Jordning (fysik): Hur fungerar det och varför är det viktigt?

Elektricitet är en oumbärlig faktor i det moderna livet, och även om de viktigaste bränslen använder mänskligheten för att producera den är en källa till stor oro, el i sig kommer att krävas så länge civilisationen i sin nuvarande form kvarstår. Samtidigt lär sig praktiskt taget alla barn att el är eller kan vara extremt farligt bland de första säkerhetsfakta.

Dessutom är den elektricitet som människor genererar och därför kan kontrollera i stor utsträckning bara en del av berättelsen här. Fenomenet blixt är också bekant för mycket små barn, och det är samtidigt en källa till vördnad och oro även för vuxna. Men dess "strejker" på jordnivå är nästan lika oförutsägbara som de är potentiellt dödliga, och en närmare titt på tilläggen till byggnader och andra strukturer runt om i världen understryker hur brådskande denna säkerhet är hänsyn.

​Elektrisk jordning, även kalladjordning, ger en väg för ström att strömma i marken och överskott av elektrisk laddning för att spridas istället för att byggas upp och skapa en potentiell fara. Detta fungerar för att jorden, som är elektriskt neutral men också enorm, både kan acceptera och ge stora antal elektroner (enligt mänskliga industristandarder) utan märkbara förändringar av denna "nollspänning" stat.

​Elektrisk laddningi fysik mäts icoulombs. Den elementära (odelbara) laddningen är den på en enskild elektron (e-) eller proton, med storleken 1,60 10^-19 C och fick ett negativt tecken för elektroner. Separationen av motsatt laddade partiklar skapar enSpänning, eller elektrisk potentialskillnad, som mäts i joule per coulomb (J / C) och får elektroner att strömma i riktning mot en positiv nettoladdning, en rörelse som kallaselektrisk ström​.

• Elektroner "vill" strömma mot en positiv terminal eller ett annat område med positiv nettospänning av samma väsentliga skäl vatten "vill" strömma nedförsbacke: en potentialskillnad, men etablerad av den elektriska kraften istället för kraften av allvar.

Detta flöde av elektroner, mätt i C / s ellerampere("förstärkare"), inträffar endast om vägen mellan spänningskällorna är adirigentoch medger lätt strömflöde, som de flesta metaller. Icke-ledande material kallasisolatorer, och de inkluderar plast, trä och gummi (ett överflöd av isolatorer bland vardagsprodukter är helt klart en bra sak). I den tidigare analogin är en damm som håller tillbaka det naturliga flödet av flödesström som en isolator, ellerdielektrisk​.

Alla material, även bra ledare, har en del elektriskamotstånd, betecknadRoch uppmätt i ohm (Ω). Denna kvantitet möjliggör ett formellt samband mellan spänning och strömflöde, kallatOhms lag​:

Elektrisk ström definieras som att strömma från högre potential till lägre potential (vilket ärsamma resultatsom elektroner som flyter i en negativ till positiv riktning - var försiktig så att du inte förväxlar denna punkt!) förutsatt att det finns en lämplig väg mellan de två. När de två polerna på ett batteri är anslutna med en ledningstråd, till exempel, strömmar strömmen fritt i en slinga med minimalt motstånd.

Men om det inte finns några mycket ledande vägar som förbinder en potentialskillnad kan ström strömma ändå som ett resultat avdielektrisk nedbrytningom spänningen är tillräckligt hög - ungefär som vad som skulle inträffa med strukturfel hos en damm orsakad av enastående volym i uppströmsbehållaren.

• Det är därför blixten "slår"; ström "borde" inte kunna flöda i ett dielektriskt material som luft, men de massiva blixtens spänningar överväger denna faktor.

Elektrisk ström, som vatten som går ner i en mild, stenig lutning, försöker alltid att ta vägen för minst motstånd. Om det hindras av ett antal olika isolerande material, vill det flöda genom det minst isolerande (dvs. det mest ledande) materialet. Om det finns en ledande väg kommer den alltid att välja den vägen framför allt annat.

