Împământare (fizică): Cum funcționează și de ce este important?

Electricitatea este un factor indispensabil în viața modernă și, deși principalele tipuri de combustibili pe care omenirea le folosește pentru a o produce sunt o sursă de mare îngrijorare, electricitatea însăși va fi necesară atâta timp cât civilizația în forma sa actuală persistă. În același timp, printre primele fapte de siguranță, practic fiecare copil este învățat este că electricitatea este sau poate fi extrem de periculoasă.

Mai mult, electricitatea pe care oamenii o generează și, prin urmare, o poate controla în mare măsură este doar o parte a poveștii de aici. Fenomenul fulgerului este, de asemenea, familiar copiilor foarte mici și este simultan o sursă de temere și îngrijorare chiar și pentru adulți. Dar „loviturile” sale la nivelul Pământului sunt aproape la fel de imprevizibile pe cât de potențial mortale și o privire atentă suplimentele la clădiri și alte structuri din întreaga lume subliniază urgența acestei siguranțe considerare.

​Împământare electrică, numit siîmpământare, oferă o cale pentru curentul să curgă în sol și excesul de sarcină electrică să se disperseze în loc să se acumuleze și să creeze un potențial pericol. Acest lucru funcționează deoarece Pământul, fiind neutru din punct de vedere electric, dar și enorm, poate accepta și furniza mari număr de electroni (conform standardelor din industria umană) fără modificări vizibile ale acestei „tensiuni zero” stat.

​Incarcare electricaîn fizică se măsoară înculombi. Sarcina elementară (indivizibilă) este cea pe un singur electron (e-) sau proton, cu magnitudinea de 1,60 10^-19 C și dat un semn negativ pentru electroni. Separarea particulelor încărcate opus creează oVoltaj, sau diferența de potențial electric, care este măsurată în jouli per coulomb (J / C) și induce electronii să curgă în direcția unei sarcini nete pozitive, o mișcare numităcurent electric​.

• Electronii „vor” să curgă către un terminal pozitiv sau altă zonă de tensiune pozitivă netă din același motiv esențial apa „vrea” să curgă în jos: o diferență de potențial, dar stabilită de forța electrică în locul forței de gravitatie.

Acest flux de electroni, măsurat în C / s sauamperi("amperi"), apare numai dacă calea dintre sursele de tensiune este aconductorși permite cu ușurință fluxul de curent, ca majoritatea metalelor. Se numesc materiale neconductoareizolatoriși includ plastic, lemn și cauciuc (o abundență de izolatori printre produsele de zi cu zi este clar un lucru bun). În analogia anterioară, un baraj care reține fluxul natural al curentului râului este ca un izolator saudielectric​.

Toate materialele, chiar și conductoare bune, au unele electricerezistenţă, notatRși măsurată în ohmi (Ω). Această cantitate permite o relație formală între tensiune și curent, numităLegea lui Ohm​:

Curentul electric este definit ca fluxul de la un potențial mai mare la un potențial mai mic (care esteacelași rezultatca electroni care curg într-o direcție negativă-pozitivă - aveți grijă să nu confundați acest punct!) cu condiția să existe o cale adecvată între cei doi. Când cele două terminale ale unei baterii sunt conectate printr-un fir conductor, de exemplu, curentul circulă liber într-o buclă cu rezistență minimă.

Cu toate acestea, dacă nu există căi extrem de conductive care să conecteze o diferență de potențial, curentul poate circula oricum ca urmare adefecțiune dielectricădacă tensiunea este suficient de mare - la fel ca ceea ce s-ar întâmpla cu defectarea structurală a unui baraj provocat de un volum fără precedent în rezervorul din amonte.

• Iată de ce fulgerul „lovește”; curentul „nu ar trebui” să poată circula într-un material dielectric precum aerul, dar tensiunile masive ale trăsnetului copleșesc acest factor.

Curentul electric, precum apa care își face drum pe o pantă blândă, stâncoasă, încearcă întotdeauna să ia calea celei mai puțin rezistente. Dacă este împiedicat de un număr de materiale izolante diferite, va dori să curgă prin cel mai puțin izolant (adică cel mai conducător). Dacă există o cale conductivă, aceasta va alege întotdeauna acea cale peste toate celelalte.

Aerul este un izolator, iar corpul uman este relativ conductiv. Deci, dacă vă remarcați pe câmp în timpul unei furtuni cu fulgere, aveți un risc ridicat de electrocutare.Paratrăsneteleoferiți o cale de împământare dovedind o ușurință,cu rezistență redusățintă pentru fulgere. Fulgerele ar curge mai degrabă prin metal decât prin tine, așa că există asta.

