Uziemienie (fizyka): jak to działa i dlaczego jest ważne?

Elektryczność jest nieodzownym czynnikiem we współczesnym życiu i chociaż ludzkość wykorzystuje do jej produkcji główne rodzaje paliw są źródłem wielkiego niepokoju, sama energia elektryczna będzie potrzebna tak długo, jak długo cywilizacja w obecnej formie utrzymuje się. Jednocześnie jednym z pierwszych faktów dotyczących bezpieczeństwa, których uczy się praktycznie każde dziecko, jest to, że elektryczność jest lub może być niezwykle niebezpieczna.

Co więcej, energia elektryczna, którą ludzie wytwarzają i dzięki czemu mogą w dużym stopniu kontrolować, jest tutaj tylko częścią historii. Zjawisko pioruna jest znane także bardzo małym dzieciom, a jednocześnie budzi podziw i niepokój nawet dorosłych. Ale jego „uderzenia” na poziomie Ziemi są prawie tak nieprzewidywalne, jak potencjalnie śmiertelne, i przyjrzyj się bliżej dodatki do budynków i innych konstrukcji na całym świecie podkreślają pilność tego bezpieczeństwa wynagrodzenie.

​Uziemienie elektryczne, nazywany równieżuziemienie, zapewnia ścieżkę przepływu prądu do gruntu i rozproszenia nadmiaru ładunku elektrycznego zamiast gromadzenia się i stwarzania potencjalnego zagrożenia. To działa, ponieważ Ziemia, będąc elektrycznie neutralna, ale także ogromna, może zarówno przyjmować, jak i zapewniać duże liczba elektronów (według standardów human-przemysłowych) bez zauważalnych zmian tego „zerowego napięcia” stan.

​Ładunek elektrycznyw fizyce mierzy się wkulomby. Elementarny (niepodzielny) ładunek to ten na pojedynczym elektronie (e-) lub protonie, o wielkości 1,60 10^-19 C i otrzymał znak ujemny dla elektronów. Oddzielenie przeciwnie naładowanych cząstek tworzyNapięcie, czyli różnica potencjałów elektrycznych, mierzona w dżulach na kulomb (J/C) i indukująca przepływ elektronów w kierunku dodatniego ładunku netto, ruch zwanyprąd elektryczny​.

• Elektrony „chcą” płynąć w kierunku dodatniego zacisku lub innego obszaru dodatniego napięcia netto z tego samego istotnego powodu woda „chce” spływać w dół: różnica potencjałów, ale ustalana przez siłę elektryczną zamiast siły powaga.

Ten przepływ elektronów, mierzony w C/s lubampery(„ampery”), występuje tylko wtedy, gdy droga między źródłami napięcia wynosi akonduktori łatwo umożliwia przepływ prądu, jak większość metali. Materiały nieprzewodzące nazywane sąizolatory, a wśród nich plastik, drewno i guma (mnogość izolatorów wśród produktów codziennego użytku to po prostu dobra rzecz). W poprzedniej analogii zapora wstrzymująca naturalny nurt rzeki jest jak izolator lubdielektryk​.

Wszystkie materiały, nawet dobre przewodniki, mają trochę energii elektrycznejodporność, oznaczonyRi mierzone w omach (Ω). Wielkość ta pozwala na formalną zależność między przepływem napięcia i prądu, zwanąPrawo Ohma​:

Prąd elektryczny jest definiowany jako przepływający od wyższego potencjału do niższego potencjału (który jestten sam wynikjako elektrony płynące w kierunku ujemnym do dodatniego – uważaj, aby nie pomylić tego punktu!) pod warunkiem, że istnieje odpowiednia ścieżka między nimi. Gdy na przykład dwa zaciski akumulatora są połączone przewodem przewodzącym, prąd płynie swobodnie w pętli o minimalnej rezystancji.

Jeśli jednak nie ma ścieżek wysoce przewodzących łączących różnicę potencjałów, prąd i tak może płynąć w wynikuprzebicie dielektrycznejeśli napięcie jest wystarczająco wysokie – podobnie jak w przypadku awarii strukturalnej zapory spowodowanej bezprecedensową objętością w górnym zbiorniku.

• To dlatego piorun „uderza”; prąd „nie powinien” być w stanie płynąć w materiale dielektrycznym, takim jak powietrze, ale ogromne napięcia pioruna przytłaczają ten czynnik.

Prąd elektryczny, niczym woda spływająca po łagodnym, skalistym zboczu, zawsze stara się podążać ścieżką najmniejszego oporu. Jeśli jest utrudniony przez wiele różnych materiałów izolacyjnych, będzie chciał przepływać przez najmniej izolujący (czyli najlepiej przewodzący). Jeśli istnieje ścieżka przewodząca, zawsze wybierze tę ścieżkę ponad wszystko inne.

Powietrze jest izolatorem, a ludzkie ciało jest względnie przewodzące. Więc jeśli stoisz na polu podczas burzy z piorunami, jesteś narażony na wysokie ryzyko porażenia prądem.Piorunochronyzapewnić ścieżkę uziemienia, udowadniając łatwą,słaby opórcel dla uderzeń piorunów. Błyskawica wolałaby przepływać przez metal niż przez ciebie, więc jest to.

