Заземлення (фізика): як це працює і чому це важливо?

Електрика є неодмінним фактором сучасного життя, і хоча основні види палива, які людство використовує для її виробництва викликають велике занепокоєння, сама електроенергія буде потрібна до тих пір, поки цивілізація в її теперішньому вигляді зберігається. У той же час, серед перших фактів безпеки, яких навчають практично кожну дитину, є те, що електрика є або може бути надзвичайно небезпечною.

Більше того, електрика, яку люди виробляють і, отже, може значною мірою контролювати, є лише частиною історії тут. Явище блискавки також знайоме дуже маленьким дітям, і воно одночасно викликає трепет і занепокоєння навіть у дорослих. Але його "удари" на рівні Землі майже настільки ж непередбачувані, як і потенційно смертельні, і уважний погляд на доповнення до будівель та інших споруд по всьому світу підкреслює актуальність цієї безпеки розгляд.

​Електричне заземлення, також називаєтьсязаземлення, забезпечує шлях для протікання струму в землю, а надлишок електричного заряду розсіюється, замість того, щоб нарощувати та створювати потенційну небезпеку. Це працює, тому що Земля, будучи електрично нейтральною, але також величезною, може як приймати, так і забезпечувати великі кількість електронів (за стандартами людської промисловості) без помітних змін цієї "нульової напруги" держава.

​Електричний заряду фізиці вимірюється вкулони. Елементарний (неподільний) заряд - це заряд на одному електроні (е-) або протоні з величиною 1,60 10^-19 С і дано негативний знак для електронів. Поділ протилежно заряджених частинок створює aНапруга, або різниця електричних потенціалів, яка вимірюється в джоулях на кулон (J / C) і спонукає електрони текти в напрямку чистого позитивного заряду, руху, що називаєтьсяелектричний струм​.

• Електрони "хочуть" текти до позитивної клеми або іншої області чистої позитивної напруги з тієї ж суттєвої причини вода "хоче" текти вниз: різниця потенціалів, але встановлена ​​електричною силою замість сили сила тяжіння.

Цей потік електронів, виміряний в З / с абоампер("ампер"), виникає лише в тому випадку, якщо шлях між джерелами напруги дорівнює aпровідникі легко пропускає струм, як і більшість металів. Непровідні матеріали називаютьсяізолятори, і вони включають пластик, дерево та гуму (велика кількість ізоляторів серед повсякденних виробів - це явно гарна річ). У попередній аналогії дамба, що стримує природний потік річкової течії, схожа на ізолятор, абодіелектрик​.

Всі матеріали, навіть хороші провідники, мають трохи електрикиопір, позначаєтьсяР.і вимірюється в Омах (Ом). Ця величина дозволяє отримати формальний зв’язок між напругою та потоком струму, що називаєтьсяЗакон Ома​:

Електричний струм визначається як потік від вищого потенціалу до нижчого потенціалу (який єтой самий результатяк електрони, що протікають у негативному / позитивному напрямку - будьте обережні, щоб не сплутати цю точку!) за умови, що між ними існує відповідний шлях. Наприклад, коли обидва висновки акумулятора з'єднані провідним проводом, струм вільно протікає по петлі з мінімальним опором.

Однак, якщо немає високопровідних шляхів, що з'єднують різницю потенціалів, внаслідок цього струм все одно може протікатипробій діелектрикаякщо напруга досить висока - подібно до того, що могло б статися при структурному руйнуванні дамби, спричиненої безпрецедентним обсягом у висхідному резервуарі.

• Ось чому блискавка «б’є»; струм "не повинен" мати можливість протікати в діелектричному матеріалі, такому як повітря, але величезні напруги блискавки перевершують цей фактор.

Електричний струм, як вода, що пробивається вниз по помірному скелястому нахилу, завжди намагається піти шляхом найменшого опору. Якщо йому заважає безліч різних ізоляційних матеріалів, він захоче протікати через найменш ізоляційний (тобто найбільш провідний). Якщо провідний шлях існує, він завжди обиратиме цей шлях над усім іншим.

