Uzemnenie (fyzika): Ako to funguje a prečo je to dôležité?

Elektrická energia je v modernom živote nepostrádateľným faktorom, aj keď na jej výrobu sa používa veľké množstvo palív sú zdrojom veľkého znepokojenia, samotná elektrina bude potrebná tak dlho, ako bude existovať civilizácia v súčasnej podobe pretrváva. Medzi prvými faktami o bezpečnosti, ktoré sa prakticky každé dieťa učí, je zároveň to, že elektrina je alebo môže byť mimoriadne nebezpečná.

Okrem toho je elektrina, ktorú ľudia vytvárajú, a ktorú preto môže do značnej miery ovládať, iba časťou príbehu. Fenomén blesku poznajú aj veľmi malé deti a súčasne je zdrojom úžasu a starostí aj pre dospelých. Ale jeho „štrajky“ na úrovni Zeme sú takmer rovnako nepredvídateľné, ako potenciálne smrteľné doplnky budov a ďalších štruktúr na celom svete podčiarkujú naliehavosť tejto bezpečnosti ohľaduplnosť.

​Elektrické uzemnenie, tiež nazývanýuzemnenie, poskytuje cestu pre tok prúdu do zeme a prebytok elektrického náboja, ktorý sa rozptýli namiesto vytvárania a vytvárania potenciálneho nebezpečenstva. Funguje to preto, lebo Zem, ktorá je elektricky neutrálna, ale zároveň obrovská, dokáže prijať aj poskytnúť veľkú počet elektrónov (podľa štandardov ľudského priemyslu) bez znateľných zmien tohto „nulového napätia“ štát.

​Nabíjačkavo fyzike sa meria vcoulombs. Elementárny (nedeliteľný) náboj je taký, že na jednom elektróne (e-) alebo protóne s veľkosťou 1,60 10^-19 C a dostal záporné znamienko pre elektróny. Oddelením opačne nabitých častíc vzniká aNapätiealebo rozdiel elektrického potenciálu, ktorý sa meria v jouloch na coulomb (J / C) a indukuje tok elektrónov v smere čistého kladného náboja, čo je pohyb tzv.elektrický prúd​.

• Elektróny „chcú“ z rovnakého základného dôvodu prúdiť smerom ku kladnému pólu alebo inej oblasti čistého kladného napätia voda "chce" prúdiť z kopca: potenciálny rozdiel, ale je stanovený elektrickou silou namiesto sily gravitácia.

Tento tok elektrónov meraný v C / s aleboampéry("zosilňovače"), nastáva iba vtedy, ak je cesta medzi zdrojmi napätia avodiča ľahko umožňuje tok prúdu, ako väčšina kovov. Nevodivé materiály sa nazývajúizolátorya zahŕňajú plast, drevo a gumu (množstvo izolátorov medzi výrobkami každodennej spotreby je jednoznačne dobrá vec). V predchádzajúcej analógii je hrádza zadržiavajúca prirodzený tok riečneho prúdu ako izolátor, alebodielektrikum​.

Všetky materiály, dokonca aj dobré vodiče, majú určité elektrické vlastnostiodpor, označenéRa meria sa v ohmoch (Ω). Táto veličina umožňuje formálny vzťah medzi prúdom napätia a prúdu, tzvOhmov zákon​:

Elektrický prúd je definovaný ako tok z vyššieho potenciálu na nižší potenciál (čo jerovnaký výsledokako elektróny prúdiace v negatívnom smere na pozitívny - dávajte pozor, aby ste nezamieňali tento bod!) za predpokladu, že medzi nimi existuje vhodná cesta. Keď sú dve svorky batérie spojené napríklad vodivým drôtom, prúd tečie voľne v slučke s minimálnym odporom.

Ak však neexistujú žiadne vysoko vodivé cesty spájajúce rozdiel potenciálov, môže v dôsledku toho pretekať prúddielektrický rozpadak je napätie dostatočne vysoké - podobne ako by to mohlo nastať pri štrukturálnej poruche hrádze spôsobenej nebývalým objemom v nádrži proti prúdu.

• To je dôvod, prečo blesk „udrie“; prúd „by nemal“ byť schopný prúdiť v dielektrickom materiáli, ako je vzduch, ale obrovské napätie blesku tento faktor premáha.

Elektrický prúd, podobne ako voda, ktorá si razí cestu po miernom kamenistom svahu, sa vždy snaží ísť cestou najmenšieho odporu. Ak mu bráni množstvo rôznych izolačných materiálov, bude chcieť pretekať cez najmenej izolačný (t. J. Najvodivejší). Ak existuje vodivá cesta, vždy si túto cestu vyberie.

Vzduch je izolátor a ľudské telo je pomerne vodivé. Pokiaľ teda počas bleskovej búrky vyniknete v poli, hrozí vám vysoké riziko zásahu elektrickým prúdom.Hromozvodyposkytnúť uzemňovaciu cestu dokázaním ľahkej,nízky odporcieľ pre zásah bleskom. Blesk bude radšej prúdiť cez kov ako cez vás, takže je to tak.