Ścieżka od piorunochronu do samej ziemi ma jedną zasadniczą cechę wszystkich ustawień uziemienia: brak objazdów po drodze! Elektryczność płynie prosto do samej Ziemi, ponieważ nie ma innych opcji. Dlatego „przewody” uziemiające nie muszą być pojedynczymi przewodami; mogą to być metalowe ramy,tak długo, jak droga na Ziemię jest całkowicie samowystarczalna, co oznacza, że ​​jest to prosty obwód.

• Jak już sugerowano, Ziemia może również służyć jako „dawca elektronów” w razie potrzeby ze względu na jej zdolność do rozpraszania ładunku – zarówno dodatni, jak i ujemny, w ogromnej objętości – i to nie tylko jako „akceptor elektronów”, jak w piorunochronie walizka.

Chociaż piorunochrony są niezbędne, nie są używane w każdej chwili każdego dnia, jak niezliczone obwody elektryczne w domach, biurach i zakładach produkcyjnych na całym świecie.

W obwodzie elektrycznym przewód uziemiający tworzy dodatkową ścieżkę dla prądu w przypadku zwarcia lub innej awarii. Zamiast szokować, gdy dotkniesz elementów obwodu, prąd będzie płynął przez bardziej przewodzący przewód uziemiający. Uziemienie nie tylko chroni Cię przed szokiem, ale także chroni Twój sprzęt przed przepięciami, które w przeciwnym razie również go „szokują”.

​Uwaga: samo wysokie napięcie nie szkodzi.Jednak duża różnica napięć sprawia, że ​​bardziej pożądane jest przeskakiwanie ładunku, co powoduje powstanie większego prądu. Pomyśl o tym, jak o stanie na krawędzi wysokiego klifu. To nie bycie na wysokim klifie jest problemem. Dzieje się tak, gdy zejdziesz, ponieważ skała pod stopami nie „izoluje” cię już od wpływu grawitacji i pozwala, by powietrze z łatwością „przewodziło” cię (miejmy nadzieję, że w siatkę bezpieczeństwa!).

W warunkach domowych uziemienie leczy zarówno „objaw”, jak i „choroba” w przypadku nieoczekiwanego nagromadzenia ładunków na powierzchniach urządzeń. Nie tylko pozwala nieuczciwym ładowaniom na natychmiastowe „jednokierunkowe” wyjście, dzięki czemu mogą rozproszyć się gdzie indziej, ale także zapobiega przedostawaniu się niechcianych ładunków poprzez przerwanie obwodu „w górę”.

Typowy nowoczesny wylot ma trzy otwory: dwie boczne szczeliny i prawie okrągły otwór pod spodem. Mniejsza pionowa szczelina jest przeznaczona na „gorący” przewód (lub dosłownie element wtykowy) dla prądu wejściowego; jego dłuższym partnerem jest przewód neutralny (wyjściowy). Okrągła wtyczka jest przewodem uziemiającym podłączonym bezpośrednio do wyjścia z obwodu, dzięki czemu niebezpieczne ładunki, które w przeciwnym razie płynęłyby po powierzchni urządzenia, mogą uciekać do ziemi. Ten przewód jest skonfigurowany tak, że powyżej danego poziomu prądu cały obwód jest przerywany i cały przychodzący prąd zatrzymuje się.

Uziemienie pozwala na bezpiecznestabilizacja napięciaw dużych obwodach i systemach. Stabilizator napięcia zapewnia, że ​​napięcie wejściowe, które po wejściu do kompleksu może się znacznie wahać wokół pożądanej wartości a wrażliwe obwody, takie jak mikroprocesor komputerowy, normalizuje się do ściśle ograniczonej wartości poprzez zwiększanie lub zmniejszanie V jako potrzebne.

Naelektroskopjest przewodnikiem, który wykorzystuje indukcję ładunku do sygnalizowania obecności ładunków zewnętrznych. Wykorzystuje to zasadę, że elektrony odpychają się nawzajem. Jeśli źródło elektronów, takie jak naładowany szklany pręt (przykład elektryczności statycznej; elektrony po prostu „siedzą” tam, ponieważ szkło izoluje) jest trzymany blisko boku przewodzącego (ale neutralnego!) elektroskopu, to „odpycha” elektrony w kuli tak daleko, jak mogą się udać. To jest do środka jednostki, gdzie metalowe "liście" są rozsuwane, aby zasygnalizować elektrony zgromadzone w pobliżu boku kuli na powierzchni końcówki pręta.

Ponieważ tak się dzieje, nagromadzenie elektronów wewnątrz musi być jakoś zrównoważone, ponieważ kula przewodzi. W konsekwencji ładunki dodatnie gromadzą się, jak można było przewidzieć, w pobliżu czubka pręta.

• Zastosowanie przewodu uziemiającego do obejścia izolacyjnej podstawy elektroskopu wyraźnie zmieniłoby ten obraz. W jaki sposób?