science >> Wetenschap >  >> Fysica

Aarding (natuurkunde): hoe werkt het en waarom is het belangrijk?

Elektriciteit is een onmisbare factor in het moderne leven, en hoewel de belangrijkste soorten brandstoffen die de mensheid gebruikt om het te produceren een bron van grote zorg zijn, zal elektriciteit zelf nodig zijn zolang de beschaving in zijn huidige vorm blijft bestaan. Tegelijkertijd is een van de eerste veiligheidsfeiten die vrijwel elk kind wordt geleerd, dat elektriciteit extreem gevaarlijk is of kan zijn.

Bovendien is de elektriciteit die mensen opwekken en dus in grote mate kunnen regelen slechts deel van het verhaal hier. Het fenomeen bliksem is ook bekend bij zeer jonge kinderen en het is tegelijkertijd een bron van ontzag en zorg, zelfs voor volwassenen. Maar de 'stakingen' op aardniveau zijn bijna net zo onvoorspelbaar als ze potentieel dodelijk zijn, en een nauwe blik op de add-ons voor gebouwen en andere structuren over de hele wereld onderstreept de urgentie van deze veiligheidsoverweging.

< em> Elektrische aarding
, ook wel aarding genoemd, biedt een pad voor stroom om in de grond te stromen en overtollige elektrische lading om zich te verspreiden in plaats van zich op te bouwen en een potentieel gevaar te creëren. Dit werkt omdat de aarde, die elektrisch neutraal maar ook enorm is, zowel een groot aantal elektronen (volgens de normen van de mens-industrie) kan accepteren en leveren zonder merkbare veranderingen in deze "nulspanning" -status.
Lading, spanning en stroomstroming

Elektrische lading in de fysica wordt gemeten in coulombs
. De elementaire (ondeelbare) lading is die op een enkel elektron (e-) of proton, met een grootte van 1,60 10 <-19 ° C en krijgt een negatief teken voor elektronen. De scheiding van tegengesteld geladen deeltjes creëert een voltage
, of elektrisch potentiaalverschil, dat wordt gemeten in joules per coulomb (J /C) en induceert elektronen in de richting van een netto positieve lading, een beweging genaamd elektrische stroom
.

  • Elektronen "willen" naar een positieve pool of ander gebied van netto positieve spanning stromen om dezelfde essentiële reden dat water "bergafwaarts" wil stromen: een potentieel verschil, maar vastgesteld door de elektrische kracht in plaats van de zwaartekracht.

    Deze stroom van elektronen, gemeten in C /s of ampère
    ("ampère"), treedt alleen op als het pad tussen de spanningsbronnen een geleider is en gemakkelijk stroom toestaat, zoals de meeste metalen. Niet-geleidende materialen worden isolatoren genoemd en ze omvatten plastic, hout en rubber (een overvloed aan isolatoren bij alledaagse producten is duidelijk een goede zaak). In de vorige analogie is een dam die de natuurlijke stroom van rivierstroom tegenhoudt als een isolator, of diëlektrische
    .

    Alle materialen, zelfs goede geleiders, hebben enige elektrische weerstand
    , aangeduid met R
    en gemeten in ohm (Ω). Deze hoeveelheid maakt een formele relatie mogelijk tussen spanning en stroom, de wet van Ohm: I \u003d V /R.
    Hoe werkt aarding?

    Elektrische stroom wordt gedefinieerd als vloeiend van hoger potentieel naar lager potentieel ( dat is het zelfde resultaat
    als elektronen die in een negatieve naar positieve richting stromen - let op dit punt niet te verwarren!) op voorwaarde dat er een geschikt pad tussen de twee bestaat. Wanneer de twee polen van een batterij zijn verbonden door een geleidende draad, stroomt de stroom bijvoorbeeld vrij in een lus met minimale weerstand.

    Als er echter geen sterk geleidende paden zijn die een potentiaalverschil verbinden, kan er stroom vloeien in ieder geval als gevolg van diëlektrische doorslag
    als de spanning hoog genoeg is - ongeveer zoals wat zou gebeuren met structureel falen van een dam veroorzaakt door een ongekend volume in het stroomopwaartse reservoir.

  • Dit is de reden waarom de bliksem "toeslaat"; stroom "zou niet" moeten kunnen stromen in een diëlektrisch materiaal zoals lucht, maar de enorme spanningen van bliksem overweldigen deze factor.

    Het meest bereden elektrische pad ... of gezocht

    Elektrisch stroming, zoals water dat een zachte, rotsachtige helling afdaalt, probeert altijd de weg van de minste weerstand te nemen. Als het wordt gehinderd door een aantal verschillende isolatiematerialen, zal het door de minst isolerende (d.w.z. de meest geleidende) willen stromen. Als er een geleidend pad bestaat, zal het altijd dat pad kiezen boven al het andere.

