Γείωση (Φυσική): Πώς λειτουργεί και γιατί είναι σημαντικό;

Η ηλεκτρική ενέργεια είναι απαραίτητος παράγοντας στη σύγχρονη ζωή και αν και τα κύρια είδη καυσίμων που χρησιμοποιεί η ανθρωπότητα για την παραγωγή της είναι μια πηγή μεγάλης ανησυχίας, η ίδια η ηλεκτρική ενέργεια θα απαιτείται για όσο διάστημα ο πολιτισμός με την παρούσα μορφή του επιμένει. Ταυτόχρονα, μεταξύ των πρώτων γεγονότων ασφαλείας που διδάσκονται σχεδόν κάθε παιδί είναι ότι ο ηλεκτρισμός είναι ή μπορεί να είναι εξαιρετικά επικίνδυνος.

Επιπλέον, η ηλεκτρική ενέργεια που παράγει οι άνθρωποι και μπορεί επομένως να ελέγξει σε μεγάλο βαθμό είναι μόνο μέρος της ιστορίας εδώ. Το φαινόμενο του κεραυνού είναι επίσης γνωστό σε πολύ μικρά παιδιά και ταυτόχρονα προκαλεί δέος και ανησυχία ακόμη και για τους μεγάλους. Αλλά οι "απεργίες" της σε επίπεδο Γης είναι σχεδόν τόσο απρόβλεπτες όσο είναι δυνητικά θανατηφόρες και μια προσεκτική ματιά Τα πρόσθετα σε κτίρια και άλλες κατασκευές σε όλο τον κόσμο υπογραμμίζουν τον επείγοντα χαρακτήρα αυτής της ασφάλειας θεώρηση.

​Ηλεκτρική γείωση, επίσης λέγεται

​Ηλεκτρικό φορτίοστη φυσική μετράται σεκουλόμπ. Το στοιχειώδες (αδιαίρετο) φορτίο είναι αυτό σε ένα μόνο ηλεκτρόνιο (e-) ή πρωτόνιο, με μέγεθος 1,60 10^-19 C και δόθηκε αρνητικό σημάδι για τα ηλεκτρόνια. Ο διαχωρισμός των αντίθετα φορτισμένων σωματιδίων δημιουργεί έναΤάση, ή διαφορά ηλεκτρικού δυναμικού, που μετράται σε joules ανά coulomb (J / C) και προκαλεί τη ροή των ηλεκτρονίων προς την κατεύθυνση ενός καθαρού θετικού φορτίου, μια κίνηση που ονομάζεταιηλεκτρικό ρεύμα​.

• Τα ηλεκτρόνια «θέλουν» να ρέουν προς ένα θετικό τερματικό ή άλλη περιοχή καθαρής θετικής τάσης για τον ίδιο ουσιαστικό λόγο Το νερό «θέλει» να ρέει προς τα κάτω: μια πιθανή διαφορά, αλλά καθορίζεται από την ηλεκτρική δύναμη αντί για τη δύναμη του βαρύτητα.

Αυτή η ροή ηλεκτρονίων, μετρούμενη σε C / s ήαμπέρ("amps"), συμβαίνει μόνο εάν η διαδρομή μεταξύ των πηγών τάσης είναι ααγωγόςκαι επιτρέπει εύκολα την τρέχουσα ροή, όπως τα περισσότερα μέταλλα. Τα μη αγώγιμα υλικά καλούνταιμονωτές, και περιλαμβάνουν πλαστικό, ξύλο και καουτσούκ (η αφθονία των μονωτών μεταξύ των καθημερινών προϊόντων είναι σαφώς καλό πράγμα). Στην προηγούμενη αναλογία, ένα φράγμα που συγκρατεί τη φυσική ροή του ρεύματος του ποταμού είναι σαν μονωτής, ήδιηλεκτρικός​.

Όλα τα υλικά, ακόμη και καλοί αγωγοί, έχουν κάποια ηλεκτρικάαντίσταση, συμβολίζεταιΡκαι μετρήθηκε σε ohms (Ω). Αυτή η ποσότητα επιτρέπει μια επίσημη σχέση μεταξύ τάσης και ρεύματος, που ονομάζεταιΟ νόμος του Ωμ​:

Το ηλεκτρικό ρεύμα ορίζεται ως ρέει από υψηλότερο δυναμικό σε χαμηλότερο δυναμικό (που είναι τοίδιο αποτέλεσμακαθώς τα ηλεκτρόνια ρέουν προς αρνητική προς θετική κατεύθυνση - προσέξτε να μην συγχέετε αυτό το σημείο!) υπό την προϋπόθεση ότι υπάρχει κατάλληλη διαδρομή μεταξύ των δύο. Όταν οι δύο ακροδέκτες μιας μπαταρίας συνδέονται με ένα αγώγιμο καλώδιο, για παράδειγμα, το ρεύμα ρέει ελεύθερα σε έναν βρόχο με ελάχιστη αντίσταση.

