Mise à la terre (physique): comment ça marche et pourquoi est-ce important ?

L'électricité est un facteur indispensable dans la vie moderne, et bien que les principaux types de combustibles que l'humanité utilise pour la produire sont une source de grande préoccupation, l'électricité elle-même sera nécessaire aussi longtemps que la civilisation sous sa forme actuelle persiste. Dans le même temps, parmi les premiers faits de sécurité que pratiquement chaque enfant apprend est que l'électricité est, ou peut être, extrêmement dangereuse.

De plus, l'électricité que les humains produisent et peut donc contrôler dans une large mesure n'est ici qu'une partie de l'histoire. Le phénomène de la foudre est également familier aux très jeunes enfants, et il est à la fois une source d'admiration et d'inquiétude même pour les adultes. Mais ses « frappes » au niveau de la Terre sont presque aussi imprévisibles que potentiellement mortelles, et un examen attentif des les ajouts aux bâtiments et autres structures à travers le monde soulignent l'urgence de cette sécurité considération.

​Mise à la terre électrique, aussi appelémise à la terre, fournit un chemin pour que le courant s'écoule dans le sol et que la charge électrique en excès se disperse au lieu de s'accumuler et de créer un danger potentiel. Cela fonctionne parce que la Terre, étant électriquement neutre mais aussi énorme, peut à la fois accepter et fournir de grandes nombre d'électrons (selon les normes humaines-industrielles) sans changements notables à cette "tension zéro" Etat.

​Charge électriqueen physique se mesure encoulombs. La charge élémentaire (indivisible) est celle d'un seul électron (e-) ou proton, d'une magnitude de 1,60 10^-19 C et étant donné un signe négatif pour les électrons. La séparation de particules de charges opposées crée unTension, ou différence de potentiel électrique, qui est mesurée en joules par coulomb (J/C) et induit les électrons à circuler dans la direction d'une charge positive nette, un mouvement appelécourant électrique​.

• Les électrons "veulent" circuler vers une borne positive ou une autre zone de tension positive nette pour la même raison essentielle l'eau « veut » couler en descente: une différence de potentiel, mais établie par la force électrique au lieu de la force de la gravité.

Ce flux d'électrons, mesuré en C/s ouampères("ampères"), ne se produit que si le chemin entre les sources de tension est unconducteuret permet facilement la circulation du courant, comme la plupart des métaux. Les matériaux non conducteurs sont appelésisolants, et ils incluent le plastique, le bois et le caoutchouc (une abondance d'isolants parmi les produits de tous les jours est clairement une bonne chose). Dans l'analogie précédente, un barrage retenant l'écoulement naturel du courant fluvial est comme un isolant, oudiélectrique​.

Tous les matériaux, même les bons conducteurs, ont desla résistance, notéRet mesuré en ohms (Ω). Cette quantité permet une relation formelle entre la tension et le flux de courant, appeléeLa loi d'Ohm​:

Le courant électrique est défini comme circulant du potentiel le plus élevé au potentiel le plus bas (qui est lemême résultatcomme des électrons circulant dans le sens négatif vers positif – attention à ne pas confondre ce point !) à condition qu'un chemin approprié entre les deux existe. Lorsque les deux bornes d'une batterie sont reliées par un fil conducteur, par exemple, le courant circule librement dans une boucle avec une résistance minimale.

Cependant, s'il n'y a pas de chemins hautement conducteurs reliant une différence de potentiel, le courant peut circuler de toute façon en raison declaquage diélectriquesi la tension est suffisamment élevée - un peu comme ce qui se produirait avec une défaillance structurelle d'un barrage provoquée par un volume sans précédent dans le réservoir en amont.

• C'est pourquoi la foudre « frappe »; le courant "ne devrait pas" pouvoir circuler dans un matériau diélectrique tel que l'air, mais les tensions massives de la foudre submergent ce facteur.

Le courant électrique, comme l'eau qui descend une pente douce et rocheuse, essaie toujours de prendre le chemin de moindre résistance. S'il est entravé par un certain nombre de matériaux isolants différents, il voudra traverser le moins isolant (c'est-à-dire le plus conducteur). S'il existe un chemin conducteur, il choisira toujours ce chemin avant tout le reste.

L'air est un isolant et le corps humain est relativement conducteur. Donc, si vous vous démarquez dans un champ pendant un orage, vous courez un risque élevé de choc électrique.Paratonnerresfournir un chemin de mise à la terre en prouvant un moyen facile,faible résistancecible pour les coups de foudre. La foudre préférerait traverser le métal plutôt que vous, alors voilà.

