Aarding (natuurkunde): hoe werkt het en waarom is het belangrijk?

Elektriciteit is een onmisbare factor in het moderne leven, en hoewel de belangrijkste soorten brandstoffen de mensheid gebruikt om het te produceren produce een bron van grote zorg zijn, zal elektriciteit zelf nodig zijn zolang de beschaving in zijn huidige vorm is blijft bestaan. Tegelijkertijd is een van de eerste veiligheidsfeiten die vrijwel elk kind wordt geleerd, dat elektriciteit extreem gevaarlijk is of kan zijn.

Verder is de elektriciteit die de mens opwekt en dus voor een groot deel kan beheersen hier slechts een deel van het verhaal. Het fenomeen bliksem is ook bekend bij zeer jonge kinderen, en het is tegelijkertijd een bron van ontzag en bezorgdheid, zelfs voor volwassenen. Maar zijn "aanvallen" op aardeniveau zijn bijna net zo onvoorspelbaar als potentieel dodelijk, en van dichtbij bekeken de toevoegingen aan gebouwen en andere constructies over de hele wereld onderstrepen de urgentie van deze veiligheid overweging.

​Elektrische aarding, ook wel genoemdaarding, biedt een pad voor stroom om de grond in te stromen en overtollige elektrische lading te verspreiden in plaats van zich op te bouwen en een potentieel gevaar te creëren. Dit werkt omdat de aarde, die elektrisch neutraal maar ook enorm is, zowel grote aantal elektronen (volgens de normen van de mens-industrie) zonder merkbare veranderingen in deze "nulspanning" staat.

​Elektrische ladingin de natuurkunde wordt gemeten incoulombs. De elementaire (ondeelbare) lading is die op een enkel elektron (e-) of proton, met een magnitude van 1,60 10^-19 C en kreeg een negatief teken voor elektronen. De scheiding van tegengesteld geladen deeltjes creëert eenSpanning, of elektrisch potentiaalverschil, dat wordt gemeten in joules per coulomb (J/C) en ervoor zorgt dat elektronen in de richting van een netto positieve lading stromen, een beweging dieelektrische stroom​.

• Elektronen "willen" om dezelfde essentiële reden naar een positieve pool of een ander gebied van netto positieve spanning stromen: water "wil" naar beneden stromen: een potentiaalverschil, maar vastgesteld door de elektrische kracht in plaats van de kracht van zwaartekracht.

Deze elektronenstroom, gemeten in C/s ofampère("ampère"), treedt alleen op als het pad tussen de spanningsbronnen a. isgeleideren laat gemakkelijk stroom toe, zoals de meeste metalen. Niet-geleidende materialen worden genoemdisolatoren, en ze omvatten plastic, hout en rubber (een overvloed aan isolatoren onder alledaagse producten is duidelijk een goede zaak). In de vorige analogie is een dam die de natuurlijke stroom van rivierstroom tegenhoudt als een isolator, ofdiëlektricum​.

Alle materialen, zelfs goede geleiders, hebben wat elektrischeweerstand, aangeduidRen gemeten in ohm (Ω). Deze hoeveelheid zorgt voor een formele relatie tussen spanning en stroom, genaamdDe wet van Ohm​:

Elektrische stroom wordt gedefinieerd als het stromen van een hoger potentiaal naar een lager potentiaal (wat dehetzelfde resultaatals elektronen die in een negatief-naar-positieve richting stromen - pas op dat u dit punt niet verwart!) op voorwaarde dat er een geschikt pad tussen de twee bestaat. Wanneer de twee polen van een batterij bijvoorbeeld zijn verbonden door een geleidende draad, vloeit de stroom vrij in een lus met minimale weerstand.

Als er echter geen sterk geleidende paden zijn die een potentiaalverschil verbinden, kan er toch stroom vloeien als gevolg van:diëlektrische doorslagals de spanning hoog genoeg is - net zoals zou gebeuren bij het structureel falen van een dam veroorzaakt door een ongekend volume in het stroomopwaartse reservoir.

• Dit is de reden waarom bliksem "inslaat"; stroom "zou niet" moeten kunnen stromen in een diëlektrisch materiaal zoals lucht, maar de enorme spanningen van bliksem overweldigen deze factor.

Elektrische stroom, zoals water dat zich een weg baant langs een zachte, rotsachtige helling, probeert altijd de weg van de minste weerstand te nemen. Als het wordt belemmerd door een aantal verschillende isolatiematerialen, zal het door het minst isolerende (d.w.z. meest geleidende) materiaal willen stromen. Als er een geleidend pad bestaat, zal het altijd dat pad verkiezen boven al het andere.

Lucht is een isolator en het menselijk lichaam is relatief geleidend. Dus als je opvalt in een veld tijdens onweer, loop je een groot risico op een elektrische schok.Bliksemafleiderszorgen voor een aardingspad door een gemakkelijke,lage weerstanddoelwit voor blikseminslagen. Bliksem gaat liever door metaal dan door jou, dus dat is er.

