Заземление физика процесса: Что такое заземление и зачем оно нужно, заходите на сайт

Содержание

Что такое заземление и зачем оно нужно, заходите на сайт

Что такое заземление и зачем оно нужно? В кругу специалистов вопрос покажется абсолютно тривиальным, однако для большинства среднестатистических граждан – это загадка то ли природы, то ли техники.
А тем временем в основе лежат не слишком уж и таинственные физические явления; зато правильно выполненное заземление способно спасти жизнь и здоровье человека при возникновении электроЧП.

Содержание:

Риски
Заземление как панацея
«Физика и химия»
Идеал заземления

Немного физики

Электрический ток протекает между точками, которые имеют разный электрический потенциал – в первом приближении, разную величину электрического заряда. Чтобы ток побежал, эти точки нужно соединить проводящей средой – к примеру, медной проволокой. Такая ситуация в электрической розетке: в одном из её гнёзд ±220 В, а в другом — ровным счётом 0 В. Когда эти гнёзда замыкаются через включённый в розетку прибор, между ними начинает течь ток, который, собственно, и вдыхает жизнь в холодильник, фен, утюг, компьютер и т.д.

Земля считается абсолютным нулём – её заряд всегда 0 В. Это ключевой факт. А тело человека проводит ток – иногда не хуже, чем медный кабель.

Риски

А теперь – нередкая ситуация в квартире.

Представим обычную стиральную машину в обычной среднестатистической квартире. Ничто в мире не совершенно, а потому в стиральном приборе может повредиться изоляция в одном из многочисленных внутренних проводов. С огромной вероятностью повреждённый проводок, несущий напряжение 220В, коснётся внутренних металлических частей, которые соединены с корпусом машины. Корпус прибора мгновенно окажется под напряжением. Если к этому корпусу прикоснётся человек, то он получит удар током.

Дело в том, что потенциал корпуса машины равен 220 В, а потенциал поверхности, на которой находится человек – 0 В. Вспомним, что тело человека — среда очень даже проводящая. Потому-то ток ринется с корпуса машины на пол через тело прикоснувшегося – вот и вся схема удара током.

Говоря по правде, что если человек будет в резиновой обуви на абсолютно сухом полу с абсолютно сухими руками, касание 220-ти вольт не особо повредит ему, поскольку сухость и соотвтетствующая обувь воспрепятствуют движеную тока – но часто ли могут быть выполнены все эти «абсолютно»?

Конечно, при наличии УЗО электроснабжение будет оперативно отключено… Однако это произойдет уже после удара током, последвствия которого могут быть плачевными.

Что самое интересное — напряжение может накопиться на корпусе прибора и не по причине неисправности, а из-за статического электричества. Это очень распространенная офисная проблема. Конечно, удар током не будет смертельным, однако вполне способен навредить здоровью. Уже начинаете понимать что такое заземление? Ну во всяком случае, мы продолжаем

Заземление как панацея

Казалось бы, явление неизбежно…, и ударят ли током наши любимые электроприборы, решать только им. Ан нет! Серьёзную помощь может оказать заземление, будь оно правильно смонтированным… и вообще будь оно. В описанной ситуации система заземления взяла бы удар током на себя, а человек ощутил бы лишь лёгкое покалывание.

«Физика и химия»

Заземление представляет собой процесс соединения металлических частей электроприборов с землёй. Выводятся «на землю» те части, которые могут прямым или косвенным образом грозить ударом током в случае, если по причине мини-ЧП окажутся под напряжением. Цель у заземления одна, но зато какая – обезопасить жизнь и здоровье человека.

Схема самодельного заземления могла бы выглядеть так. К корпусу электроприбора надёжно прикреплен провод, который выведен на улицу через дверь, окно и любой другой проём или отверстие. В землю вбит металлический штырь (уголок, прут, труба). К этому-то изделию и крепится провод, идущий от корпуса стиральной машины.

Почему такая схема работает? Начнём с того, что потенциал земли всегда 0 В, а на нашем корпусе может оказаться все 220 В – потому ток потечёт в землю, которая совершенно от этого не пострадает. Зато человек, коснувшийся корпуса, окажется в безопасности, поскольку ток выбирает для своего пути на землю лучший проводник и течёт через него. Если есть заземление, то оно и есть лучшим проводником электричества.