Ωστόσο, εάν δεν υπάρχουν πολύ αγώγιμες διαδρομές που συνδέουν μια πιθανή διαφορά, το ρεύμα μπορεί να ρέει ούτως ή άλλως ως αποτέλεσμαδιηλεκτρική κατανομήαν η τάση είναι αρκετά υψηλή - μοιάζει με αυτό που θα συνέβαινε με δομική αστοχία ενός φράγματος που προκαλείται από άνευ προηγουμένου όγκο στον ανάντη δεξαμενή.

• Αυτός είναι ο λόγος για τους κεραυνούς "χτυπήματα". Το ρεύμα "δεν πρέπει" να μπορεί να ρέει σε διηλεκτρικό υλικό όπως ο αέρας, αλλά οι τεράστιες τάσεις αστραπής κατακλύζουν αυτόν τον παράγοντα.

Το ηλεκτρικό ρεύμα, όπως το νερό που πηγαίνει κάτω από μια απαλή, βραχώδη κλίση, προσπαθεί πάντα να ακολουθήσει το μονοπάτι με λιγότερη αντίσταση. Εάν παρεμποδίζεται από έναν αριθμό διαφορετικών μονωτικών υλικών, θα θελήσει να ρέει μέσω του λιγότερο μονωτικού (δηλ. Πιο αγώγιμου) ενός. Εάν υπάρχει αγώγιμη διαδρομή, θα επιλέγει πάντα αυτό το μονοπάτι από όλα τα άλλα.

Ο αέρας είναι μονωτής και το ανθρώπινο σώμα είναι σχετικά αγώγιμο. Έτσι, αν ξεχωρίζετε σε ένα πεδίο κατά τη διάρκεια μιας καταιγίδας από κεραυνούς, διατρέχετε υψηλό κίνδυνο ηλεκτροπληξίας.Αστραπέςπαρέχει μια διαδρομή γείωσης αποδεικνύοντας μια εύκολη,χαμηλή αντίστασηστόχος για αστραπές. Ο κεραυνός μάλλον ρέει μέσα από το μέταλλο παρά μέσα σου, οπότε υπάρχει.

Το μονοπάτι από τη ράβδο αστραπής στο ίδιο το έδαφος έχει ένα βασικό χαρακτηριστικό όλων των διατάξεων γείωσης: Χωρίς παρακάμψεις στην πορεία! Η ηλεκτρική ενέργεια ρέει κατευθείαν στην ίδια τη Γη επειδή δεν έχει άλλες επιλογές. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο τα "καλώδια" γείωσης δεν πρέπει να είναι απλά καλώδια. μπορούν να είναι μεταλλικά πλαίσια,αρκεί το μονοπάτι προς τη Γη να είναι εντελώς αυτόνομο, που σημαίνει ότι είναι ένα απλό κύκλωμα.

• Όπως έχει ήδη προταθεί, η Γη μπορεί επίσης να χρησιμεύσει ως «δότης ηλεκτρονίων» όπως απαιτείται λόγω της ικανότητάς της να διασπείρει το φορτίο - θετικό καθώς και αρνητικό, πάνω από ένα τεράστιο όγκο - και όχι μόνο ως "δέκτης ηλεκτρονίων" όπως στην κεραυνό υπόθεση.

Αν και οι κεραυνές είναι ζωτικής σημασίας, δεν χρησιμοποιούνται για κάθε στιγμή κάθε μέρα, όπως αμέτρητα ηλεκτρικά κυκλώματα σε σπίτια, γραφεία και εργοστάσια παραγωγής παγκοσμίως.

Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα, ένα καλώδιο γείωσης δημιουργεί μια επιπλέον διαδρομή για ρεύμα σε περίπτωση βραχυκυκλώματος ή άλλης δυσλειτουργίας. Αντί να σας σοκάρει όταν αγγίζετε εξαρτήματα κυκλώματος, το ρεύμα θα ρέει αντ 'αυτού μέσω του πιο αγώγιμου καλωδίου γείωσης. Η γείωση δεν σας κρατά μόνο να σοκαριστείτε, αλλά και να διατηρήσετε τον εξοπλισμό σας ασφαλή από τρέχουσες υπερτάσεις που διαφορετικά θα τον «σοκ».

