Grounding (Physics): Como funciona e por que é importante?

A eletricidade é um fator indispensável na vida moderna e, embora os principais tipos de combustíveis que a humanidade usa para produzi-la são uma fonte de grande preocupação, a própria eletricidade será necessária enquanto a civilização em sua forma atual persiste. Ao mesmo tempo, um dos primeiros fatos de segurança que praticamente todas as crianças aprendem é que a eletricidade é, ou pode ser, extremamente perigosa.

Além disso, a eletricidade que os humanos geram e, portanto, podem controlar em grande medida, é apenas parte da história aqui. O fenômeno dos raios também é conhecido por crianças muito pequenas e é, ao mesmo tempo, uma fonte de admiração e preocupação até mesmo para os adultos. Mas seus "ataques" no nível da Terra são quase tão imprevisíveis quanto potencialmente mortais, e um olhar mais atento os add-ons para edifícios e outras estruturas em todo o mundo ressaltam a urgência desta segurança consideração.

​Aterramento elétrico, também chamadoaterramento, fornece um caminho para que a corrente flua para o solo e o excesso de carga elétrica se disperse em vez de se acumular e criar um perigo potencial. Isso funciona porque a Terra, sendo eletricamente neutra, mas também enorme, pode aceitar e fornecer grandes número de elétrons (pelos padrões da indústria humana) sem mudanças perceptíveis nesta "voltagem zero" Estado.

​Carga elétricana física é medido emcoulombs. A carga elementar (indivisível) é aquela de um único elétron (e-) ou próton, com magnitude de 1,60 10^-19 C e dado um sinal negativo para elétrons. A separação de partículas com carga oposta cria umVoltagem, ou diferença de potencial elétrico, que é medida em joules por coulomb (J / C) e induz os elétrons a fluir na direção de uma carga positiva líquida, um movimento denominadocorrente elétrica​.

• Os elétrons "querem" fluir em direção a um terminal positivo ou outra área de tensão positiva líquida pela mesma razão essencial a água "quer" fluir morro abaixo: uma diferença de potencial, mas estabelecida pela força elétrica em vez da força de gravidade.

Este fluxo de elétrons, medido em C / s ouamperes("amperes"), só ocorre se o caminho entre as fontes de tensão for umcondutore permite prontamente o fluxo de corrente, como a maioria dos metais. Os materiais não condutores são chamadosisoladores, e eles incluem plástico, madeira e borracha (uma abundância de isolantes entre os produtos de uso diário é claramente uma coisa boa). Na analogia anterior, uma barragem que retém o fluxo natural da corrente do rio é como um isolante, oudielétrico​.

Todos os materiais, mesmo bons condutores, possuem alguns componentes elétricosresistência, denotadoRe medido em ohms (Ω). Esta quantidade permite uma relação formal entre tensão e fluxo de corrente, chamadaLei de ohm​:

A corrente elétrica é definida como fluindo de um potencial mais alto para um potencial mais baixo (que é omesmo resultadocomo elétrons fluindo em uma direção negativa para positiva - tome cuidado para não confundir este ponto!), desde que exista um caminho adequado entre os dois. Quando os dois terminais de uma bateria são conectados por um fio condutor, por exemplo, a corrente flui livremente em um loop com resistência mínima.

No entanto, se não houver caminhos altamente condutores conectando uma diferença de potencial, a corrente pode fluir de qualquer maneira como resultado dequebra dielétricase a tensão for alta o suficiente - muito parecido com o que ocorreria com a falha estrutural de uma barragem causada por um volume sem precedentes no reservatório a montante.

• É por isso que o relâmpago "atinge"; a corrente "não deveria" ser capaz de fluir em um material dielétrico como o ar, mas as tensões maciças dos raios superam esse fator.

A corrente elétrica, como a água descendo uma inclinação suave e rochosa, sempre tenta seguir o caminho de menor resistência. Se for impedido por vários materiais isolantes diferentes, ele desejará fluir através do menos isolante (isto é, mais condutor). Se existir um caminho condutor, ele sempre escolherá esse caminho acima de tudo o mais.