Идеал заземления

Но самое надёжное и грамотное заземление – то, которое предусмотрено в устройстве электрической проводки дома или квартиры. В таком случае в проводке помимо двух проводов (фаза и нуль) имеется и провод заземления – то есть кабель получается трехжильным. Третья жила и соединяется с землёй по всем правилам ПУЭ.

Заземляющая жила ветвится, подходя к каждой розетке. Розетка, в свою очередь, имеет дополнительный контакт – те самые «усики» по бокам гнезда, которые есть у многих современных розеток. Электроприбор, в котором предусмотрено заземление, имеет вилку с дополнительными боковыми контактами и трехпроводный шнур. Третий провод – заземляющий, он соединён с корпусом прибора и другими металлическими элементами, которые могут оказаться под напряжением и быть опасными для человека. Заземляющий провод выводится на боковые контакты вилки, которые, в свою очередь, через «усики» розетки уведут невесть откуда возникшее напряжение в землю. Однако следует иметь в виду, что розетка, имеющая заземляющие контакты, по-настоящему заземлена лишь в случае, если заземление есть и в схеме электропроводки.

К сожалению, в многоквартирных домах старой постройки подобное явление – большая редкость, как, впрочем, и в частных домах среднего возраста. Однако на первых этажах есть какая-никакая возможность восполнить электрический пробел и смонтировать заземление.

Заметим, что крайне желателен профессиональный монтаж заземления согласно правилам ПУЭ.

Нельзя вместо заземления использовать зануление – соединение заземляющего провода с нулевым. Также делают неграмотное заземление на трубы, радиаторы, а это запрещено так же строго, как и курение на бензоколонке.

Итак, учитывая увеличение количества электроприборов в наших жилищах, следует задуматься о профессиональном монтаже системы заземления в электропроводке жилища. Тем более, что некоторые современные приборы и вовсе строго запрещено эксплуатировать без профессионального заземления. Надеемся эта статья была полезна и вас больше не возникнет вопроса «Что такое заземление?»

Вам также может быть интересно:

Статья на тему «Необходимость заземления на рабочих участках» (9-11 класс)

Необходимость заземления на рабочих участках

Отсутствие заземления электрооборудования или неправильное его выполнение может привести к производственному травматизму, выходу из строя приборов автоматизации или неправильной их работе, погрешности показаний измерительной техники. Это происходит в результате пробоя изоляции между токоведущими частями и корпусом оборудования. В результате на корпусе появляется напряжение и протекает электрический ток, который может нанести травму человеку и привести к сбоям в работе электрических устройств. Чтобы этого избежать, часть установки, не находящуюся в нормальном состоянии под напряжением, соединяют с заземляющим устройством. Этот процесс называется заземлением.

Существенное влияние на ток, проходящий через человека, оказывает величина тока короткого замыкания и сопротивление системы заземления. Наибольшее допустимое значение сопротивления заземления в установках до 1000 В: 10 Ом — при суммарной мощности генераторов и трансформаторов 100 кВА и менее, 4 Ом — во всех остальных случаях.

Заземляющее устройство — это совокупность заземлителя и заземляющих проводников, соединяющих заземляемые части электроустановки с заземлителем.

Защитное заземление не следует путать с молниезащитой, рабочим и повторным заземлением, нулевым защитным проводником. Его действие в первую очередь направлено на снижение до безопасного значения напряжений шага и прикосновения, образующихся при замыкании на корпус. Это достигается снижением потенциала заземленного оборудования за счет уменьшения сопротивления заземляющего устройства. Одновременно выравниваются потенциалы основания, где находится человек и самого заземленного оборудования.

Заземлители разделяют на два основных типа:

1.                 Искусственные заземлители. Применяются только в целях заземления. Они изготавливаются из различных стальных конструкций и не должны окрашиваться. Для защиты от коррозии может использоваться оцинкованное покрытие, увеличенное количество заземлителей, специальная электрическая защита. В некоторых случаях в качестве заземлителя может использоваться электропроводящий бетон.

