Erdung (Physik): Wie funktioniert es und warum ist es wichtig?

Elektrizität ist ein unverzichtbarer Faktor im modernen Leben, und obwohl die Menschheit die wichtigsten Brennstoffe zu ihrer Herstellung verwendet geben Anlass zu großer Sorge, Elektrizität selbst wird so lange benötigt, wie die Zivilisation in ihrer heutigen Form besteht besteht fort. Gleichzeitig wird praktisch jedem Kind beigebracht, dass Elektrizität extrem gefährlich ist oder sein kann.

Darüber hinaus ist der Strom, den der Mensch erzeugt und damit weitgehend steuern kann, hier nur ein Teil der Geschichte. Das Phänomen des Blitzes ist auch schon sehr kleinen Kindern bekannt und zugleich auch für Erwachsene ein Grund zur Besorgnis und Besorgnis. Aber seine "Einschläge" auf Erdebene sind fast so unvorhersehbar wie potenziell tödlich, und ein genauer Blick auf die Erweiterungen von Gebäuden und anderen Bauwerken rund um den Globus unterstreichen die Dringlichkeit dieser Sicherheit Erwägung.

​Elektrische Erdung, auch genanntErdung, bietet einen Weg, in dem Strom in den Boden fließen und überschüssige elektrische Ladung verteilt werden kann, anstatt sich aufzubauen und eine potenzielle Gefahr zu schaffen. Dies funktioniert, weil die Erde, die elektrisch neutral, aber auch riesig ist, sowohl große Mengen aufnehmen als auch bereitstellen kann Elektronenanzahl (nach Mensch-Industrie-Maßstäben) ohne merkliche Änderung dieser "Nullspannung" Zustand.

​Elektrische Ladungin der Physik wird gemessen inCoulomb. Die elementare (unteilbare) Ladung ist die eines einzelnen Elektrons (e-) oder Protons mit einer Größe von 1,60 10^-19 C und ein negatives Vorzeichen für Elektronen gegeben. Die Trennung entgegengesetzt geladener Teilchen erzeugt aStromspannung, oder elektrische Potenzialdifferenz, die in Joule pro Coulomb (J/C) gemessen wird und Elektronen in die Richtung einer positiven Nettoladung fließen lässt, eine Bewegung namenselektrischer Strom​.

• Elektronen "möchten" aus dem gleichen wesentlichen Grund zu einem positiven Pol oder einem anderen Bereich positiver Nettospannung fließen Wasser "will" bergab fließen: eine Potentialdifferenz, die aber durch die elektrische Kraft statt durch die Kraft von. entsteht Schwere.

Dieser Elektronenfluss, gemessen in C/s oderAmpere("Ampere"), tritt nur auf, wenn der Weg zwischen den Spannungsquellen aDirigentund erlaubt leicht einen Stromfluss, wie die meisten Metalle. Nichtleitende Materialien heißenIsolatoren, und dazu gehören Kunststoff, Holz und Gummi (eine Fülle von Isolatoren unter den Alltagsprodukten ist einfach gut). In der vorherigen Analogie ist ein Damm, der den natürlichen Fluss der Flussströmung zurückhält, wie ein Isolator, oderDielektrikum​.

Alle Materialien, auch gute Leiter, haben eine gewisse elektrischeWiderstand, bezeichnetRund gemessen in Ohm (Ω). Diese Größe ermöglicht eine formale Beziehung zwischen Spannung und Stromfluss, genanntOhm'sches Gesetz​:

Elektrischer Strom ist definiert als Fließen von einem höheren Potenzial zu einem niedrigeren Potenzial (das ist diegleiches ErgebnisB. Elektronen, die in negativer nach positiver Richtung fließen – verwechseln Sie diesen Punkt nicht!), sofern ein geeigneter Weg zwischen beiden besteht. Wenn beispielsweise die beiden Pole einer Batterie durch einen leitenden Draht verbunden sind, fließt der Strom frei in einer Schleife mit minimalem Widerstand.

Gibt es jedoch keine hochleitfähigen Pfade, die eine Potenzialdifferenz verbinden, kann aufgrund vondielektrischer Durchschlagwenn die Spannung hoch genug ist – ähnlich wie bei einem strukturellen Versagen eines Damms, verursacht durch ein beispielloses Volumen im flussaufwärts gelegenen Reservoir.

• Deshalb "schlägt" der Blitz ein; Strom "sollte" nicht in einem dielektrischen Material wie Luft fließen können, aber die massiven Blitzspannungen überwältigen diesen Faktor.

Elektrischer Strom, wie Wasser, das einen sanften, felsigen Abhang hinunterfließt, versucht immer, den Weg des geringsten Widerstands zu nehmen. Wenn es durch verschiedene isolierende Materialien behindert wird, möchte es durch das am wenigsten isolierende (d. h. am stärksten leitfähige) fließen. Wenn ein leitfähiger Pfad existiert, wird dieser Pfad immer allen anderen vorgezogen.

Luft ist ein Isolator und der menschliche Körper ist relativ leitfähig. Wenn Sie also während eines Gewitters auf einem Feld auffallen, besteht ein hohes Risiko für einen Stromschlag.Blitzableitereinen Erdungspfad bereitstellen, indem Sie eine einfache,niederohmigZielscheibe für Blitzeinschläge. Blitze würden lieber durch Metall fließen als durch dich, also das ist es.

