הארקה (פיזיקה): איך זה עובד ולמה זה חשוב?

חשמל הוא גורם חיוני בחיים המודרניים, ולמרות שהסוגים העיקריים של הדלקים האנושות משתמשים בו כדי לייצר אותו מהווים מקור לדאגה רבה, החשמל עצמו יידרש כל עוד הציוויליזציה במתכונתה הנוכחית נמשך. יחד עם זאת, בין עובדות הבטיחות הראשונות שמלמדים כמעט כל ילד הוא שחשמל הוא או יכול להיות מסוכן ביותר.

יתר על כן, החשמל שבני אדם מייצרים ולכן יכולים לשלוט בו במידה רבה הוא רק חלק מהסיפור כאן. תופעת הברקים מוכרת גם לילדים צעירים מאוד, והיא מהווה במקביל מקור ליראה ולדאגה גם למבוגרים. אך "השביתות" שלה ברמת כדור הארץ אינן צפויות כמעט כמו שהן עלולות להיות קטלניים, ומבט מקרוב התוספות לבניינים ומבנים אחרים ברחבי העולם מדגישות את הדחיפות של בטיחות זו הִתחַשְׁבוּת.

​הארקה חשמלית, המכונה גםהַאֲרָקָה, מספק נתיב לזרם זרם לאדמה ועודף מטען חשמלי להתפזר במקום לבנות וליצור סכנה פוטנציאלית. זה עובד מכיוון שכדור הארץ, בהיותו ניטרלי מבחינה חשמלית אך גם עצום, יכול לקבל וגם לספק גדול מספר אלקטרונים (בסטנדרטים של התעשייה האנושית) ללא שינויים ניכרים ב"מתח אפס "זה מדינה.

​מטען חשמליבפיזיקה נמדד בקולומבות. המטען האלמנטרי (שאינו ניתן לחלוקה) הוא שעל אלקטרונים בודדים (e-) או פרוטון, בעוצמה של 1.60 10

• אלקטרונים "רוצים" לזרום לעבר מסוף חיובי או אזור אחר של מתח חיובי נטו מאותה סיבה חיונית מים "רוצים" לזרום במורד: הבדל פוטנציאלי, אך נקבע על ידי הכוח החשמלי במקום הכוח של כוח משיכה.

זרימת אלקטרונים זו, נמדדת ב- C / s אואמפר("מגברים"), מתרחש רק אם הנתיב בין מקורות המתח הוא aמנצחומאפשר בקלות זרימת זרם, כמו רוב המתכות. חומרים שאינם מוליכים נקראיםמבודדים, והם כוללים פלסטיק, עץ וגומי (שפע של מבודדים בין מוצרים יומיומיים הוא דבר טוב בעליל). באנלוגיה הקודמת, סכר המעכב את הזרימה הטבעית של זרם הנהר הוא כמו מבודד, אודיאלקטרי​.

בכל החומרים, אפילו במוליכים טובים, יש חשמלהִתנַגְדוּת, מסומןרונמדד באום (Ω). כמות זו מאפשרת קשר רשמי בין מתח לזרימת זרם, הנקראחוק אוהם​:

זרם חשמלי מוגדר כזורם מפוטנציאל גבוה יותר לפוטנציאל נמוך יותר (שהוא האותה תוצאהכאלקטרונים שזורמים לכיוון שלילי-חיובי - היזהר לא לבלבל את הנקודה הזו!) בתנאי שקיים נתיב מתאים בין השניים. כאשר שני מסופי הסוללה מחוברים באמצעות חוט מוליך, למשל, הזרם זורם בחופשיות בלולאה עם התנגדות מינימלית.

עם זאת, אם אין נתיבים מוליכים מאוד המחברים בין הבדל פוטנציאלי, הזרם עשוי לזרום בכל מקרה כתוצאה מהתמוטטות דיאלקטריתאם המתח גבוה מספיק - בדומה למה שהיה קורה עם כשל מבני של סכר שמקורו בנפח חסר תקדים במאגר במעלה הזרם.

• זו הסיבה שברק "מכה"; זרם "לא אמור" להיות מסוגל לזרום בחומר דיאלקטרי כגון אוויר, אך המתחים המסיביים של הברק מכריעים גורם זה.

זרם חשמלי, כמו מים המתפנים במדרון עדין וסלעי, מנסה תמיד ללכת בדרך של פחות התנגדות. אם הוא מונע על ידי מספר חומרי בידוד שונים, הוא ירצה לזרום דרך חומר הבודד (כלומר, המוליך ביותר). אם קיים מסלול מוליך, הוא תמיד יבחר בדרך זו על פני כל השאר.

האוויר הוא מבודד, וגוף האדם מוליך יחסית. אז אם אתה בולט בשדה במהלך סופת ברקים, אתה נמצא בסיכון גבוה להלם חשמלי.מוטות ברקלספק נתיב הארקה על ידי הוכחת קל,התנגדות נמוכהיעד לפגיעות ברק. ברק מעדיף לזרום דרך מתכת מאשר דרכך, אז יש את זה.

