Заземление (физика): как оно работает и почему это важно?

Электричество - незаменимый фактор в современной жизни, и хотя человечество использует для его производства основные виды топлива. являются источником большой озабоченности, само электричество будет требоваться до тех пор, пока цивилизация в ее нынешнем виде сохраняется. В то же время среди первых фактов безопасности, которым учат практически каждого ребенка, является то, что электричество является или может быть чрезвычайно опасным.

Кроме того, электричество, которое люди вырабатывают и поэтому могут в значительной степени контролировать, - это только часть истории. Явление молнии знакомо и очень маленьким детям, и одновременно оно вызывает трепет и беспокойство даже у взрослых. Но его «удары» на уровне Земли почти столь же непредсказуемы, сколь и потенциально смертельны, и внимательно посмотрите на надстройки к зданиям и другим сооружениям по всему миру подчеркивают безотлагательность этой безопасности рассмотрение.

​Электрическое заземление, также называемыйзаземление, обеспечивает путь для прохождения тока в землю и рассеивания избыточного электрического заряда вместо накопления и создания потенциальной опасности. Это работает, потому что Земля, будучи электрически нейтральной, но при этом огромной, может как принимать, так и обеспечивать большие количество электронов (по стандартам человеческой промышленности) без заметных изменений этого «нулевого напряжения» государственный.

​Электрический зарядв физике измеряется вкулоны. Элементарный (неделимый) заряд - это заряд одного электрона (е-) или протона с величиной 1,60 10^-19 C и отрицательный знак для электронов. Разделение противоположно заряженных частиц создаетНапряжение, или разность электрических потенциалов, которая измеряется в джоулях на кулон (Дж / Кл) и побуждает электроны течь в направлении чистого положительного заряда, движение, называемоеэлектрический ток​.

• Электроны «хотят» течь к положительному выводу или другой области чистого положительного напряжения по той же важной причине. вода «хочет» течь вниз: разность потенциалов, но устанавливается электрической силой, а не силой сила тяжести.

Этот поток электронов, измеряемый в Кл / с илиамперы(«амперы»), возникает только в том случае, если путь между источниками напряжениядирижери легко пропускает ток, как и большинство металлов. Непроводящие материалы называютсяизоляторы, а это пластик, дерево и резина (обилие изоляторов среди повседневных товаров - это однозначно хорошо). В предыдущей аналогии плотина, сдерживающая естественный поток речного течения, похожа на изолятор илидиэлектрик​.

Все материалы, даже хорошие проводники, имеют электрическиесопротивление, обозначенныйри измеряется в омах (Ом). Эта величина позволяет установить формальную взаимосвязь между напряжением и током, называемуюЗакон Ома​:

Электрический ток определяется как протекающий от более высокого потенциала к более низкому потенциалу (который являетсятот же результатпоскольку электроны текут в отрицательном направлении положительно - будьте осторожны, чтобы не перепутать этот момент!) при условии, что существует подходящий путь между ними. Например, когда две клеммы батареи соединены проводом, ток свободно течет по петле с минимальным сопротивлением.

Однако, если нет высокопроводящих путей, соединяющих разность потенциалов, ток все равно может течь в результатепробой диэлектрикаесли напряжение достаточно высокое - очень похоже на то, что произошло бы при разрушении конструкции плотины, вызванном беспрецедентным объемом в верхнем резервуаре.

• Вот почему «ударяет» молния; ток «не должен» протекать в диэлектрическом материале, таком как воздух, но сильное напряжение молнии подавляет этот фактор.

Электрический ток, как вода, спускающаяся по пологому каменистому склону, всегда пытается выбрать путь наименьшего сопротивления. Если этому препятствует ряд различных изоляционных материалов, он захочет протекать через наименее изолирующий (то есть наиболее проводящий) материал. Если существует проводящий путь, он всегда будет выбирать этот путь среди всех остальных.

Воздух - изолятор, а человеческое тело относительно проводящее. Поэтому, если вы стоите в поле во время грозы, вы подвергаетесь высокому риску поражения электрическим током.Громоотводыобеспечить путь заземления, доказав легкий,низкое сопротивлениемишень для ударов молнии. Молния скорее протечет сквозь металл, чем через вас, так что вот оно.