2.                  Естественные заземлители. С этой целью используются электропроводящие части сетей и коммуникаций в зданиях и сооружениях, находящиеся в соприкосновении с землей. Заземление электроустановок рекомендуется выполнять в первую очередь из естественных заземлителей. Следует использовать трубы водопровода и системы отопления, конструкции зданий и сооружений из металла и железобетона, рельсовые пути, свинцовые оболочки кабелей и т.д. Нельзя использовать трубопроводы, по которым подаются горючие жидкости, газы или смеси.

 

 

почему и что делать? Почему при выходе из авто бьет током? Устраняем проблему

Если машина бьет током при выходе, то это, в первую очередь — эффект неожиданного события. Очень трудно заранее знать, а когда это произойдет. Именно за счет неожиданности водитель может потерять равновесие, выронить тяжелые пакеты из рук, что само по себе очень и очень неприятно. Важно знать, что автомобиль бьет током при выходе не очень больно, это не очень опасно для человеческого организма.

Если машина бьет током, причину, а точнее источник накопления статического электричества стоит искать незамедлительно. Если использовать синтетические чехлы на сидениях, носить одежду из синтетики, то становится очевидно, почему при выходе из машины бьет током. Простая физика процесса, изучаемая в начальных классах средней школы с эбонитовой палочкой. При этом многие замечали, что такой эффект реже встречается в машинах, имеющих кожаную обивку сидений.

Именно синтетическая одежда при соприкосновении с обивкой, имеющей похожей состав материалов, является бьет током от автомобиля при выходе. Оба рассматриваемых элемента представляют собой диэлектрики, при соприкосновении которых происходит вполне естественное перераспределение зарядов. В итоге, образуется заряд статического электричества. В момент вставания водителя с сидения происходит разделение диэлектриков, а при дальнейшем прикосновении к металлическому корпусу машины происходит перемещение энергии с характерным хорошо слышимым щелчком.

Мы разобрали почему бьет током от автомобиля, а теперь рассмотрим основные средства борьбы с этим хоть и не опасным, но очень нежелательным явлением. Правильно определить место скопления статики — большая половина дела. Дальше существует несколько основных способов решения данной проблемы с минимальными затратами сил, средств и времени.

При движении автомобиля происходит трения металла о потоки набегающего воздуха. Кроме того, такой же эффект отмечается, когда при положительных температурах воздуха кузов машины в режиме покоя тоже может накапливаться статическое электричество во время сильного сухого ветра. Мощность заряда в таких случаях может достигать достаточно больших величин. При прикосновении человека к кузову такой машины происходит разряд статики в землю.

Если корпус машины бьет током, то главное средство борьбы — качественное заземление металлических частей с землей.

Для этих целей в продаже имеются специальные резиновые полоски с металлическим стержнем внутри, которые следует присоединить к кузову. Основное место присоединения — задняя часть машины (элементы подвески, усилитель заднего бампера). Для уменьшения сопротивления следует хорошенько зачистить место контакта ленты с металлическим элементом. Дополнительно при выходе можно посоветовать не прикасаться к металлическим частям, используя только пластиковые ручки дверей. При соблюдении данных требований можно совсем забыть про удары током.

Если в салоне машины бьет током, то для избавления от этого неприятного момента можно воспользоваться специальными составами для обработки обивки сидений, карт дверей, багажника. Современная химия абсолютно безопасна для людей, выпускается в удобных баллонах, легко наносится и не оставляет следов на обивке любимого авто. Для покупки таких составов следует обратиться в ближайший магазин, торгующий различными безделушками, где продавцы быстро подберут наиболее подходящий состав. Срок действия таких составов напрямую зависит от длительности поездок и интенсивности использования транспортного средства. Как правило, избавиться от накопления статического электричества получиться на пару месяцев, поэтому обзавестись лишним баллоном будет вполне оправданно.

Бояться этого эффекта не стоит, надо просто грамотно подойти к поиску источника и точно выполнить все советы, описанные выше. Помните, что статическое электричество не травмирует, но может неожиданно привести к неприятным моментам. Затягивать с решением не стоит, ведь ушиб ноги от роняемого пакета с продуктами или подвернутая нога — это распространенные последствия разряда накопленного статического электричества.