O ar é um isolante e o corpo humano é relativamente condutor. Portanto, se você se destacar em um campo durante uma tempestade com relâmpagos, corre um grande risco de choque elétrico.Pára-raiosfornecem um caminho de aterramento, provando um fácil,baixa resistênciaalvo para relâmpagos. O relâmpago prefere fluir através do metal do que através de você, então é isso.

O caminho do pára-raios até o solo tem uma característica essencial de todas as configurações de aterramento: sem desvios ao longo do caminho! A eletricidade flui direto para a própria Terra porque ela não tem outras opções. É por isso que os "fios" de aterramento não precisam ser fios simples; podem ser armações de metal,contanto que o caminho para a Terra seja completamente independente, o que significa que é um circuito simples.

• Como já foi sugerido, a Terra também pode servir como um "doador de elétrons" conforme necessário devido à sua capacidade de dispersar carga - tanto positivo quanto negativo, em um grande volume - e não apenas como um "aceitador de elétrons" como no pára-raios caso.

Embora os pára-raios sejam vitais, eles não são colocados em uso todos os momentos do dia, como inúmeros circuitos elétricos em residências, escritórios e fábricas em todo o mundo.

Em um circuito elétrico, um fio de aterramento cria um caminho adicional para a corrente no caso de um curto ou outro mau funcionamento. Em vez de causar um choque ao tocar nos componentes do circuito, a corrente fluirá através do fio de aterramento mais condutivo. O aterramento não apenas evita que você receba choques, mas também mantém seu equipamento protegido contra picos de corrente que, de outra forma, também o "chocariam".

​Nota: a alta tensão em si não causa danos.No entanto, uma grande diferença de tensão torna mais desejável que a carga salte e, ao fazer isso, cria uma corrente maior. Pense nisso como estar na beira de um penhasco alto. Não é estar no alto penhasco que é o problema. É o que acontece depois que você pisa, porque a rocha sob os pés não está mais "isolando" você da influência da gravidade e permitindo que o ar o "conduza" prontamente (espero que entre em uma rede de segurança!).

Em ambientes domésticos, o aterramento trata tanto o "sintoma" quanto a "doença" no caso de um acúmulo imprevisto de cargas nas superfícies dos aparelhos. Ele não apenas permite que as cargas invasoras uma saída "unidirecional" imediata para que possam se dispersar em outro lugar, mas também evita a entrada de mais cargas indesejadas interrompendo o circuito "a montante".

Uma tomada moderna típica tem três orifícios: duas fendas lado a lado e uma abertura quase redonda abaixo. A fenda vertical menor é para o fio "quente" (ou literalmente, componente do plugue) para a corrente de entrada; seu parceiro mais longo é para o fio neutro (saída). O plugue redondo é um fio terra conectado diretamente a uma saída do circuito, de modo que cargas perigosas que, de outra forma, fluiriam ao longo da superfície de um eletrodoméstico podem escapar para o solo. Este fio é configurado para que, acima de um determinado nível de corrente, todo o circuito seja interrompido e toda a corrente de entrada seja interrompida.

O aterramento permite segurançaestabilização de tensãoem grandes circuitos e sistemas. Um estabilizador de tensão garante que a tensão de entrada, que pode realmente flutuar consideravelmente em torno de seu valor desejado, uma vez dentro do complexo e circuitos sensíveis, como um microprocessador de computador, é normalizado para um valor fortemente restrito aumentando ou diminuindo V conforme necessário.

Aeletroscópioé um condutor que usa indução de carga para sinalizar a presença de cargas externas. Isso usa o princípio de que os elétrons se repelem. Se uma fonte de elétrons, como uma haste de vidro carregada (um exemplo de eletricidade estática; elétrons simplesmente "ficam" lá porque o vidro é isolante) são mantidos próximos ao lado do eletroscópio condutor (mas neutro!), isso "empurra" os elétrons na bola o mais longe possível. Este é o centro da unidade, onde "folhas" de metal são afastadas para sinalizar os elétrons reunidos próximo à lateral da bola na superfície da ponta da haste.

Quando isso acontece, o acúmulo de elétrons internos precisa ser equilibrado de alguma forma, uma vez que a esfera está conduzindo. Como consequência, as cargas positivas se acumulam, como você pode prever, perto da ponta da haste.

• A aplicação de um fio de aterramento para contornar a base isolante do eletroscópio mudaria claramente este quadro. Como?