Jordforbindelse (fysik): Hvordan fungerer det, og hvorfor er det vigtigt?

Elektricitet er en uundværlig faktor i det moderne liv, og selvom de vigtigste former for brændstoffer menneskeheden bruger til at producere det er en kilde til stor bekymring, vil elektricitet i sig selv være påkrævet, så længe civilisationen i sin nuværende form vedvarer. Samtidig læres næsten ethvert barn blandt de første sikkerhedsfakta, at elektricitet er eller kan være ekstremt farlig.

Desuden er den elektricitet, som mennesker genererer og derfor kan kontrollere i høj grad, kun en del af historien her. Fænomenet lyn er også kendt for meget små børn, og det er samtidig en kilde til ærefrygt og bekymring, selv for voksne. Men dens "strejker" på jordniveau er næsten lige så uforudsigelige, som de potentielt er dødelige, og et nærmere kig på tilføjelserne til bygninger og andre strukturer over hele kloden understreger, at denne sikkerhed haster betragtning.

​Elektrisk jordforbindelse, også kaldetjordforbindelse, giver en vej, hvor strøm kan strømme ned i jorden, og overskydende elektrisk ladning spredes i stedet for at opbygge og skabe en potentiel fare. Dette fungerer, fordi Jorden, som er elektrisk neutral, men også enorm, både kan acceptere og give stor antal elektroner (efter standarder fra den menneskelige industri) uden mærkbare ændringer i denne "nulspænding" stat.

​Elektrisk ladningi fysik måles icoulombs. Den elementære (udelelige) ladning er, at på en enkelt elektron (e-) eller proton, med en styrke på 1,60 10^-19 C og givet et negativt tegn for elektroner. Adskillelsen af ​​modsat ladede partikler skaber enspænding, eller elektrisk potentialforskel, der måles i joule pr. coulomb (J / C) og får elektroner til at strømme i retning af en nettopositiv ladning, en bevægelse kaldetelektrisk strøm​.

• Elektroner "ønsker" at strømme mod en positiv terminal eller et andet område med positiv nettospænding af samme væsentlige årsag vand "ønsker" at strømme ned ad bakke: en potentiel forskel, men etableret af den elektriske kraft i stedet for kraften af tyngdekraft.

Denne strøm af elektroner målt i C / s ellerampere("forstærkere"), forekommer kun, hvis stien mellem spændingskilderne er alederog tillader let strømstrøm som de fleste metaller. Ikke-ledende materialer kaldesisolatorer, og de inkluderer plast, træ og gummi (en overflod af isolatorer blandt daglige produkter er helt klart en god ting). I den foregående analogi er en dæmning, der holder den naturlige strøm af flodstrømmen tilbage, som en isolator, ellerdielektrisk​.

Alle materialer, selv gode ledere, har noget elektriskmodstand, betegnetRog målt i ohm (Ω). Denne mængde giver mulighed for en formel sammenhæng mellem spænding og strømflow, kaldetOhms lov​:

Elektrisk strøm defineres som strømning fra højere potentiale til lavere potentiale (hvilket ersamme resultatsom elektroner, der flyder i en negativ-til-positiv retning - pas på ikke at forveksle dette punkt!) forudsat at der findes en passende sti mellem de to. Når de to poler på et batteri er forbundet med en ledende ledning, strømmer for eksempel strøm frit i en sløjfe med minimal modstand.

Men hvis der ikke er meget ledende stier, der forbinder en potentiel forskel, kan strømmen alligevel strømme som et resultat afdielektrisk opdelinghvis spændingen er høj nok - ligesom hvad der ville opstå med strukturel svigt af en dæmning forårsaget af hidtil uset volumen i opstrømsbeholderen.

• Dette er grunden til, at lynet "strejker"; strøm "burde ikke" være i stand til at strømme i et dielektrisk materiale som f.eks. luft, men de massive lynets spændinger overvælder denne faktor.

Elektrisk strøm, som vand, der går ned ad en blid, stenet hældning, forsøger altid at tage den mindste modstands vej. Hvis det hindres af et antal forskellige isoleringsmaterialer, vil det ønske at strømme gennem det mindst isolerende (dvs. det mest ledende) materiale. Hvis der findes en ledende sti, vil den altid vælge den sti frem for alt andet.

Luft er en isolator, og menneskekroppen er relativt ledende. Så hvis du skiller dig ud i marken under tordenvejr, har du høj risiko for elektrisk stød.Lynstængergive en jordforbindelse ved at bevise en let,lav modstandmål for lynnedslag. Lyn vil hellere strømme gennem metal end gennem dig, så der er det.