«Введение. Молниезащита и заземление», Математика, химия, физика

Безаварийная работа электроустановок промышленных предприятий обеспечивается выполнением комплекса организационных и технических мероприятий. Важное место среди них занимает защита объектов от прямого и непрямого воздействия грозовых разрядов. В настоящее время проблема молниезащиты и защиты от перенапряжений приобретает все большую актуальность в связи с тем, что в электрических сетях возрастает количество потребителей, чувствительных к импульсам перенапряжений и электромагнитным помехам [1], а также из-за высокой стоимости оборудования подстанции и сложности устранения последствий прямого попадания молнии.

Безупречная работа молниезащиты достигается при детальной проработке и реализации систем внешней и внутренней защиты. Малейшее отклонение в координации этих систем может стать причиной возникновения опасных перенапряжений и электромагнитных помех, приводящих к сбою в работе оборудования или выходу его из строя [1].

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МОЛНИИ

Молния представляет собой электрический разряд в атмосфере между облаком и землей (или между разноименно заряженными частями облаков). Разряду молнии предшествует процесс разделения и накопления электрических зарядов в грозовых облаках, происходящий в результате возникновения в облаках мощных восходящих воздушных потоков и интенсивной конденсации в них водяных паров [2].

По мере концентрации зарядов увеличивается напряженность электрического поля вблизи облака. Когда она достигает критической величины (порядка 30 кв/см), начинается ионизация воздуха (процесс образования заряженных частиц — ионов и электронов, в результате чего воздух становится электропроводящим) и по направлению к земле начинает развиваться разряд. В этой начальной (лидерной) стадии молния представляет собой относительно медленно (со скоростью в среднем см/сек) развивающейся по направлению к земле слабо светящийся канал (лидер), окруженный достаточно обширной зоной ионизации, которая заполняется зарядами, стекающими из облака. Распределенный вдоль канала заряд связывает на поверхности земли и на расположенных на ней объектах, например на металлической мачте, заряды другого знака. По мере приближения головки разряда к земле повышается напряженность электрического поля на вершине возвышающегося над поверхностью земли объекта и с него может начать развиваться встречный канал разряда (встречный стример). Зона ионизации встречного стримера заполняется стекающими с вершины мачты зарядами, имеющими знак, обратный зарядам лидера. В большинстве случаев заряд облака и лидера имеет отрицательную полярность, а заряд встречного стримера — положительную. Длина встречного стримера с объектов высотой до 100 м имеет величину до 20−30 м [2].

Когда головки лидера и встречного стримера соприкасаются, начинается главная стадия разряда. Во время этой стадии происходит нейтрализация зарядов в основном в зоне ионизации лидера. Процесс этот распространяется в направлении от земли к облаку, со скоростью порядка см/сек и сопровождается сильным свечением канала разряда. По каналу в течение очень короткого времени (до 100 мксек) протекает весьма большой ток, разогревающий канал до температуры порядка 10 000 и больше. При нагревании канал быстро расширяется, что вызывает распространение в окружающем воздухе ударной волны, имеющей на своем фронте высокое давление [2].

Часто по одному и тому же каналу происходит несколько разрядов молнии (до 20), во время которых разряжаются на землю скопления зарядов, расположенные в разных местах по высоте облака. Это явление воспринимается нами как мерцание молнии. Такая молния может длиться до 1 сек [2].

Стекание зарядов в зону ионизации встречного стримера, развивающегося с мачты, а также протекание по мачте зарядов, нейтрализующих заряд лидера и облака, образует электрический ток в мачте, который может быть зарегистрирован электронным осциллографом. Величина этого тока изменяется на разных стадиях разряда. Во время начальной стадии течет очень небольшой по величине ток (десятки сотни ампер). Во время главной стадии за 3−10 мксек величина тока возрастает до многих тысяч ампер, затем постепенно падает. На заключительной стадии разряда происходит нейтрализация оставшихся зарядов в облаке, ток в этой стадии опять имеет относительно небольшую величину [2] [14, https://nanayna.ru].

Током молнии обычно называют кратковременный (до 100 мксек) пик тока, протекающего во время главной стадии разряда [2].