לשביל מכביש הברק לקרקע עצמה יש מאפיין חיוני אחד בכל מערכי ההארקה: אין עקיפות בדרך! החשמל זורם היישר לכדור הארץ עצמו מכיוון שאין לו אפשרויות אחרות. זו הסיבה ש"חוטי חוט "לא צריכים להיות חוטים בודדים; הם יכולים להיות מסגרות מתכת,כל עוד הדרך לכדור הארץ היא עצמאית לחלוטיןכלומר, זה מעגל פשוט.

• כפי שכבר הוצע, כדור הארץ יכול לשמש גם כ"תורם אלקטרונים "לפי הצורך בגלל יכולתו להפיץ מטען - חיובי כמו גם שלילי, בנפח עצום - ולא רק כ"מקבל אלקטרונים "כמו במוט הברק מקרה.

אמנם מוטות ברק הם חיוניים, אך הם אינם מנוצלים לשימוש בכל רגע ויום, כמו אינספור מעגלי חשמל בבתים, משרדים ומפעלי ייצור ברחבי העולם.

במעגל חשמלי, חוט הארקה יוצר נתיב נוסף לזרם במקרה של תקלה קצרה או אחרת. במקום לזעזע אותך כשאת נוגעת ברכיבי מעגל, הזרם יזרום במקום זאת דרך חוט ההארקה המוליך יותר. הארקה לא רק מונעת מכם להיות מזועזעים, אלא גם שומרת על הציוד שלכם מפני נחשולים שוטפים שאחרת "יזעזעו" אותו גם כן.

​הערה: מתח גבוה עצמו לא מזיק.עם זאת, הפרש מתח גדול הופך את רצוי יותר לקפיצה של מטען, ובכך יוצר זרם גדול יותר. תחשוב על זה כמו לעמוד על קצה צוק גבוה. זה לא להיות על הצוק הגבוה שזו הבעיה. זה מה שקורה אחרי שאתה יורד כתוצאה מכך שהסלע מתחת לרגליים כבר לא "מבודד" אותך מהשפעת הכבידה ומאפשר לאוויר "להוליך" אותך בקלות (בתקווה לרשת ביטחון!).

במסגרות ביתיות, הארקה מטפלת ב"סימפטום "וב"מחלה" במקרה של הצטברות מטענים בלתי צפויה על משטחי המכשירים. זה לא רק מאפשר לנוכלים לגבות יציאה "חד כיוונית" מיידית כדי שהם יתפזרו במקום אחר, אלא גם מונע כניסה של מטענים לא רצויים יותר על ידי הפרעה למעגל "במעלה הזרם".

לשקע מודרני טיפוסי יש שלושה חורים: שני חריצים זה לצד זה וצמצם כמעט עגול מתחת. החריץ האנכי הקטן יותר מיועד לחוט "החם" (או פשוטו כמשמעו, רכיב התקע) לזרם נכנס; השותף הארוך יותר שלה הוא עבור החוט הנייטרלי (יציאה). התקע העגול הוא חוט קרקע המחובר ישר ליציאה מהמעגל, כך שמטענים מסוכנים שאחרת יזרמו לאורך פני המכשיר יכולים לברוח לקרקע. חוט זה מוגדר כך שמעל לרמה הנוכחית הנתונה, המעגל כולו נשבר וכל הזרם הנכנס נעצר.

הארקה מאפשרת בטיחותייצוב מתחבמעגלים ומערכות גדולים. מייצב מתח מבטיח כי המתח הנכנס, שיכול למעשה להשתנות במידה ניכרת סביב ערכו הרצוי ברגע שנמצא בתוך מתחם ומעגלים רגישים כגון מעבד מחשב, מנורמלים לערך מוגבל היטב על ידי הגדלת או הקטנת V כ נָחוּץ.

Anאלקטרוסקופהוא מוליך המשתמש באינדוקציית מטען כדי לאותת על קיומם של מטענים חיצוניים. זה משתמש בעקרון שהאלקטרונים דוחים זה את זה. אם מקור אלקטרונים כגון מוט זכוכית טעון (דוגמה לחשמל סטטי; אלקטרונים פשוט "יושבים" שם מכיוון שהזכוכית מבודדת) מוחזק קרוב לצד האלקטרוסקופ המוליך (אך ניטראלי!), זה "דוחף" את האלקטרונים בכדור רחוק ככל שהם יכולים ללכת. זה למרכז היחידה, שם "עלים" מתכתיים נדחקים זה מזה כדי לאותת על האלקטרונים שנאספו בסמוך לצד הכדור על פני קצה המוט.

כאשר זה קורה, הצטברות האלקטרונים בפנים צריכה להיות מאוזנת איכשהו, מכיוון שהכדור מוליך. כתוצאה מכך, מטענים חיוביים אוספים, כפי שאפשר לחזות, ליד קצה המוט.

• היישום של חוט הארקה לעקוף את בסיס הבידוד של האלקטרוסקופ ישנה בבירור תמונה זו. אֵיך?