Conexión a tierra (física): ¿cómo funciona y por qué es importante?

La electricidad es un factor indispensable en la vida moderna, y aunque los principales tipos de combustibles que utiliza la humanidad para producirla son una fuente de gran preocupación, la electricidad misma será necesaria mientras la civilización en su forma actual persiste. Al mismo tiempo, uno de los primeros hechos de seguridad que se les enseña a prácticamente todos los niños es que la electricidad es, o puede ser, extremadamente peligrosa.

Además, la electricidad que los humanos generan y, por lo tanto, pueden controlar en gran medida es solo una parte de la historia aquí. El fenómeno de los rayos también es familiar para los niños muy pequeños y, al mismo tiempo, es una fuente de asombro y preocupación incluso para los adultos. Pero sus "ataques" a nivel de la Tierra son casi tan impredecibles como potencialmente mortales, y una mirada de cerca a los complementos a los edificios y otras estructuras en todo el mundo subraya la urgencia de esta seguridad consideración.

​Puesta a tierra eléctrica

​Carga eléctricaen física se mide enculombios. La carga elemental (indivisible) es la de un solo electrón (e-) o protón, con una magnitud de 1,60 10^-19 C y dado un signo negativo para los electrones. La separación de partículas con carga opuesta crea unaVoltaje, o diferencia de potencial eléctrico, que se mide en julios por culombio (J / C) e induce a los electrones a fluir en la dirección de una carga neta positiva, un movimiento llamadocorriente eléctrica​.

• Los electrones "quieren" fluir hacia un terminal positivo u otra área de voltaje neto positivo por la misma razón esencial el agua "quiere" fluir cuesta abajo: una diferencia de potencial, pero establecida por la fuerza eléctrica en lugar de la fuerza de gravedad.

Este flujo de electrones, medido en C / soamperios("amperios"), solo ocurre si el camino entre las fuentes de voltaje es unconductory permite fácilmente el flujo de corriente, como la mayoría de los metales. Los materiales no conductores se denominanaislantese incluyen plástico, madera y caucho (la abundancia de aislantes entre los productos de uso diario es claramente algo bueno). En la analogía anterior, una presa que frena el flujo natural de la corriente del río es como un aislante, odieléctrico​.

Todos los materiales, incluso los buenos conductores, tienen algunosresistencia, denotadoRy medido en ohmios (Ω). Esta cantidad permite una relación formal entre el voltaje y el flujo de corriente, denominadaLey de Ohm​:

La corriente eléctrica se define como el flujo de un potencial más alto a un potencial más bajo (que es elmismo resultadocomo electrones que fluyen en una dirección negativa a positiva, ¡tenga cuidado de no confundir este punto!) siempre que exista un camino adecuado entre los dos. Cuando los dos terminales de una batería están conectados por un cable conductor, por ejemplo, la corriente fluye libremente en un bucle con una resistencia mínima.

Sin embargo, si no hay rutas altamente conductoras que conecten una diferencia de potencial, la corriente puede fluir de todos modos como resultado deruptura dieléctricasi el voltaje es lo suficientemente alto, muy parecido a lo que ocurriría con la falla estructural de una presa provocada por un volumen sin precedentes en el embalse aguas arriba.

• Ésta es la razón por la que los rayos "caen"; la corriente "no debería" poder fluir en un material dieléctrico como el aire, pero los voltajes masivos de los rayos superan este factor.

La corriente eléctrica, como el agua que baja por una pendiente rocosa y suave, siempre intenta tomar el camino de menor resistencia. Si se ve impedido por varios materiales aislantes diferentes, querrá fluir a través del menos aislante (es decir, el más conductor). Si existe un camino conductor, siempre elegirá ese camino sobre todo lo demás.

El aire es un aislante y el cuerpo humano es relativamente conductor. Por lo tanto, si se destaca en un campo durante una tormenta eléctrica, corre un alto riesgo de sufrir una descarga eléctrica.Pararrayosproporcionar un camino de conexión a tierra demostrando un fácil,baja resistenciaobjetivo de los rayos. Los rayos prefieren fluir a través del metal que a través de ti, así que ahí está.

