Maadoitus (fysiikka): Kuinka se toimii ja miksi se on tärkeää?

Sähkö on välttämätön tekijä nykyaikaisessa elämässä, ja vaikka tärkeimmät polttoaineet ihmiskunta käyttää sen tuottamiseen aiheuttavat suurta huolta, itse sähköä tarvitaan niin kauan kuin sivilisaatio nykyisessä muodossaan jatkuu. Samalla ensimmäisten turvallisuustietojen joukossa käytännössä jokaiselle lapselle opetetaan, että sähkö on tai voi olla erittäin vaarallista.

Lisäksi ihmisten tuottama sähkö, jota voidaan siksi hallita suuressa määrin, on vain osa tarinaa. Salama-ilmiö on tuttua myös hyvin pienille lapsille, ja se aiheuttaa samalla kunnioitusta ja huolta jopa aikuisille. Mutta sen "lakot" maatasolla ovat melkein yhtä arvaamattomia kuin mahdollisesti tappavia, ja niitä tarkastellaan tarkasti Rakennusten ja muiden rakenteiden lisäosat ympäri maailmaa korostavat tämän turvallisuuden kiireellisyyttä huomioon.

​Sähköinen maadoitus, kutsutaan myösmaadoitus, tarjoaa polun virran virtaamiselle maahan ja ylimääräisen sähkövarauksen hajaantumiselle sen sijaan, että muodostuisivat mahdollisen vaaran. Tämä toimii, koska maa, joka on sähköisesti neutraali mutta myös valtava, voi sekä hyväksyä että tuottaa suuria elektronien lukumäärä (ihmisen ja teollisuuden standardien mukaan) ilman huomattavia muutoksia tähän "nollajännitteeseen" osavaltio.

​Sähkövarausfysiikassa mitataancoulombs. Perusvaraus (jakamaton) on yksi elektroni (e-) tai protoni, jonka suuruus on 1,60 10^-19 C ja annettu negatiivinen merkki elektroneille. Vastakkaisesti varautuneiden hiukkasten erottaminen luo aJännite, tai sähköinen potentiaaliero, joka mitataan jouleina per coulomb (J / C) ja joka saa elektronit virtaamaan positiivisen nettovarauksen, liikkeensähkövirta​.

• Elektronit "haluavat" virrata kohti positiivista napaa tai muuta positiivisen nettojännitteen aluetta samasta olennaisesta syystä vesi "haluaa" virrata alamäkeen: potentiaaliero, mutta sen vahvistaa sähkövoima voiman sijasta painovoima.

Tämä elektronivirta mitattuna C / s taiampeeria("ampeeria") tapahtuu vain, jos jännitelähteiden välinen polku on akapellimestarija sallii helposti virran, kuten useimmat metallit. Johtamattomia materiaaleja kutsutaaneristimet, ja niihin sisältyy muovi, puu ja kumi (runsaasti eristeitä jokapäiväisissä tuotteissa on selvästi hyvä asia). Edellisessä analogiassa pato, joka pidättää jokivirran luonnollista virtausta, on kuin eristin taidielektrinen​.

Kaikissa materiaaleissa, jopa hyvissä johtimissa, on sähköävastus, merkittyRja mitataan ohmina (Ω). Tämä määrä sallii muodollisen suhteen jännitteen ja virtauksen välillä, nimeltäänOhmin laki​:

Sähkövirta määritellään virtaavaksi suuremmasta potentiaalista pienempään potentiaaliin (mikä onsama tuloselektronina, joka virtaa negatiivisesta positiiviseen suuntaan - ole varovainen, ettet sekoita tätä pistettä!), jos näiden kahden välillä on sopiva polku. Kun akun kaksi napaa on kytketty esimerkiksi johtavalla johdolla, virta virtaa vapaasti silmukassa, jolla on minimaalinen vastus.

Jos kuitenkin ei ole erittäin johtavia polkuja, jotka yhdistävät potentiaalieron, virta voi silti virrata seurauksenadielektrinen hajoaminenjos jännite on riittävän korkea - aivan kuten tapahtuisi paton rakenteellisella vikaantumisella, jonka ennennäkemätön tilavuus aiheuttaa ylävirran säiliössä.

• Siksi salama "iski"; virta "ei" pitäisi pystyä virtaamaan dielektrisessä materiaalissa, kuten ilmassa, mutta valtavat salamajännitteet ylittävät tämän tekijän.

Sähkövirta, kuten vesi, joka kulkee alas lempeä, kallioinen kaltevuus, pyrkii aina kulkemaan vähiten vastarintaa. Jos sitä estävät useat erilaiset eristemateriaalit, se haluaa virrata vähiten eristävän (ts. Eniten johtavan) materiaalin läpi. Jos johtavaa polkua on olemassa, se valitsee aina kyseisen polun kaiken muun sijasta.

Ilma on eriste, ja ihmiskeho on suhteellisen johtavaa. Joten jos erotut kentästä ukkosmyrskyn aikana, sinulla on suuri sähköiskun vaara.Salamatangottarjota maadoituspolun osoittautumalla helpolle,matala vastussalamaniskun kohde. Salama mieluummin virtaa metallin kuin sinun läpi, joten siinä on.