Samotná cesta od bleskozvodu do zeme má jednu podstatnú vlastnosť všetkých nastavení uzemnenia: Žiadne obchádzky po ceste! Elektrina prúdi priamo do Zeme samotnej, pretože nemá iné možnosti. To je dôvod, prečo uzemňovacie „vodiče“ nemusia byť jednotlivé vodiče; môžu to byť kovové rámy,pokiaľ je cesta na Zem úplne samostatná, čo znamená, že ide o jednoduchý obvod.

• Ako už bolo navrhnuté, Zem môže podľa potreby slúžiť aj ako „donor elektrónov“ kvôli svojej schopnosti rozptýliť náboj - kladné aj záporné, pri obrovskom objeme - a to nielen ako „akceptor elektrónov“ ako v bleskozvode prípade.

Aj keď sú bleskozvody nevyhnutné, nepoužívajú sa každý deň, ako napríklad nespočetné elektrické obvody v domácnostiach, kanceláriách a výrobných závodoch po celom svete.

V elektrickom obvode vytvára uzemňovací vodič dodatočnú cestu pre prúd v prípade skratu alebo inej poruchy. Namiesto toho, aby vás šokoval, keď sa dotknete komponentov obvodu, bude namiesto toho prúdiť vodivejší uzemňovací vodič. Uzemnenie vás nielen ochráni pred šokom, ale tiež ochráni vaše zariadenie pred prúdovými rázmi, ktoré by ho inak „šokovali“ tiež.

​Poznámka: Samotné vysoké napätie nepoškodzuje.Veľký rozdiel napätia však spôsobuje, že je žiaduce, aby náboj skočil, a tým vytvára väčší prúd. Popremýšľajte o tom, akoby ste stáli na okraji vysokého útesu. To nie je problém na vysokom útese. To sa stane po tom, ako vystúpite v dôsledku toho, že vás kameň pod nohami už „neizoluje“ od vplyvu gravitácie a nedovolí, aby vás vzduch ľahko „preniesol“ (dúfajme do záchrannej siete!).

V prostredí domácnosti uzemnenie ošetruje „príznak“ aj „chorobu“ v prípade neočakávaného hromadenia nábojov na povrchoch prístrojov. Umožňuje to nielen okamžitým "jednosmerným" výstupom nečestných nábojov, aby sa mohli rozptýliť inde, ale taktiež zabraňuje vstupu ďalších nežiaducich nábojov prerušením okruhu "proti prúdu".

Typický moderný vývod má tri otvory: dva štrbiny vedľa seba a takmer okrúhly otvor pod ním. Menšia vertikálna štrbina je pre „horúci“ drôt (alebo doslova zástrčkový komponent) pre prichádzajúci prúd; jeho dlhší partner je pre neutrálny (výstupný) vodič. Kruhová zástrčka je uzemňovací vodič pripojený priamo k výstupu z okruhu, takže nebezpečné náboje, ktoré by inak mohli tiecť po povrchu prístroja, môžu uniknúť k zemi. Tento vodič je nastavený tak, aby nad danou úrovňou prúdu došlo k prerušeniu celého obvodu a zastaveniu všetkých prichádzajúcich prúdov.

Uzemnenie umožňuje bezpečné použitiestabilizácia napätiavo veľkých obvodoch a systémoch. Stabilizátor napätia zaisťuje, že prichádzajúce napätie, ktoré môže skutočne vnútri komplexu značne kolísať okolo požadovanej hodnoty a citlivé obvody, ako je počítačový mikroprocesor, sa normalizuje na pevne obmedzenú hodnotu zvýšením alebo znížením V potrebné.

Anelektroskopje vodič, ktorý pomocou indukcie náboja signalizuje prítomnosť externých nábojov. Používa sa princíp, že elektróny sa navzájom odpudzujú. Ak je zdrojom elektrónov napríklad nabitá sklenená tyčinka (príklad statickej elektriny; elektróny tam len „sedia“, pretože sklo je izolačné) drží sa blízko bočnej strany vodivého (ale neutrálneho!) elektroskopu, čím sa „tlačia“ elektróny v guli čo najďalej. Toto je do stredu jednotky, kde sú kovové „listy“ tlačené od seba, aby signalizovali elektróny zhromaždené v blízkosti bočnej časti gule na povrchu hrotu tyče.

Keď sa to stane, hromadenie elektrónov vo vnútri musí byť nejako vyvážené, pretože guľa vedie. V dôsledku toho sa kladné náboje zhromažďujú, ako by ste mohli predpokladať, blízko hrotu tyče.

• Aplikácia uzemňovacieho drôtu na obídenie izolačnej základne elektroskopu by tento obraz jednoznačne zmenila. Ako?