Der Weg vom Blitzableiter ins Erdreich selbst hat ein wesentliches Merkmal aller Erdungsaufbauten: Keine Umwege! Der Strom fließt direkt in die Erde selbst, weil sie keine anderen Möglichkeiten hat. Aus diesem Grund müssen Erdungs-"Drähte" keine Einzeldrähte sein; sie können Metallrahmen sein,solange der Weg zur Erde komplett in sich geschlossen ist, was bedeutet, dass es sich um eine einfache Schaltung handelt.

• Wie bereits angedeutet, kann die Erde aufgrund ihrer Fähigkeit, Ladungen zu verteilen, bei Bedarf auch als "Elektronenspender" dienen – positiv wie negativ, über ein riesiges Volumen – und nicht nur als "Elektronenakzeptor" wie im Blitzableiter Fall.

Obwohl Blitzableiter lebenswichtig sind, werden sie nicht jeden Moment des Tages eingesetzt, wie unzählige Stromkreise in Häusern, Büros und Produktionsstätten weltweit.

In einem Stromkreis schafft ein Erdungsdraht bei einem Kurzschluss oder einer anderen Fehlfunktion einen zusätzlichen Strompfad. Anstatt Sie beim Berühren von Schaltungskomponenten zu schocken, fließt stattdessen Strom durch den leitfähigeren Erdungsdraht. Die Erdung schützt Sie nicht nur vor Stromschlägen, sondern schützt Ihre Geräte auch vor Stromstößen, die sie ansonsten "schockieren" würden.

​Hinweis: Hochspannung selbst schadet nicht.Eine große Spannungsdifferenz macht es jedoch wünschenswerter, dass die Ladung springt, und erzeugt dabei einen größeren Strom. Stellen Sie sich das vor, als würden Sie am Rand einer hohen Klippe stehen. Es ist nicht das Problem, auf der hohen Klippe zu sein. Es ist, was passiert, nachdem Sie absteigen, weil der Fels unter den Füßen Sie nicht mehr vor dem Einfluss der Schwerkraft "isoliert" und die Luft Sie leicht "leiten" lässt (hoffentlich in ein Sicherheitsnetz!).

Im Haushalt behandelt die Erdung sowohl das „Symptom“ als auch die „Krankheit“ im Falle einer unerwarteten Akkumulation von Ladungen auf den Oberflächen von Geräten. Es ermöglicht den Schurken-Anklagen nicht nur einen sofortigen "Einweg"-Ausgang, damit sie sich an anderer Stelle verteilen können, sondern verhindert auch das Eindringen weiterer unerwünschter Anklagen, indem sie den Stromkreis "stromaufwärts" unterbricht.

Eine typische moderne Steckdose hat drei Löcher: zwei nebeneinander liegende Schlitze und eine fast runde Öffnung darunter. Der kleinere vertikale Schlitz ist für den "heißen" Draht (oder buchstäblich die Steckerkomponente) für den eingehenden Strom; sein längerer Partner ist für den neutralen (Ausgangs-) Draht. Der runde Stecker ist ein Erdungskabel, das direkt mit einem Ausgang des Stromkreises verbunden ist, sodass gefährliche Ladungen, die sonst über die Oberfläche eines Geräts fließen würden, in Richtung Erde fliehen können. Dieser Draht ist so eingerichtet, dass oberhalb eines bestimmten Strompegels der gesamte Stromkreis unterbrochen wird und der gesamte eingehende Strom stoppt.

Erdung ermöglicht sicheresSpannungsstabilisierungin großen Kreisläufen und Systemen. Ein Spannungsstabilisator sorgt dafür, dass die eingehende Spannung, die im Inneren des Komplexes tatsächlich erheblich um ihren Sollwert schwanken kann, und empfindliche Schaltungen wie ein Computermikroprozessor auf einen eng begrenzten Wert durch Erhöhen oder Verringern von V as erforderlich.

EinElektroskopist ein Leiter, der Ladungsinduktion verwendet, um das Vorhandensein externer Ladungen zu signalisieren. Dabei wird das Prinzip genutzt, dass sich Elektronen gegenseitig abstoßen. Wenn eine Elektronenquelle wie ein geladener Glasstab (ein Beispiel für statische Elektrizität; Elektronen "sitzen" einfach da, weil Glas isolierend ist) wird nahe an die Seite des leitenden (aber neutralen!) Elektroskops gehalten, dies "drückt" die Elektronen in der Kugel so weit wie möglich weg. Dies ist in der Mitte der Einheit, wo Metall-"Blätter" auseinandergedrückt werden, um die Elektronen zu signalisieren, die sich in der Nähe der Seite der Kugel auf der Oberfläche der Stabspitze gesammelt haben.

Dabei muss der Elektronenaufbau im Inneren irgendwie ausgeglichen werden, da die Kugel leitend ist. Infolgedessen sammeln sich, wie Sie vielleicht vorhersagen können, positive Ladungen in der Nähe der Stabspitze.

• Das Anbringen eines Erdungskabels, um den isolierenden Sockel des Elektroskops zu umgehen, würde dieses Bild deutlich ändern. Wie?