Le chemin entre le paratonnerre et le sol lui-même a une caractéristique essentielle de toutes les installations de mise à la terre: aucun détour en cours de route! L'électricité coule directement dans la Terre elle-même parce qu'elle n'a pas d'autres options. C'est pourquoi les « fils » de terre ne doivent pas nécessairement être des fils simples; ils peuvent être des cadres métalliques,tant que le chemin vers la Terre est complètement autonome, ce qui signifie qu'il s'agit d'un circuit simple.

• Comme déjà suggéré, la Terre peut également servir de "donneur d'électrons" au besoin en raison de sa capacité à disperser la charge – aussi bien positif que négatif, sur un volume énorme – et pas seulement comme « accepteur d'électrons » comme dans le paratonnerre Cas.

Bien que les paratonnerres soient vitaux, ils ne sont pas utilisés à chaque instant de la journée, comme d'innombrables circuits électriques dans les maisons, les bureaux et les usines de fabrication du monde entier.

Dans un circuit électrique, un fil de mise à la terre crée un chemin supplémentaire pour le courant en cas de court-circuit ou de dysfonctionnement. Au lieu de vous choquer lorsque vous touchez les composants du circuit, le courant passera plutôt par le fil de terre plus conducteur. La mise à la terre vous évite non seulement d'être choqué, mais elle protège également votre équipement des surtensions de courant qui, autrement, le "choqueraient" également.

​Remarque: la haute tension en elle-même ne fait pas de mal.Cependant, une grande différence de tension rend plus souhaitable le saut de charge et, ce faisant, crée un courant plus important. Pensez-y comme si vous vous teniez au bord d'une haute falaise. Ce n'est pas d'être sur la haute falaise qui est le problème. C'est ce qui se passe après que vous ayez débarqué parce que la roche sous vos pieds ne vous « isole » plus de l'influence de la gravité et permet à l'air de vous « conduire » facilement (espérons-le dans un filet de sécurité !).

En milieu domestique, la mise à la terre traite à la fois le « symptôme » et la « maladie » en cas d'accumulation imprévue de charges sur les surfaces des appareils. Cela permet non seulement aux charges malveillantes une sortie "à sens unique" immédiate afin qu'elles puissent se disperser ailleurs, mais cela empêche également l'entrée de charges plus indésirables en interrompant le circuit "en amont".

Une prise moderne typique a trois trous: deux fentes côte à côte et une ouverture presque ronde en dessous. La plus petite fente verticale est destinée au fil « chaud » (ou littéralement, au composant de prise) pour le courant entrant; son partenaire plus long est pour le fil neutre (sortie). La prise ronde est un fil de terre connecté directement à une sortie du circuit, de sorte que des charges dangereuses qui autrement circuleraient le long de la surface d'un appareil peuvent fuir vers le sol. Ce fil est configuré de telle sorte qu'au-dessus d'un niveau de courant donné, tout le circuit est coupé et tout courant entrant s'arrête.

La mise à la terre permet une sécuritéstabilisation de tensiondans les grands circuits et systèmes. Un stabilisateur de tension garantit que la tension entrante, qui peut en fait fluctuer considérablement autour de sa valeur souhaitée une fois à l'intérieur du complexe et des circuits sensibles tels qu'un microprocesseur d'ordinateur, est normalisé à une valeur étroitement contrainte en augmentant ou en diminuant V comme nécessaire.

Unélectroscopeest un conducteur qui utilise l'induction de charge pour signaler la présence de charges externes. Cela utilise le principe que les électrons se repoussent. Si une source d'électrons telle qu'une tige de verre chargée (un exemple d'électricité statique; les électrons "s'assoient" là parce que le verre est isolant) est maintenu près du côté de l'électroscope conducteur (mais neutre !), cela "pousse" les électrons de la boule aussi loin qu'ils peuvent aller. C'est au centre de l'unité, où les « feuilles » métalliques sont écartées pour signaler les électrons rassemblés près du côté de la balle à la surface de la pointe de la tige.

Dans ce cas, l'accumulation d'électrons à l'intérieur doit être équilibrée d'une manière ou d'une autre, car la sphère est conductrice. En conséquence, les charges positives s'accumulent, comme vous pouvez le prévoir, près de la pointe de la tige.

• L'application d'un fil de terre pour contourner la base isolante de l'électroscope changerait clairement cette image. Comment?