Uzemljenje (fizika): kako to funkcionira i zašto je to važno?

Električna energija je nezamjenjiv čimbenik u suvremenom životu, i premda glavne vrste goriva koje čovječanstvo koristi za svoju proizvodnju izvor su velike zabrinutosti, sama električna energija bit će potrebna sve dok civilizacija u svom današnjem obliku ustraje. Istodobno, među prvim sigurnosnim činjenicama o kojima se poučava gotovo svako dijete jest da je električna energija ili može biti izuzetno opasna.

Nadalje, električna energija koju ljudi generiraju i koju stoga može u velikoj mjeri kontrolirati samo je dio priče ovdje. Fenomen munje poznat je i vrlo maloj djeci, a istodobno je izvor strahopoštovanja i zabrinutosti čak i za odrasle. No, njegovi "udari" na razini Zemlje gotovo su nepredvidivi koliko i potencijalno smrtonosni, a izbliza dodaci zgradama i drugim objektima širom svijeta naglašavaju hitnost ove sigurnosti obzir.

​Električno uzemljenje, također nazvanuzemljenje, pruža put protoku struje u zemlju i prekomjernog električnog naboja da se rasprši, umjesto da se stvara i stvara potencijalnu opasnost. To djeluje jer Zemlja, koja je električki neutralna, ali i ogromna, može i prihvatiti i pružiti veliko brojeva elektrona (prema standardima ljudske industrije) bez primjetnih promjena ovog "nultog napona" država.

​Električno punjenjeu fizici se mjeri ukuloni. Elementarni (nedjeljivi) naboj je onaj na jednom elektronu (e-) ili protonu, magnitude 1,60 10^-19 C i dobio negativni predznak za elektrone. Odvajanje suprotno nabijenih čestica stvara anapon, ili razlika električnog potencijala, koja se mjeri u džulima po kulonu (J / C) i potiče elektrone da teku u smjeru neto pozitivnog naboja, kretanja tzv.električna struja​.

• Elektroni "žele" teći prema pozitivnom priključku ili nekom drugom području neto pozitivnog napona iz istog bitnog razloga voda "želi" teći nizbrdo: potencijalna razlika, ali utvrđena električnom silom umjesto silom gravitacija.

Ovaj protok elektrona, mjeren u C / s iliamperima("pojačala"), javlja se samo ako je put između izvora napona adirigenti lako dopušta strujanje, kao i većina metala. Neprovodni materijali se nazivajuizolatori, a uključuju plastiku, drvo i gumu (obilje izolatora među svakodnevnim proizvodima očito je dobra stvar). U prethodnoj analogiji, brana koja zadržava prirodni tok riječne struje je poput izolatora, ilidielektrik​.

Svi materijali, čak i dobri vodiči, imaju ponešto električne strujeotpornost, označenoRa mjeri se u ohima (Ω). Ova veličina omogućuje formalni odnos između napona i protoka struje, tzvOhmov zakon​:

Električna struja definira se kao protok od većeg potencijala do nižeg potencijala (koji jeisti rezultatkao elektroni koji teku u negativnom u pozitivnom smjeru - pripazite da ne pobrkate ovu točku!) pod uvjetom da postoji prikladan put između njih dvoje. Kad su, na primjer, dva terminala baterije spojena provodnom žicom, struja slobodno teče u petlji s minimalnim otporom.

Međutim, ako ne postoje visoko vodljivi putovi koji povezuju potencijalnu razliku, kao rezultat ionako može teći strujadielektrični slomako je napon dovoljno visok - slično onome što bi se dogodilo s strukturnim zatajenjem brane izazvanog neviđenim volumenom u uzvodnom ležištu.

• Zbog toga grom "udara"; struja "ne bi trebala" moći teći u dielektričnom materijalu kao što je zrak, ali masivni naponi munje svladavaju ovaj faktor.

Električna struja, poput vode koja se kreće niz blagi, stjenoviti nagib, uvijek pokušava krenuti putem najmanjeg otpora. Ako ga ometa niz različitih izolacijskih materijala, on će htjeti protjecati kroz najmanje izolacijski (tj. Najprovodljiviji). Ako postoji vodljiva staza, ona će uvijek odabrati taj put nad svim ostalim.