Максимальная зарегистрированная амплитуда тока молнии составляет 200−230 кА. Но молнии с такими токами возникают редко. Наиболее часто встречаются молнии с током порядка 20 кА .

При разряде молнии в землю могут поражаться различные объекты, в частности, воздушные линии электропередач и подстанции. Протекание тока молнии через объект вызывает возникновение волны напряжения молнии, которая может пробить и разрушить изоляцию электротехнических устройств [2].

«Защитное заземление. Характеристика защитного заземления», Математика, химия, физика

Заземлением (рисунке 3) называется соединение с землей нетоковедущих металлических частей электрооборудования через металлические детали, закладываемые в землю и называемые заземлителями, и детали, прокладываемые между заземлителями и корпусами электрооборудования, называемые заземляющими проводниками. Проводники и заземлители обычно делаются из низкоуглеродистой стали, называемой в просторечии железом.

Глухозаземлённая нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, присоединенная к заземляющему устройству непосредственно. Глухозаземлённым может быть также вывод источника однофазного переменного тока или полюс источника постоянного тока в двухпроводных сетях, а также средняя точка в трёхпроводных сетях постоянного тока.

Изолированная нейтраль — нейтраль трансформатора или генератора, не присоединённая к заземляющему устройству или присоединённая к нему через большое сопротивление приборов сигнализации, измерения, защиты и других аналогичных им устройств.

Обозначение на схемах (два символа справа) Проводники защитного заземления во всех электроустановках, а также нулевые защитные проводники в электроустановках напряжением до 1 кВ с глухозаземленной нейтралью, в том числе шины, должны иметь буквенное обозначение PE (Protective Earthing) и цветовое обозначение чередующимися продольными или поперечными полосами одинаковой ширины (для шин от 15 до 100 мм) желтого и зеленого цветов. Нулевые рабочие (нейтральные) проводники обозначаются буквой N и голубым цветом. Совмещенные нулевые защитные и нулевые рабочие проводники должны иметь буквенное обозначение PEN и цветовое обозначение: голубой цвет по всей длине и желто-зеленые полосы на концах (https://gugn.ru, 27).

Первая буква в обозначении системы заземления определяет характер заземления источника питания:

  • · T — непосредственное соединения нейтрали источника питания с землёй;
  • · I — все токоведущие части изолированы от земли.

Вторая буква определяет состояние открытых проводящих частей относительно земли:

  • · T — открытые проводящие части заземлены, независимо от характера связи источника питания с землёй;
  • · N — непосредственная связь открытых проводящих частей электроустановки с глухозаземленной нетралью источника питания.

Буквы, следующие через чёрточку за N, определяют характер этой связи — функциональный способ устройства нулевого защитного и нулевого рабочего проводников:

  • · S — функции нулевого защитного PE и нулевого рабочего N проводников обеспечиваются раздельными проводниками;
  • · C — функции нулевого защитного и нулевого рабочего проводников обеспечивается одним общим проводником PEN.

Заземлители в виде штырей, вбиваемых в землю, называются электродами, и могут быть одиночными или групповыми. Заземлитель имеет характеристики, обусловленные стеканием по нему тока в землю. К характеристикам заземлителя относятся:

напряжение на заземлителе;

изменение потенциалов точек в земле вокруг заземлителя в зависимости от их расстояния от заземлителя в зоне растекания тока — вид потенциальной кривой;

вид линий равного потенциала — эквипотенциальных линий на поверхности земли;

сопротивление заземляющего устройства;

напряжения прикосновения и шага.

На (рисунке 4) показана схема простого заземлителя в виде стержня или трубы, забиваемых в землю и вид потенциальных кривых и эквипотенциальных линий.

При расстоянии менее 40 м между одиночными заземлителями в групповом заземлителе их зоны растекания накладываются друг на друга, и получается одна зона растекания группового заземлителя, которой соответствует своя потенциальная кривая. [4].

  • 1 — заземляющий проводник, 2 — заземлитель, 3 — эквипотенциальные линии.
  • 0ц — ось величин потенциала, 0х — ось расстояний до заземлителя, ц (х) — потенциальная кривая, Iз — ток в заземлителе, ц3 = U3 — напряжение на заземлителе.