Calea de la paratrăsnet în pământ are o caracteristică esențială a tuturor amenajărilor de împământare: nu există ocoluri pe parcurs! Electricitatea curge chiar în Pământ, deoarece nu are alte opțiuni. Acesta este motivul pentru care „firele” împământate nu trebuie să fie fire simple; pot fi rame metalice,atâta timp cât calea către Pământ este complet autonomă, adică este un circuit simplu.

• După cum sa sugerat deja, Pământul poate servi și ca „donator de electroni”, după cum este necesar, datorită capacității sale de a dispersa sarcina - pozitiv și negativ, peste un volum imens - și nu doar ca „acceptor de electroni” ca în paratrăsnet caz.

Deși paratrăsnetele sunt vitale, ele nu sunt folosite în fiecare moment al zilei, ca nenumărate circuite electrice în case, birouri și fabrici din întreaga lume.

Într-un circuit electric, un fir de împământare creează o cale suplimentară pentru curent în cazul unei scurte sau alte defecțiuni. În loc să vă șocheze atunci când atingeți componentele circuitului, curentul va curge în schimb prin firul de împământare mai conductiv. Împământarea nu numai că vă împiedică să fiți șocați, dar vă menține și echipamentul în siguranță împotriva supratensiunilor actuale care altfel l-ar „șoca”.

​Notă: Înalta tensiune în sine nu dăunează.Cu toate acestea, o diferență mare de tensiune face mai de dorit ca sarcina să sară și, făcând acest lucru, creează un curent mai mare. Gândiți-vă la asta ca la o stâncă înaltă pe margine. Problema nu se află pe faleza înaltă. Este ceea ce se întâmplă după ce ați ieșit ca urmare a faptului că stânca de sub picioare nu vă mai „izolează” de influența gravitației și permite aerului să vă „conducă” cu ușurință (sperăm într-o plasă de siguranță!).

În medii casnice, legarea la pământ tratează atât „simptomul”, cât și „boala” în cazul unei acumulări neprevăzute de încărcături pe suprafețele aparatelor. Nu numai că permite ticăloșilor să încaseze o ieșire imediată „unidirecțională”, astfel încât să se poată dispersa în altă parte, dar previne și intrarea mai multor sarcini nedorite prin întreruperea circuitului „în amonte”.

O priză modernă tipică are trei găuri: două fante laterale și o deschidere aproape rotundă dedesubt. Fanta verticală mai mică este pentru firul „fierbinte” (sau literalmente, componentă mufă) pentru curentul de intrare; partenerul său mai lung este pentru firul neutru (de ieșire). Mufa rotundă este un fir de împământare conectat direct la o ieșire din circuit, astfel încât încărcăturile periculoase care altfel ar curge de-a lungul suprafeței unui aparat pot fugi spre sol. Acest fir este configurat astfel încât, deasupra unui anumit nivel de curent, întregul circuit să fie rupt și tot curentul de intrare să se oprească.

Împământarea permite siguranțastabilizarea tensiuniiîn circuite și sisteme mari. Un stabilizator de tensiune asigură tensiunea de intrare, care poate fluctua considerabil în jurul valorii dorite odată ce se află în interiorul complexului și circuite sensibile, cum ar fi un microprocesor de computer, este normalizat la o valoare strâns constrânsă prin creșterea sau scăderea V ca Necesar.

Unelectroscopeste un conductor care folosește inducția sarcinii pentru a semnaliza prezența sarcinilor externe. Aceasta folosește principiul conform căruia electronii se resping reciproc. Dacă o sursă de electroni, cum ar fi o tijă de sticlă încărcată (un exemplu de electricitate statică; electronii „stau” acolo, deoarece sticla este izolantă) este ținut aproape de partea electroscopului conducător (dar neutru!), acest lucru „împinge” electronii din minge cât mai departe. Aceasta se află în centrul unității, unde „frunzele” metalice sunt împinse pentru a semnaliza electronii adunați lângă partea mingii pe suprafața vârfului tijei.

Pe măsură ce se întâmplă acest lucru, acumularea de electroni în interior trebuie echilibrată într-un fel, deoarece sfera conduce. În consecință, încărcăturile pozitive se colectează, după cum ați putea prezice, în apropierea vârfului tijei.

• Aplicarea unui fir de împământare pentru a obține în jurul bazei izolatoare a electroscopului ar schimba în mod clar această imagine. Cum?