Повітря є ізолятором, а тіло людини є відносно провідним. Отже, якщо ви виділяєтеся в полі під час грози, у вас високий ризик ураження електричним струмом.Блискавковідводизабезпечити шлях заземлення, довівши легкий,низький опірмішень для ударів блискавки. Блискавка воліла би протікати крізь метал, ніж через вас, отже, це є.

Шлях від громовідводу в саму землю має одну суттєву особливість усіх установок заземлення: Без об’їздів по шляху! Електроенергія надходить прямо на саму Землю, оскільки у неї немає інших варіантів. Ось чому заземлені "дроти" не повинні бути одинарними; це можуть бути металеві рами,до тих пір, поки шлях до Землі повністю замкнутий у собі, тобто це проста схема.

• Як уже було запропоновано, Земля може також виконувати функцію "донора електронів" за потреби завдяки своїй здатності розсіювати заряд - як позитивний, так і негативний, у величезному обсязі - і не просто як "акцептор електронів", як у громовідводу справа.

Незважаючи на те, що громовідводи життєво важливі, вони не використовуються кожен момент кожного дня, як незліченні електричні схеми в будинках, офісах та на виробничих заводах по всьому світу.

В електричному колі заземлюючий провід створює додатковий шлях для струму в разі короткого замикання або іншої несправності. Замість того, щоб шокувати вас, коли ви торкаєтеся елементів ланцюга, натомість струм буде протікати через більш провідний заземлювальний провід. Заземлення не тільки не дає вам вразитися, але воно також захищає ваше обладнання від поточних стрибків напруги, які в іншому випадку також "шокують" його.

​Примітка: Висока напруга сама по собі не шкодить.Однак велика різниця напруги робить більш бажаним стрибок заряду, і при цьому створюється більший струм. Думайте про це, як стояти на краю високої скелі. Проблема не в тому, що знаходишся на високій скелі. Це відбувається після того, як ви ступите внаслідок того, що камінь під ногами вже не «ізолює» вас від впливу сили тяжіння і не дозволяє повітрю легко «проводити» вас (сподіваємось, у захисну сітку!).

У побутових умовах заземлення лікує як "симптом", так і "хворобу" у разі непередбачуваного накопичення зарядів на поверхнях приладів. Це не тільки дозволяє несанкціонованим зарядам негайно вийти в один бік, щоб вони могли розійтися в іншому місці, але також запобігає надходженню більш небажаних зарядів, перериваючи ланцюг "вгору за течією".

Типова сучасна розетка має три отвори: дві поруч щілини та майже круглий отвір внизу. Менша вертикальна щілина призначена для «гарячого» дроту (або буквально, штепсельної деталі) для вхідного струму; його довший партнер - для нульового (вихідного) дроту. Кругла вилка - це заземлювальний провід, підключений прямо до виходу з ланцюга, тому небезпечні заряди, які в іншому випадку протікали б по поверхні приладу, можуть втекти на землю. Цей провід налаштований таким чином, що вище заданого рівня струму вся ланцюг обривається і весь вхідний струм зупиняється.

Заземлення забезпечує безпекустабілізація напругиу великих ланцюгах і системах. Стабілізатор напруги гарантує, що вхідна напруга, яка насправді може коливатися навколо бажаного значення, потрапляючи всередину комплексу і чутливі схеми, такі як комп'ютерний мікропроцесор, нормується до жорстко обмеженого значення за рахунок збільшення або зменшення V, оскільки потрібні.

Анелектроскопє провідником, який використовує індукцію заряду, щоб сигналізувати про наявність зовнішніх зарядів. При цьому використовується принцип, що електрони відштовхують один одного. Якщо джерело електронів, наприклад, заряджений скляний стрижень (приклад статичної електрики; електрони просто "сидять" там, бо скло ізолююче) тримається близько до провідного (але нейтрального!) електроскопа, це "штовхає" електрони в кулі якомога далі. Це до центру агрегату, де металеві «листя» розсовуються, щоб сигналізувати про електрони, зібрані біля борту кулі на поверхні кінчика стрижня.

Як це трапляється, накопичення електронів всередині має якось збалансувати, оскільки сфера є провідною. Як наслідок, позитивні заряди збираються, як ви могли передбачити, біля кінчика стрижня.

• Застосування заземлюючого дроту для обіходу ізолюючої основи електроскопа чітко змінило б цю картину. Як