Zrak je izolator, a ljudsko tijelo je relativno provodljivo. Dakle, ako se istaknete na polju tijekom oluje s grmljavinom, postoji veliki rizik od strujnog udara.Gromobraniosigurati put uzemljenja dokazujući lak,niski otpormeta za udare groma. Munja bi radije tekla kroz metal nego kroz vas, pa postoji i to.

Put od gromobrana do same zemlje ima jedno bitno obilježje svih postavki uzemljenja: Nema zaobilaznih putova! Električna energija teče ravno u samu Zemlju, jer nema drugih mogućnosti. Zbog toga uzemljene "žice" ne moraju biti pojedinačne žice; mogu biti metalni okviri,sve dok je put do Zemlje potpuno samostalan, što znači da je to jednostavan sklop.

• Kao što je već sugerirano, Zemlja može poslužiti i kao "donor elektrona" po potrebi zbog svoje sposobnosti širenja naboja - pozitivan kao i negativan, u ogromnom volumenu - i to ne samo kao "akceptor elektrona" kao u gromobranu slučaj.

Iako su gromobrani vitalni, ne koriste se svaki trenutak svakoga dana, poput bezbrojnih električnih krugova u domovima, uredima i proizvodnim pogonima širom svijeta.

U električnom krugu, žica za uzemljenje stvara dodatni put za struju u slučaju kratkog ili drugog kvara. Umjesto da vas šokira kad dodirnete komponente kruga, struja će umjesto toga proći kroz provodljiviju žicu za uzemljenje. Uzemljenje ne samo da vas ne šokira, već i vašu opremu čuva od trenutnih prenapona koji bi je inače i "šokirali".

​Napomena: Visoki napon sam po sebi ne šteti.Međutim, velika razlika napona čini poželjnijim skok naboja i pri tome stvara veću struju. Zamislite to kao da stojite na rubu visoke litice. Nije problem u tome što si na visokoj litici. To se događa nakon što zakoračite uslijed toga što vas stijena pod nogama više ne "izolira" od utjecaja gravitacije i dopušta zraku da vas lako "odvede" (nadamo se u zaštitnu mrežu!).

U kućanstvima, uzemljenje tretira i "simptom" i "bolest" u slučaju nepredviđenog nakupljanja naboja na površinama uređaja. Ne dopušta samo nevaljalim nabojima trenutni "jednosmjerni" izlaz kako bi se mogli razići negdje drugdje, već također sprječava ulazak više neželjenih naboja prekidajući krug "uzvodno".

Tipični moderni otvor ima tri rupe: dva proreza jedan uz drugi i gotovo okrugli otvor ispod. Manji vertikalni prorez služi za "vruću" žicu (ili doslovno, utikač) za dolaznu struju; njegov je duži partner za neutralnu (izlaznu) žicu. Okrugli utikač je žica za uzemljenje spojena ravno na izlaz iz kruga, tako da opasni naboji koji bi inače tekli površinom uređaja mogu pobjeći prema tlu. Ova je žica postavljena tako da se iznad zadane razine struje prekida cijeli krug i zaustavlja sva dolazna struja.

Uzemljenje omogućuje sigurnostabilizacija naponau velikim krugovima i sustavima. Stabilizator napona osigurava dolazni napon koji zapravo može znatno oscilirati oko željene vrijednosti jednom kad se nađe u kompleksu i osjetljivi krugovi poput računalnog mikroprocesora, normaliziraju se na čvrsto ograničenu vrijednost povećanjem ili smanjenjem V kao potrebno.

Anelektroskopje vodič koji koristi indukciju naboja da signalizira prisutnost vanjskih naboja. Tu se koristi princip da se elektroni međusobno odbijaju. Ako je izvor elektrona poput nabijene staklene šipke (primjer statičkog elektriciteta; elektroni tamo samo "sjede" jer je staklo izolacijsko) drži se uz bok provodnog (ali neutralnog!) elektroskopa, što "gura" elektrone u kugli što dalje. To je do središta jedinice, gdje se metalni "listovi" odvajaju kako bi signalizirali elektrone okupljene uz bok kugle na površini vrha štapa.

Kako se to događa, nakupljanje elektrona u unutrašnjosti mora se nekako uravnotežiti, budući da sfera vodi. Kao posljedica toga, pozitivni naboji skupljaju se, kao što biste mogli predvidjeti, blizu vrha šipke.

• Primjena žice za uzemljenje za zaobilaženje izolacijske osnove elektroskopa očito bi promijenila ovu sliku. Kako?