Рисунок 4. Распределение потенциалов у поверхности земли в зоне растекания одиночного заземлителя:

6. Заземление нейтрали и перенапряжения

Выбор способа заземления нейтрали в системе – комплексная проблема, зависящая от ряда факторов. Необходимо обеспечить быструю ликвидацию дуги короткого замыкания при минимальном уровне перенапряжения.

При изолированной нейтрали через место замыкания проходит емкостной ток, величина которого зависит от емкости сети по отношению к земле. В коротких сетях этот ток не превышает нескольких ампер и сеть может работать без перерыва даже в режиме КЗ. Дуга неустойчива и быстро гаснет. Поэтому маломощные короткие сети обеспечивают бесперебойность электроснабжения потребителя при изолированной нейтрали даже в режиме однофазного короткого замыкания (2/3 всех случаев КЗ).

С увеличением мощности системы увеличивается ее длина и емкостной ток возрастает до десятков и сотен ампер. Дуга становится устойчивой и может перейти на другие фазы, релейная защита отключает линию, но из-за значительных перенапряжений изоляция быстро стареет. Эксплуатация таких сетей с незаземленной нейтралью становится невозможной.

Существуют два способа заземления нейтрали: эффективный и резонансный.

Эффективный (глухой) способ заземления нейтрали – это соединение с землей нейтралей всех или части трансформаторов. Назначение такого заземления сделать ток замыкания на землю активным или индуктивным и довести его до значения, достаточного для срабатывания релейной защиты. При отключении ЛЭП релейной защитой дуга в месте замыкания гаснет, а автоматические повторное включение практически сразу же включает линию под нагрузку, и потребитель не ощущает перерыва в электроснабжении. Не изнашивается и изоляция, так как время горения дуги мало.

Резонансное заземление выполняется включением в нейтраль трансформатора реакторов с железным сердечником. Ток реактора должен скомпенсировать емкостной ток замыкания на землю. Общий ток короткого замыкания резко уменьшается, дуга в месте КЗ гаснет и система может работать на потребителя без отключения. Анализ различных способов заземления нейтрали показал, что при коротком замыкании перенапряжения на здоровых фазах достигают для изолированной и резонансно заземленной нейтрали и 1,13 при эффективно заземленной. Такие перенапряжения не опасны для изоляции аппаратов, но импульсная прочность их изоляции должна быть увеличена. Уровень импульсной прочности аппаратов выбирается, исходя из характеристик защитных аппаратов – вентильных разрядников, ограничителей перенапряжения.

Режим нейтрали с точки зрения использования защитных аппаратов принято делить на две категории:

1 — когда напряжение на здоровых фазах не превышает , и защитные аппараты для таких линий называются 80%.

2 — когда на здоровых фазах при коротком замыкании напряжение не превышает . В этом случае используются 115% аппараты. Кроме этого, применение эффективного заземления нейтрали позволяет существенно экономить средства на изоляцию аппаратов выше 300кв, там, где она особенно дорога ( до 8090% стоимости устройств). На выбор способа заземление нейтрали влияет еще ряд факторов:

  1. При резонансном заземлении и однофазном коротком замыкании на землю в мощной системе релейная защита реагирует нечетко.

То же самое происходит в мощных системах большого напряжения. При коротком замыкании на одной фазе и повышении напряжения на других фазах на них возникает корона, резко увеличивающая активную составляющую тока замыкания на землю и дуга может гореть устойчиво.

При глухом заземлении нейтрали перенапряжения не зависят от мощности и напряжения системы. Их уровень в % всегда постоянен, что гарантирует четкое срабатывание релейной защиты. Бесперебойное электроснабжение потребителей гарантируется резервированием и АПВ.

  1. Силовые линии электропередач создают вокруг себя мощные электромагнитные поля создающие помехи линиям связи, напряженность поля увеличивается при однофазном коротком замыкании.

При изолированной нейтрали помехи невелики. Поэтому вопрос о способе заземления нейтрали приходится решать с учетом всех действующих факторов.

Немалую роль играют и традиции: резонансное заземление нейтрали родилось в Европе и его применяют вплоть до самых высоких напряжений, так в Японии оно используется для линий 220 кВ.