Het pad van de bliksemafleider naar de grond zelf heeft één essentieel kenmerk van alle aardingsopstellingen: geen omwegen onderweg! De elektriciteit stroomt rechtstreeks naar de aarde zelf omdat er geen andere opties zijn. Dit is de reden waarom "aarddraden" geen enkele draden hoeven te zijn; het kunnen metalen frames zijn,zolang het pad naar de aarde volledig op zichzelf staat, wat betekent dat het een eenvoudig circuit is.

• Zoals al gesuggereerd, kan de aarde ook dienen als een "elektronendonor" als dat nodig is vanwege het vermogen om lading te verspreiden – zowel positief als negatief, over een enorm volume – en niet alleen als een "elektronenacceptor" zoals in de bliksemafleider geval.

Hoewel bliksemafleiders van vitaal belang zijn, worden ze niet elk moment van de dag gebruikt, zoals talloze elektrische circuits in huizen, kantoren en fabrieken over de hele wereld.

In een elektrisch circuit creëert een aardingsdraad een extra pad voor stroom in het geval van een kortsluiting of andere storing. In plaats van u te schokken wanneer u circuitcomponenten aanraakt, zal de stroom in plaats daarvan door de meer geleidende aardingsdraad stromen. Aarding zorgt er niet alleen voor dat u niet geschokt wordt, maar het beschermt uw apparatuur ook tegen stroompieken die het anders ook zouden "schokken".

​Let op: Hoogspanning zelf kan geen kwaad.Een groot spanningsverschil maakt het echter wenselijker dat de lading springt, en creëert daardoor een grotere stroom. Zie het alsof je op de rand van een hoge klif staat. Het is niet het probleem dat je op de hoge klif bent. Het is wat er gebeurt nadat je afstapt als gevolg van het feit dat de rots onder je voeten je niet langer "isoleert" tegen de invloed van de zwaartekracht en lucht je gemakkelijk laat "geleiden" (hopelijk in een vangnet!).

In huishoudelijke omgevingen behandelt aarding zowel het "symptoom" als de "ziekte" in het geval van een onverwachte accumulatie van ladingen op de oppervlakken van apparaten. Het geeft niet alleen de malafide ladingen een onmiddellijke "eenrichtings"-uitgang zodat ze zich elders kunnen verspreiden, maar het voorkomt ook het binnenkomen van meer ongewenste ladingen door het circuit "stroomopwaarts" te onderbreken.

Een typisch modern stopcontact heeft drie gaten: twee sleuven naast elkaar en een bijna ronde opening eronder. De kleinere verticale spleet is voor de "hete" draad (of letterlijk plugcomponent) voor inkomende stroom; zijn langere partner is voor de neutrale (exit) draad. De ronde stekker is een aardingsdraad die rechtstreeks is aangesloten op een uitgang van het circuit, zodat gevaarlijke ladingen die anders langs het oppervlak van een apparaat zouden stromen, naar de grond kunnen vluchten. Deze draad is zo opgesteld dat boven een bepaald stroomniveau het hele circuit wordt onderbroken en alle inkomende stroom stopt.

Aarding zorgt voor veiligspanningsstabilisatie:in grote circuits en systemen. Een spanningsstabilisator zorgt ervoor dat de binnenkomende spanning, die in het complex zelfs aanzienlijk kan schommelen rond de gewenste waarde, en gevoelige circuits zoals een computermicroprocessor, wordt genormaliseerd naar een strak beperkte waarde door V te verhogen of te verlagen als nodig zijn.

Eenelektroscoopis een geleider die ladingsinductie gebruikt om de aanwezigheid van externe ladingen te signaleren. Hierbij wordt gebruik gemaakt van het principe dat elektronen elkaar afstoten. Als een bron van elektronen zoals een geladen glazen staaf (een voorbeeld van statische elektriciteit; elektronen "zitten" daar gewoon omdat glas isoleert) wordt dicht bij de zijkant van de geleidende (maar neutrale!) elektroscoop gehouden, dit "duwt" de elektronen in de bal zo ver mogelijk weg. Dit is naar het midden van de eenheid, waar metalen "bladeren" uit elkaar worden geduwd om de elektronen te signaleren die zich nabij de zijkant van de bal op het oppervlak van de punt van de staaf verzamelen.

Als dit gebeurt, moet de opbouw van elektronen binnenin op de een of andere manier in evenwicht worden gebracht, aangezien de bol geleidend is. Als gevolg hiervan verzamelen zich positieve ladingen, zoals je zou kunnen voorspellen, nabij de punt van de staaf.

• De toepassing van een aardingsdraad om de isolerende basis van de elektroscoop te omzeilen zou dit beeld duidelijk veranderen. Hoe?