Polulla salamanvarresta maahan itsessään on yksi olennainen piirre kaikissa maadoitusjärjestelyissä: Ei kiertotietä matkan varrella! Sähkö virtaa suoraan maahan, koska sillä ei ole muita vaihtoehtoja. Siksi maadoitusjohtimien ei tarvitse olla yksittäisiä johtoja; ne voivat olla metallikehyksiä,kunhan polku maapallolle on täysin itsenäinen, eli se on yksinkertainen piiri.

• Kuten jo ehdotettiin, maapallo voi tarvittaessa toimia myös "elektronidonorina", koska se kykenee hajottamaan varauksen - sekä positiivisia että negatiivisia, valtavalla äänenvoimakkuudella - eikä vain "elektroninakseptorina" kuin salamatangossa tapauksessa.

Vaikka salamanvarret ovat elintärkeitä, niitä ei käytetä jokaisen päivän jokaisena hetkenä, kuten lukemattomat sähköpiirit kodeissa, toimistoissa ja tuotantolaitoksissa ympäri maailmaa.

Sähköpiirissä maadoitusjohto luo ylimääräisen polun virralle oikosulun tai muun toimintahäiriön sattuessa. Sen sijaan, että järkyttäisit koskettamalla piirikomponentteja, virta kulkee sen sijaan johtavamman maadoitusjohdon läpi. Maadoitus ei vain estä sinua järkyttymästä, mutta myös suojaa laitteitasi nykyisiltä aaltoilta, jotka muuten "järkyttävät" sitä myös.

​Huomaa: Korkea jännite itsessään ei vahingoita.Suuri jännite-ero tekee kuitenkin varauksen hyppimisestä toivottavamman ja luo samalla suuremman virran. Ajattele sitä kuin seisomaan korkean kallion reunalla. Se ei ole ongelma korkealla kalliolla. Sitä tapahtuu sen jälkeen, kun astut pois seurauksena siitä, että kallio jalkojen alla ei enää "eristää" sinua painovoiman vaikutuksilta ja anna ilman helposti "johtaa" sinua (toivottavasti turvaverkkoon!).

Kotitalousympäristössä maadoitus käsittelee sekä "oireita" että "tauteja", jos laitteiden pinnoille tulee odottamattomia latauksia. Se paitsi sallii roistolatausten välittömän "yksisuuntaisen" poistumisen, jotta ne voivat levitä muualle, mutta estää myös ei-toivottujen latausten pääsyn keskeyttämällä piirin "ylävirtaan".

Tyypillisessä modernissa aukossa on kolme reikää: kaksi vierekkäistä rakoa ja melkein pyöreä aukko alapuolella. Pienempi pystysuora rako on "kuumaa" johtoa (tai kirjaimellisesti pistokekomponenttia) varten tulevaa virtaa varten; sen pidempi kumppani on nollajohdin. Pyöreä pistoke on maadoitusjohto, joka on kytketty suoraan piirin ulostuloon, joten vaaralliset varaukset, jotka muuten virtaavat laitteen pintaa pitkin, voivat paeta maata kohti. Tämä johto on asetettu siten, että tietyn virtatason yläpuolella koko piiri katkeaa ja kaikki tulevat virrat pysähtyvät.

Maadoitus mahdollistaa turvallisen käytönjännitteen vakauttaminensuurissa piireissä ja järjestelmissä. Jännitteen stabilointilaite varmistaa, että tuleva jännite, joka voi todella vaihdella huomattavasti halutun arvon ympärillä kompleksin sisällä ja herkkiä piirejä, kuten tietokoneen mikroprosessori, normalisoidaan tiukasti rajoitettuun arvoon lisäämällä tai pienentämällä V tarvittu.

Anelektroskooppion johdin, joka käyttää varauksen induktiota merkitsemään ulkoisten varausten läsnäoloa. Tässä käytetään periaatetta, että elektronit hylkäävät toisiaan. Jos elektronilähde, kuten varautunut lasisauva (esimerkki staattisesta sähköstä; elektronit vain "istuvat" siellä, koska lasi eristää), pidetään lähellä johtavan (mutta neutraalin!) elektroskoopin sivua, tämä "työntää" pallon elektronit niin kauas kuin he voivat mennä. Tämä on yksikön keskelle, jossa metalliset "lehdet" työnnetään erilleen signaloidakseen elektronit, jotka ovat kerääntyneet lähellä pallon sivua tangon kärjen pinnalle.

Kun näin tapahtuu, elektronien kertyminen sisälle on tasapainotettava jotenkin, koska pallo johtaa. Tämän seurauksena positiiviset varaukset kerääntyvät, kuten voit ennustaa, lähellä tangon kärkeä.

• Maadoitusjohdon käyttö kiertämään elektroskoopin eristävää alustaa muuttaisi selvästi tätä kuvaa. Miten?