    Lucht is een isolator en het menselijk lichaam is relatief geleidend. Dus als u opvalt in een veld tijdens een onweer, loopt u een groot risico op elektrische schokken. Bliksemafleiders bieden een aardingspad door een gemakkelijk, lage weerstand
    doel voor blikseminslagen te bewijzen. Bliksem stroomt liever door metaal dan door jou, dus dat is er.

    Het pad van de bliksemafleider naar de grond zelf heeft een essentieel kenmerk van alle aardingsopstellingen: geen omwegen onderweg! De elektriciteit stroomt rechtstreeks naar de aarde zelf omdat er geen andere opties zijn. "draden" geen enkele draden hoeven te zijn; het kunnen metalen frames zijn, zolang het pad naar de aarde volledig op zichzelf staat, wat betekent dat het een eenvoudig circuit is.

  • Zoals reeds gesuggereerd, kan de aarde ook dienen als een "elektronendonor" als nodig vanwege het vermogen om lading te verspreiden - zowel positief als negatief, over een enorm volume - en niet alleen als een "elektronenacceptor" zoals in het geval van bliksemafleiders.

    Waarom is aarding belangrijk? >

    Hoewel bliksemafleiders van vitaal belang zijn, worden ze niet elk moment van de dag gebruikt, zoals talloze elektrische circuits in huizen, kantoren en fabrieken wereldwijd.

    In een elektrisch circuit creëert een aardingsdraad een extra stroompad in geval van een korte of andere storing. In plaats van u te shockeren wanneer u circuitonderdelen aanraakt, stroomt in plaats daarvan stroom door de meer geleidende aarddraad. Aarding voorkomt niet alleen dat u geschokt raakt, maar het beschermt uw apparatuur ook tegen stroompieken die het anders ook zouden "shocken".

    Opmerking: Hoogspanning zelf is niet schadelijk. Een groot spanningsverschil maakt het echter wenselijker dat de lading springt en creëert daarmee een grotere stroom. Zie het als staan op de rand van een hoge klif. Het is niet het probleem op de hoge klif. Het is wat er gebeurt nadat je afstapt als gevolg van het feit dat de rots onder je voeten niet langer "isoleert" tegen de invloed van de zwaartekracht en ervoor zorgt dat lucht je gemakkelijk "kan" geleiden (hopelijk in een vangnet!).
    De driepuntige plug

    In huishoudelijke instellingen behandelt aarding zowel het "symptoom" als de "ziekte" in het geval van een onverwachte accumulatie van ladingen op het oppervlak van apparaten. Het laat niet alleen de kwaadwillende ladingen een onmiddellijke "one-way" uitgang toe zodat ze zich elders kunnen verspreiden, maar het voorkomt ook het binnendringen van meer ongewenste ladingen door het circuit "stroomopwaarts" te onderbreken.

    Een typisch modern stopcontact heeft drie gaten: twee zij-aan-zij spleten en een bijna ronde opening eronder. De kleinere verticale spleet is voor de "hete" draad (of letterlijk plugcomponent) voor inkomende stroom; zijn langere partner is voor de neutrale (uitgangs) draad. De ronde stekker is een aardedraad die rechtstreeks is aangesloten op een uitgang van het circuit, zodat gevaarlijke ladingen die anders langs het oppervlak van een apparaat zouden vloeien naar de grond kunnen vluchten. Deze draad is zo ingesteld dat boven een bepaald stroomniveau het hele circuit wordt onderbroken en alle inkomende stroom stopt.
    Voorbeelden van aarding

    Aarding zorgt voor veilige spanningsstabilisatie
    in het groot circuits en systemen. Een spanningsstabilisator zorgt ervoor dat inkomende spanning, die daadwerkelijk aanzienlijk kan schommelen rond de gewenste waarde eenmaal in complexe en gevoelige circuits zoals een computermicroprocessor, wordt genormaliseerd naar een strak begrensde waarde door V naar behoefte te verhogen of te verlagen.

    Een electroscoop
    is een geleider die ladingsinductie gebruikt om de aanwezigheid van externe ladingen te signaleren. Dit maakt gebruik van het principe dat elektronen elkaar afstoten. Als een bron van elektronen zoals een geladen glazen staaf (een voorbeeld van statische elektriciteit; elektronen daar gewoon "zitten" omdat glas isoleert) dicht bij de zijkant van de geleidende (maar neutrale!) Elektroscoop wordt gehouden, "duwt" de elektronen in de bal zo ver weg als ze kunnen gaan. Dit is naar het midden van de eenheid, waar metalen "bladeren" uit elkaar worden gedrukt om de elektronen aan te geven die zich bij de zijkant van de bal op het oppervlak van de punt van de staaf hebben verzameld.

    -up van elektronen binnen moet op de een of andere manier worden gebalanceerd, omdat de bol geleidend is. Als gevolg hiervan verzamelen zich positieve ladingen, zoals u zou kunnen voorspellen, in de buurt van de punt van de staaf.

  • De toepassing van een aardingsdraad om rond de isolerende basis van de elektroscoop te geraken, zou dit beeld duidelijk veranderen. Hoe?