El camino desde el pararrayos hasta el suelo tiene una característica esencial de todas las configuraciones de puesta a tierra: ¡no hay desvíos en el camino! La electricidad fluye directamente hacia la Tierra misma porque no tiene otras opciones. Esta es la razón por la que los "cables" de tierra no tienen que ser cables individuales; pueden ser marcos de metal,siempre que el camino a la Tierra sea completamente autónomo, lo que significa que es un circuito simple.

• Como ya se sugirió, la Tierra también puede servir como "donante de electrones" según sea necesario debido a su capacidad para dispersar cargas - tanto positivo como negativo, en un volumen enorme - y no solo como un "aceptor de electrones" como en el pararrayos caso.

Si bien los pararrayos son vitales, no se utilizan en todo momento de todos los días, como innumerables circuitos eléctricos en hogares, oficinas y plantas de fabricación en todo el mundo.

En un circuito eléctrico, un cable de conexión a tierra crea una ruta adicional para la corriente en caso de un corto u otro mal funcionamiento. En lugar de darte una descarga eléctrica cuando tocas los componentes del circuito, la corriente fluirá a través del cable de conexión a tierra más conductor. La conexión a tierra no solo evita que se produzca una descarga eléctrica, sino que también mantiene su equipo a salvo de las sobrecargas de corriente que, de otro modo, también lo "electrocutarían".

​Nota: El alto voltaje en sí no causa ningún daño.Sin embargo, una gran diferencia de voltaje hace que sea más deseable que la carga salte y, al hacerlo, crea una corriente mayor. Piense en ello como si estuviera parado en el borde de un acantilado alto. El problema no es estar en un acantilado. Es lo que sucede después de que uno se baja como resultado de que la roca bajo sus pies ya no lo "aisla" de la influencia de la gravedad y permite que el aire lo "conduzca" fácilmente (¡con suerte hacia una red de seguridad!).

En entornos domésticos, la conexión a tierra trata tanto el "síntoma" como la "enfermedad" en caso de una acumulación imprevista de cargas en las superficies de los electrodomésticos. No sólo permite a las cargas rebeldes una salida "unidireccional" inmediata para que puedan dispersarse en otros lugares, sino que también evita la entrada de más cargas no deseadas al interrumpir el circuito "aguas arriba".

Una salida moderna típica tiene tres orificios: dos rendijas una al lado de la otra y una abertura casi redonda debajo. La hendidura vertical más pequeña es para el cable "caliente" (o literalmente, el componente de enchufe) para la corriente entrante; su socio más largo es para el cable neutro (salida). El enchufe redondo es un cable de tierra conectado directamente a una salida del circuito, por lo que las cargas peligrosas que de otro modo fluirían a lo largo de la superficie de un aparato pueden huir a tierra. Este cable está configurado para que, por encima de un nivel de corriente dado, todo el circuito se interrumpa y toda la corriente entrante se detenga.

La puesta a tierra permite una seguridadestabilización de voltajeen grandes circuitos y sistemas. Un estabilizador de voltaje asegura que el voltaje entrante, que en realidad puede fluctuar considerablemente alrededor de su valor deseado una vez dentro del complejo y circuitos sensibles como un microprocesador de computadora, se normaliza a un valor estrictamente restringido aumentando o disminuyendo V como necesario.

Unelectroscopioes un conductor que utiliza la inducción de carga para señalar la presencia de cargas externas. Esto usa el principio de que los electrones se repelen entre sí. Si una fuente de electrones como una varilla de vidrio cargada (un ejemplo de electricidad estática; los electrones simplemente "se sientan" allí porque el vidrio es aislante) se mantiene cerca del lado del electroscopio conductor (¡pero neutral!), esto "empuja" los electrones en la bola tan lejos como pueden ir. Esto está en el centro de la unidad, donde las "hojas" de metal se separan para señalar los electrones reunidos cerca del lado de la bola en la superficie de la punta de la varilla.

Mientras esto sucede, la acumulación de electrones en el interior debe equilibrarse de alguna manera, ya que la esfera es conductora. Como consecuencia, las cargas positivas se acumulan, como puede predecir, cerca de la punta de la varilla.

• La aplicación de un cable de conexión a tierra para rodear la base aislante del electroscopio cambiaría claramente esta imagen. ¿Cómo?