Stien fra lynstangen ned i selve jorden har et væsentligt træk ved alle jordforbindelser: Ingen afstikker undervejs! Elektriciteten strømmer lige ind i selve jorden, fordi den ikke har andre muligheder. Dette er grunden til, at jord "ledninger" ikke behøver at være enkelt ledninger; de kan være metalrammer,så længe stien til jorden er helt selvstændig, hvilket betyder, at det er et simpelt kredsløb.

• Som allerede antydet kan Jorden også tjene som en "elektrondonor" efter behov på grund af dets evne til at sprede ladning - positiv såvel som negativ, over et enormt volumen - og ikke kun som en "elektronacceptor" som i lynstangen sag.

Mens lynstænger er vigtige, bruges de ikke hvert øjeblik hver dag, som utallige elektriske kredsløb i hjem, kontorer og produktionsanlæg over hele verden.

I et elektrisk kredsløb skaber en jordledning en ekstra strømvej i tilfælde af en kort eller anden funktionsfejl. I stedet for at chokere dig, når du rører ved kredsløbskomponenter, vil strømmen i stedet strømme gennem den mere ledende jordledning. Jordforbindelse forhindrer ikke kun dig i at blive chokeret, men det holder også dit udstyr beskyttet mod aktuelle bølger, der ellers også "chokerer" det.

​Bemærk: Højspænding i sig selv gør ingen skade.Imidlertid gør en stor spændingsforskel det mere ønskeligt for opladning at springe og skaber derved en større strøm. Tænk på det som at stå på kanten af ​​en høj klippe. Det er ikke problemet på den høje klippe. Det er hvad der sker, når du træder af som følge af, at klippen under fødderne ikke længere "isolerer" dig fra tyngdekraftens indflydelse og tillader luft at let "lede" dig (forhåbentlig ind i et sikkerhedsnet!).

I husholdningsindstillinger behandler jordforbindelse både "symptomet" og "sygdommen" i tilfælde af en uventet ophobning af ladninger på apparaternes overflader. Det tillader ikke kun skurkene en øjeblikkelig "envejs" -udgang, så de kan spredes andetsteds, men det forhindrer også indtrængen af ​​flere uønskede afgifter ved at afbryde kredsløbet "opstrøms".

En typisk moderne stikkontakt har tre huller: to side om side spalter og en næsten rund blænde nedenunder. Den mindre lodrette slids er til den "varme" ledning (eller bogstaveligt talt stikkomponent) til indgående strøm; dens længere partner er til den neutrale (udgang) ledning. Det runde stik er en jordledning, der er forbundet direkte til en udgang fra kredsløbet, så farlige opladninger, der ellers ville strømme langs overfladen af ​​et apparat, kan flygte mod jorden. Denne ledning er indstillet således, at over et givet strømniveau brydes hele kredsløbet, og al indkommende strøm stopper.

Jordforbindelse muliggør sikkerhedspændingsstabiliseringi store kredsløb og systemer. En spændingsstabilisator sikrer, at indgående spænding, som faktisk kan svinge betydeligt omkring den ønskede værdi, når den er inden i komplekset og følsomme kredsløb, såsom en computermikroprocessor, normaliseres til en tæt begrænset værdi ved at øge eller formindske V som havde brug for.

Enelektroskoper en leder, der bruger ladningsinduktion til at signalere tilstedeværelsen af ​​eksterne ladninger. Dette bruger princippet om, at elektroner frastøder hinanden. Hvis en kilde til elektroner såsom en ladet glasstang (et eksempel på statisk elektricitet; elektroner bare "sidder" der, fordi glasset er isolerende) holdes tæt på siden af ​​det ledende (men neutrale!) elektroskop, dette "skubber" elektronerne i bolden så langt væk som de kan gå. Dette er i midten af ​​enheden, hvor metal "blade" skubbes fra hinanden for at signalere de elektroner, der er samlet nær siden af ​​kuglen på overfladen af ​​stangens spids.

Efterhånden som dette sker, skal opbygningen af ​​elektroner indeni afbalanceres på en eller anden måde, da sfæren ledes. Som følge heraf samles positive ladninger, som du måske forudsiger, nær spidsen af ​​stangen.

• Anvendelsen af ​​en jordforbindelse til at komme rundt om den isolerende base af elektroskopet ville klart ændre dette billede. Hvordan?