Luft är en isolator och människokroppen är relativt ledande. Så om du sticker ut i ett fält under åskväder har du hög risk för elchock.Blixtstängerge en jordning genom att bevisa en enkel,låg motståndskraftmål för blixtnedslag. Blixten skulle hellre flöda genom metall än genom dig, så det finns det.

Vägen från blixtstången till själva marken har ett väsentligt inslag i alla jordningsuppställningar: Inga omvägar längs vägen! Elen rinner direkt in i jorden själv eftersom den inte har några andra alternativ. Det är därför jordade "ledningar" inte behöver vara enstaka ledningar; de kan vara metallramar,så länge vägen till jorden är helt fristående, vilket betyder att det är en enkel krets.

• Som redan föreslagits kan jorden också fungera som en "elektrondonator" efter behov på grund av dess förmåga att sprida laddning - positivt såväl som negativt, över en enorm volym - och inte bara som en "elektronacceptor" som i blixtstången fall.

Medan blixtstänger är viktiga används de inte varje ögonblick varje dag, som otaliga elektriska kretsar i hem, kontor och tillverkningsanläggningar över hela världen.

I en elektrisk krets skapar en jordledning en extra strömbana i händelse av en kort eller annan störning. Istället för att chockera dig när du rör vid kretskomponenter, kommer strömmen istället att strömma genom den mer ledande jordningstråden. Jordning hindrar dig inte bara från att bli chockad, men det skyddar också din utrustning från strömspänningar som annars skulle "chocka" den också.

​Obs! Högspänning i sig gör ingen skada.En stor spänningsskillnad gör det dock mer önskvärt att laddningen hoppar och skapar därmed en större ström. Tänk på det som att stå på kanten av en hög klippa. Det är inte på den höga klippan som är problemet. Det är vad som händer efter att du har gått av som ett resultat av att berget under foten inte längre "isolerar" dig från gravitationens inflytande och låter luft lätt "leda" dig (förhoppningsvis in i ett skyddsnät!).

I hushållsmiljöer behandlar jordning både "symptomen" och "sjukdomen" i händelse av en oväntad ansamling av laddningar på ytorna på apparater. Det tillåter inte bara oseriösa avgifter en omedelbar "enkelriktad" utgång så att de kan spridas någon annanstans, men det förhindrar också inträde av mer oönskade avgifter genom att avbryta kretsen "uppströms".

Ett typiskt modernt utlopp har tre hål: två sida vid sida slitsar och en nästan rund bländare under. Den mindre vertikala slitsen är avsedd för den "heta" ledningen (eller bokstavligen pluggen) för inkommande ström; dess längre partner är för neutral (utgång) kabel. Den runda kontakten är en jordledning ansluten direkt till en utgång från kretsen, så farliga laddningar som annars skulle strömma längs en apparatens yta kan fly till marken. Denna tråd är inställd så att över en given strömnivå bryts hela kretsen och all inkommande ström stoppas.

Jordning möjliggör säkerspänningsstabiliseringi stora kretsar och system. En spänningsstabilisator säkerställer att inkommande spänning, som faktiskt kan fluktuera betydligt runt det önskade värdet en gång inuti komplexet och känsliga kretsar, såsom en datormikroprocessor, normaliseras till ett tätt begränsat värde genom att öka eller minska V som behövs.

Ettelektroskopär en ledare som använder laddningsinduktion för att signalera närvaron av externa laddningar. Detta använder principen att elektroner stöter bort varandra. Om en elektronkälla som en laddad glasstav (ett exempel på statisk elektricitet; elektroner bara "sitter" där eftersom glas isolerar) hålls nära sidan av det ledande (men neutrala!) elektroskopet, detta "skjuter" elektronerna i bollen så långt bort som de kan gå. Detta är i mitten av enheten, där metall "löv" skjuts isär för att signalera de elektroner som samlats nära sidan av kulan på ytan av stångens spets.

När detta händer måste uppbyggnaden av elektroner inuti balanseras på något sätt, eftersom sfären leder. Som en konsekvens samlas positiva laddningar, som du kan förutsäga, nära stångens spets.

• Användningen av en jordledning för att komma runt den isolerande basen på elektroskopet skulle tydligt förändra denna bild. Hur?