Путь от громоотвода в землю сам по себе имеет одну важную особенность всех схем заземления: на этом пути нет объездных путей! Электричество течет прямо в саму Землю, потому что у нее нет других вариантов. Вот почему «провода» заземления не обязательно должны быть одиночными; это могут быть металлические рамы,пока путь к Земле полностью автономен, то есть это простая схема.

• Как уже говорилось, Земля также может служить «донором электронов» по ​​мере необходимости из-за своей способности рассеивать заряд. - как положительный, так и отрицательный, в огромном объеме - и не только как «акцептор электронов», как в громоотводе дело.

Хотя громоотводы жизненно важны, они не используются каждый день, как бесчисленные электрические цепи в домах, офисах и производственных предприятиях по всему миру.

В электрической цепи заземляющий провод создает дополнительный путь для тока в случае короткого замыкания или другой неисправности. Вместо того, чтобы поражать вас током при прикосновении к компонентам схемы, ток будет проходить через более проводящий заземляющий провод. Заземление не только предохраняет вас от поражения электрическим током, но и защищает ваше оборудование от скачков тока, которые в противном случае могли бы «шокировать» его.

​Примечание. Высокое напряжение само по себе не вредит.Однако большая разница напряжений делает более желательным скачок заряда и при этом создает больший ток. Думайте об этом, как о том, чтобы стоять на краю высокой скалы. Проблема не в том, чтобы оказаться на высокой скале. Это то, что происходит после того, как вы сойдете с места в результате того, что скала под ногами больше не «изолирует» вас от влияния гравитации и позволяет воздуху легко «вести» вас (надеюсь, в защитную сетку!).

В домашних условиях заземление лечит как «симптом», так и «болезнь» в случае непредвиденного накопления зарядов на поверхности приборов. Это не только позволяет несанкционированным зарядам мгновенно выйти в одном направлении, чтобы они могли рассредоточиться в другом месте, но также предотвращает проникновение дополнительных нежелательных зарядов, прерывая цепь «вверх по потоку».

Типичная современная розетка имеет три отверстия: две боковые щели и почти круглое отверстие внизу. Меньшая вертикальная щель предназначена для «горячего» провода (или буквально компонента вилки) для входящего тока; его более длинный партнер предназначен для нейтрального (выходного) провода. Круглая вилка - это заземляющий провод, подключенный прямо к выходу из цепи, поэтому опасные заряды, которые в противном случае текли бы по поверхности устройства, могут улететь на землю. Этот провод настроен таким образом, что выше заданного уровня тока вся цепь разрывается, и весь входящий ток прекращается.

Заземление позволяет безопасностабилизация напряженияв больших схемах и системах. Стабилизатор напряжения гарантирует, что входящее напряжение, которое на самом деле может значительно колебаться вокруг желаемого значения внутри комплекса. и чувствительные схемы, такие как компьютерный микропроцессор, нормализуются до строго ограниченного значения путем увеличения или уменьшения V как нужный.

Anэлектроскоппредставляет собой проводник, который использует индукцию заряда, чтобы сигнализировать о наличии внешних зарядов. При этом используется принцип, согласно которому электроны отталкиваются друг от друга. Если источник электронов, например заряженный стеклянный стержень (пример статического электричества; электроны просто «сидят» там, потому что стекло является изолирующим) удерживается близко к стороне проводящего (но нейтрального!) электроскопа, это «отталкивает» электроны в шаре настолько далеко, насколько они могут. Он находится в центре устройства, где металлические «листы» раздвигаются, чтобы сигнализировать об электронах, собранных около стороны шара на поверхности кончика стержня.

Когда это происходит, скопление электронов внутри должно каким-то образом уравновешиваться, поскольку сфера является проводящей. Как следствие, положительные заряды собираются, как и следовало ожидать, возле кончика стержня.

• Применение заземляющего провода вокруг изолирующего основания электроскопа явно изменило бы эту картину. Как?