Uzemnění (fyzika): Jak to funguje a proč je to důležité?

Elektřina je v moderním životě nepostradatelným faktorem, a přestože ji lidé používají k výrobě hlavních druhů paliv jsou zdrojem velkého znepokojení, bude samotná elektřina potřebná tak dlouho, dokud bude existovat civilizace v její současné podobě přetrvává. Současně mezi prvními fakty o bezpečnosti, které se prakticky každé dítě učí, je, že elektřina je nebo může být extrémně nebezpečná.

Kromě toho je elektřina, kterou lidé generují, a proto je do značné míry schopna ovládat, pouze částí příběhu. Fenomén blesku znají také velmi malé děti a je současně zdrojem úžasu a znepokojení i pro dospělé. Ale jeho „stávky“ na úrovni Země jsou téměř stejně nepředvídatelné, jako jsou potenciálně smrtící, a bližší pohled doplňky budov a dalších staveb po celém světě podtrhuje naléhavost této bezpečnosti ohleduplnost.

​Elektrické uzemnění, také zvanýuzemnění, poskytuje cestu pro tok proudu do země a přebytek elektrického náboje, aby se rozptýlil namísto hromadění a vytváření potenciálního nebezpečí. Funguje to proto, že Země, která je elektricky neutrální, ale také obrovská, může přijímat i poskytovat velké počet elektronů (podle standardů lidského průmyslu) bez znatelných změn tohoto „nulového napětí“ Stát.

​Elektrický nábojve fyzice se měří vcoulombs. Elementární (nedělitelný) náboj je takový, že na jediném elektronu (e-) nebo protonu o síle 1,60 10^-19 C a dostal záporné znaménko pro elektrony. Oddělení opačně nabitých částic vytváří aNapětínebo rozdíl elektrického potenciálu, který se měří v joulech na coulomb (J / C) a indukuje tok elektronů ve směru čistého kladného náboje, což je pohyb zvanýelektrický proud​.

• Elektrony "chtějí" proudit směrem ke kladné svorce nebo jiné oblasti čistého kladného napětí ze stejného základního důvodu voda „chce“ proudit z kopce: potenciální rozdíl, ale stanovený elektrickou silou místo síly gravitace.

Tento tok elektronů, měřený v C / s neboampéry("zesilovače"), nastává, pouze pokud je cesta mezi zdroji napětí adirigenta snadno umožňuje tok proudu, jako většina kovů. Nevodivé materiály se nazývajíizolátorya zahrnují plast, dřevo a gumu (hojnost izolátorů mezi výrobky denní potřeby je zjevně dobrá věc). V předchozí analogii je přehrada zadržující přirozený tok říčního proudu jako izolátor, nebodielektrikum​.

Všechny materiály, dokonce i dobré vodiče, mají určité elektrické vlastnostiodpor, označenoRa měřeno v ohmech (Ω). Tato veličina umožňuje formální vztah mezi napětím a proudem, tzvOhmův zákon​:

Elektrický proud je definován jako tok z vyššího potenciálu do nižšího potenciálu (což jestejný výsledekprotože elektrony proudí záporným kladným směrem - dávejte pozor, abyste nezaměňovali tento bod!) za předpokladu, že mezi nimi existuje vhodná cesta. Když jsou například dvě svorky baterie spojeny vodivým drátem, protéká proud volně ve smyčce s minimálním odporem.

Pokud však neexistují vysoce vodivé cesty spojující rozdíl potenciálů, může v důsledku toho proudit prouddielektrický rozpadpokud je napětí dostatečně vysoké - podobně jako to, co by nastalo při strukturální poruše přehrady způsobené nebývalým objemem v předřazené nádrži.

• Proto blesk „udeří“; proud „by neměl“ být schopen proudit v dielektrickém materiálu, jako je vzduch, ale obrovské napětí blesku tento faktor přemůže.

Elektrický proud, stejně jako voda, která se dostává po mírném, skalnatém svahu, se vždy snaží jít cestou nejmenšího odporu. Pokud mu brání řada různých izolačních materiálů, bude chtít protékat nejméně izolačním (tj. Nejvíce vodivým). Pokud existuje vodivá cesta, vždy si tuto cestu vybere nade vše.

Vzduch je izolátor a lidské tělo je relativně vodivé. Pokud tedy během bouřky vyniknete v poli, hrozí vám vysoké riziko úrazu elektrickým proudem.Hromosvodyposkytnout uzemňovací cestu prokázáním snadné,nízký odporcíl pro úder blesku. Blesk by raději protékal kovem než vámi, takže to je ono.