​Σημείωση: Η ίδια η υψηλή τάση δεν βλάπτει.Ωστόσο, μια μεγάλη διαφορά τάσης το καθιστά πιο επιθυμητό να πηδήξει η φόρτιση και δημιουργώντας ένα μεγαλύτερο ρεύμα. Σκεφτείτε το σαν να στέκεστε στην άκρη ένα ψηλό βράχο. Δεν είναι στο ψηλό βράχο, αυτό είναι το πρόβλημα. Είναι αυτό που συμβαίνει αφού αποχωρήσετε ως αποτέλεσμα του βράχου κάτω από τα πόδια να μην "σας μονώνει" από την επιρροή της βαρύτητας και να αφήσετε τον αέρα να σας "συμπεριλάβει" εύκολα (ελπίζουμε σε δίχτυ ασφαλείας!).

Στις οικιακές ρυθμίσεις, η γείωση αντιμετωπίζει τόσο το «σύμπτωμα» όσο και την «ασθένεια» σε περίπτωση απρόβλεπτης συσσώρευσης φορτίων στις επιφάνειες των συσκευών. Δεν επιτρέπει μόνο στους απατεώνες να χρεώνουν μια άμεση έξοδο «μονής κατεύθυνσης», ώστε να μπορούν να διασκορπιστούν αλλού, αλλά επίσης αποτρέπει την είσοδο πιο ανεπιθύμητων φορτίων διακόπτοντας το κύκλωμα «ανάντη».

Μια τυπική σύγχρονη πρίζα έχει τρεις οπές: δύο σχισμές δίπλα-δίπλα και ένα σχεδόν στρογγυλό διάφραγμα κάτω. Η μικρότερη κάθετη σχισμή είναι για το "ζεστό" σύρμα (ή κυριολεκτικά, βύσμα) για εισερχόμενο ρεύμα. ο μεγαλύτερος συνεργάτης του είναι για το ουδέτερο σύρμα (έξοδος). Το στρογγυλό βύσμα είναι ένα καλώδιο γείωσης συνδεδεμένο κατ 'ευθείαν σε μια έξοδο από το κύκλωμα, έτσι επικίνδυνα φορτία που διαφορετικά θα ρέουν κατά μήκος της επιφάνειας μιας συσκευής μπορούν να διαφύγουν για τη γείωση. Αυτό το καλώδιο έχει ρυθμιστεί έτσι ώστε πάνω από ένα δεδομένο επίπεδο ρεύματος, ολόκληρο το κύκλωμα είναι σπασμένο και όλα τα εισερχόμενα ρεύματα σταματούν.

Η γείωση επιτρέπει την ασφάλειασταθεροποίηση τάσηςσε μεγάλα κυκλώματα και συστήματα. Ένας σταθεροποιητής τάσης διασφαλίζει ότι η εισερχόμενη τάση, η οποία μπορεί στην πραγματικότητα να κυμαίνεται σημαντικά γύρω από την επιθυμητή τιμή της όταν βρίσκεται μέσα στο συγκρότημα και ευαίσθητα κυκλώματα όπως ένας μικροεπεξεργαστής υπολογιστή, ομαλοποιείται σε μια στενά περιορισμένη τιμή αυξάνοντας ή μειώνοντας το V ως απαιτείται.

Εναηλεκτροσκόπιοείναι ένας αγωγός που χρησιμοποιεί επαγωγή φόρτισης για να σηματοδοτήσει την παρουσία εξωτερικών φορτίων. Αυτό χρησιμοποιεί την αρχή ότι τα ηλεκτρόνια απωθούν το ένα το άλλο. Εάν μια πηγή ηλεκτρονίων όπως μια φορτισμένη γυάλινη ράβδος (ένα παράδειγμα στατικού ηλεκτρισμού · τα ηλεκτρόνια απλώς «κάθονται» εκεί επειδή το γυαλί είναι μονωτικό) συγκρατείται κοντά στην πλευρά του αγώγιμου (αλλά ουδέτερου!) ηλεκτροσκοπίου, αυτό «ωθεί» τα ηλεκτρόνια στη σφαίρα όσο πιο μακριά μπορούν. Αυτό βρίσκεται στο κέντρο της μονάδας, όπου τα μεταλλικά "φύλλα" σπρώχνονται για να σηματοδοτήσουν τα ηλεκτρόνια που συγκεντρώνονται κοντά στην πλευρά της σφαίρας στην επιφάνεια της άκρης της ράβδου.

Καθώς αυτό συμβαίνει, η συσσώρευση ηλεκτρονίων μέσα πρέπει να εξισορροπηθεί κατά κάποιον τρόπο, καθώς η σφαίρα λειτουργεί. Κατά συνέπεια, τα θετικά φορτία συλλέγονται, όπως μπορείτε να προβλέψετε, κοντά στην άκρη της ράβδου.

• Η εφαρμογή ενός καλωδίου γείωσης για να περάσει γύρω από τη μονωτική βάση του ηλεκτροσκοπίου θα άλλαζε σαφώς αυτήν την εικόνα. Πως?