеля, допустимое напряжение, как уже говорилось раньше, определяется соотношением диаметров жилы и оболочки, а стоимость кабеля — это сумма стоимостей металлической жилы и бумажной изоляции. Можно составить математическое выражение для отношения мощности к стоимости.
Наивыгоднейший диаметр жилы кабеля будет определяться соотношением цен на медь (или алюминий) и на изоляционный материал (бумагу).
Обычно медь дороже бумажной изоляции, и наивыгоднейший диаметр жилы получается несколько меньший, нежели для наиболее прочного кабеля.
Иной подход нужен к кабелю, применяемому в мощных высокочастотных установках. В другом краю, в других координатах надо искать оптимум. Концентрические кабели применяются для соединения между собой электронных ламп и антенн в радиолокационных установках. Длина кабеля бывает во много раз больше длины передаваемой по этому кабелю электромагнитной волны. Допустимая сила тока от сечения жилы кабеля не зависит, так как высокочастотный ток не распределяется равномерно по всему сечению жилы, а течет только в ее тонком поверхностном слое. При высокой частоте мощность, передаваемая по кабелю, в лучшем случае равна квадрату напряжения на кабеле, деленному на его волновое сопротивление; 
А волновое сопротивление
где L и С — это индуктивность и емкость на единицу длины кабеля. Чем тоньше диаметр жилы по сравнению с диаметром оболочки кабеля, тем больше его волновое сопротивление, и наоборот. Это волновое сопротивление зависит еще от материала изоляции между жилой и оболочкой кабеля. Но высокочастотные кабели чаще всего выполняются с воздушной изоляцией между жилой и оболочкой.
Для кабеля с наименьшим затуханием (отношение диаметров оболочки и жилы 3,6) волновое сопротивление равно 77 Ом.
Если провести исследование на максимум и минимум для определения наибольшей мощности, передаваемой при высокой частоте кабелем с заданным внешним диаметром, то получится, что наивыгоднейшее соотношение диаметров оболочки и жилы будет 1,65. А волновое сопротивление такого кабеля будет 30 Ом.
Практически в радиолокационных установках чаще всего применяют коаксиальную линию с отношением диаметров внешнего и внутреннего проводников 2,3. Такая линия имеет волновое сопротивление 50 Ом. Это промежуточное компромиссное решение между линией, имеющей наименьшее затухание, и линией, передающей наибольшую мощность.
Иногда гибкий коаксиальный кабель применяется для соединения нагревательного индуктора с высокочастотным трансформатором в установках поверхностной закалки. К этому кабелю предъявляются еще иные требования, отличные от тех, что были разобраны выше. Токоподвод к индуктору должен иметь наименьшую индуктивность. Для этого выбирают отношение внешнего и внутреннего диаметров проводников 1,1 или даже еще меньше: 1,05. Волновое сопротивление этого кабеля меньше 10 Ом.
Вот каково разнообразие лучших кабелей. Отношение диаметров может быть и 1,1, и 1,65, и 2,3, и 2,7, и 3,6, и много других еще может быть соотношений внешнего и внутреннего диаметров проводников. Каждое решение является лучшим для своих условий.
Универсального, лучшего из лучших кабеля не существует.