Samotná cesta z hromosvodu do země má jeden podstatný rys všech uzemnění: Žádné objížďky po cestě! Elektřina proudí přímo do samotné Země, protože nemá jiné možnosti. To je důvod, proč zemní „vodiče“ nemusí být jednotlivé vodiče; mohou to být kovové rámy,pokud je cesta na Zemi zcela samostatná, což znamená, že se jedná o jednoduchý obvod.

• Jak již bylo navrženo, Země může podle potřeby sloužit také jako „dárce elektronů“, protože je schopna rozptýlit náboj - pozitivní i negativní, v obrovském objemu - a nejen jako „akceptor elektronů“ jako v hromosvodu případ.

I když jsou hromosvody zásadní, nelze je používat každý okamžik každého dne, jako nespočet elektrických obvodů v domácnostech, kancelářích a výrobních závodech po celém světě.

V elektrickém obvodu vytváří zemnící vodič dodatečnou cestu proudu v případě zkratu nebo jiné poruchy. Místo toho, aby vás šokoval, když se dotknete součástek obvodu, bude místo toho protékat vodivějším uzemňovacím vodičem. Uzemnění vás nejen ochrání před šokem, ale také chrání vaše zařízení před proudovými rázy, které by jej jinak „šokovaly“ také.

​Poznámka: Vysoké napětí samo o sobě nepoškodí.Díky velkému rozdílu napětí je však žádoucí, aby náboj skočil, a tím vytváří větší proud. Přemýšlejte o tom, jako byste stáli na okraji vysokého útesu. To není problém na vysokém útesu. To je to, co se stane poté, co vystoupíte v důsledku toho, že vás skála pod nohama již „neizoluje“ od vlivu gravitace a nedovolí vzduchu, aby vás snadno „dirigovalo“ (doufejme do záchranné sítě!).

V domácnostech uzemnění ošetřuje jak „příznak“, tak „nemoc“ v případě neočekávaného hromadění poplatků na povrchu spotřebičů. Umožňuje nejenom okamžitým „jednosměrným“ výbojům, aby se mohli rozptýlit jinde, ale také zabraňuje vstupu více nežádoucích nábojů přerušením okruhu „proti proudu“.

Typický moderní vývod má tři otvory: dva štěrbiny vedle sebe a téměř kulatý otvor pod ním. Menší vertikální štěrbina je pro „horký“ vodič (nebo doslova součást zástrčky) pro příchozí proud; jeho delší partner je pro neutrální (výstupní) vodič. Kulatá zástrčka je zemnící vodič připojený přímo k výstupu z obvodu, takže nebezpečné náboje, které by jinak mohly proudit po povrchu zařízení, mohou utéct na zem. Tento vodič je nastaven tak, že nad danou aktuální úrovní je přerušen celý obvod a zastaví se veškerý příchozí proud.

Uzemnění umožňuje bezpečnéstabilizace napětíve velkých obvodech a systémech. Stabilizátor napětí zajišťuje, že příchozí napětí, které může ve skutečnosti značně kolísat kolem požadované hodnoty, jakmile je uvnitř komplexu a citlivé obvody, jako je počítačový mikroprocesor, se normalizuje na pevně omezenou hodnotu zvýšením nebo snížením V as potřeboval.

Anelektroskopje vodič, který používá indukci náboje k signalizaci přítomnosti externích nábojů. Toto využívá princip, že elektrony se navzájem odpuzují. Pokud je zdrojem elektronů, jako je nabitá skleněná tyč (příklad statické elektřiny; elektrony tam jen „sedí“, protože sklo je izolační), které se drží blízko boku vodivého (ale neutrálního!) elektroskopu, toto „tlačí“ elektrony v kouli co nejdále. Toto je do středu jednotky, kde jsou kovové „listy“ tlačeny od sebe, aby signalizovaly elektrony shromážděné v blízkosti koule na povrchu špičky tyče.

Když se to stane, musí se hromadění elektronů uvnitř nějak vyvážit, protože koule vede. V důsledku toho se kladné náboje shromažďují, jak byste mohli předpovědět, poblíž špičky tyče.

• Použití uzemňovacího drátu k obejití izolační základny elektroskopu by tento obrázek jasně změnilo. Jak?