В США применяют глухое заземление даже для ЛЭП 1035 кВ.

У нас принято, что системы 35 кВ и ниже работают либо с резонансным заземлением, либо с изолированной нейтралью. Системы 110 кВ и выше работают с глухим эффективным заземлением нейтрали, хотя допускается разземление части нейтрали трансформаторов 110, 220 кВ для регулирования тока однофазного тока замыкания с обязательной защитой нейтрали ограничителями перенапряжения.

Уменьшает ли заземление окислительный стресс и воспаление?

Есть исследования на этот счет, например, Могут ли электроны действовать как антиоксиданты? ,

Наиболее разумная гипотеза, объясняющая положительные эффекты заземления, заключается в том, что прямое соединение с землей позволяет как дневным электрическим ритмам, так и свободным электронам течь от земли к телу. Предполагается, что суточные электрические ритмы Земли устанавливают биологические часы для гормонов, регулирующих сон и активность. Также предполагается, что свободные электроны Земли нейтрализуют положительно заряженные свободные радикалы, которые являются признаком хронического воспаления.

[…]

Вполне возможно, что преимущества многих видов телесной, энергетической и двигательной терапии, а также различных устройств энергетической медицины частично связаны с их способностью позволять мобильным электронам проникать в очаги воспаления, где они нейтрализуют свободные радикалы, которые способствуют этому. множество различных хронических заболеваний.

или это исследование, которое изучает « биологические эффекты заземления человеческого тела во время сна »

Наблюдались измеримые улучшения дневных профилей кортизола, при этом уровни кортизола значительно снижались во время ночного сна […] Субъективно сообщаемые симптомы, включая дисфункцию сна, боль и стресс, были уменьшены или устранены почти у всех субъектов.

Результаты показывают, что заземление человеческого тела на землю («заземление») во время сна снижает уровень кортизола в ночное время и ресинхронизирует секрецию гормона кортизола в большей степени в соответствии с естественным профилем 24-часового циркадного ритма.


Однако то, что я вижу людей, зарабатывающих деньги на продаже » продуктов заземления», по-настоящему щекочет мое паучье чутье …

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

Обновлено 28 декабря 2020 г.

Автор: Кевин Бек

Электричество является незаменимым фактором в современной жизни, и хотя основные виды топлива, которые человечество использует для его производства, вызывают серьезную озабоченность, само электричество будет востребовано еще долго поскольку цивилизация в ее нынешнем виде сохраняется. В то же время одним из первых фактов безопасности, которым учат практически каждого ребенка, является то, что электричество является или может быть чрезвычайно опасным.

Кроме того, электричество, которое люди производят и поэтому могут в значительной степени контролировать, является лишь частью истории. Явление молнии также знакомо очень маленьким детям и одновременно вызывает благоговение и тревогу даже у взрослых. Но его «удары» на уровне Земли почти так же непредсказуемы, как и потенциально смертельны, и внимательное изучение надстроек к зданиям и другим сооружениям по всему миру подчеркивает безотлагательность этого соображения безопасности.

Электрическое заземление ​, также называемое ​ заземлением ​, обеспечивает путь для протекания тока в землю и рассеивание 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 отдавать большое количество электронов (по стандартам человеческой промышленности) без заметных изменений в этом состоянии «нулевого напряжения».

Заряд, напряжение и ток

Электрический заряд ​ в физике измеряется в ​ кулонов ​.Элементарный (неделимый) заряд — это заряд одного электрона (е-) или протона, величина которого составляет 1,60·10 -19 Кл, а для электронов указан отрицательный знак. Разделение противоположно заряженных частиц создает напряжение или разность электрических потенциалов, которая измеряется в джоулях на кулон (Дж/Кл) и заставляет электроны течь в направлении чистого положительного заряда, движение, называемое электрический ток ​.

  • Электроны «хотят» течь к положительной клемме или другой области чистого положительного напряжения по той же существенной причине, по которой вода «хочет» течь вниз: разность потенциалов, но установленная электрической силой, а не силой тяжести.

Этот поток электронов, измеряемый в Кл/с или ​ ампер ​ («амперы»), возникает только в том случае, если путь между источниками напряжения представляет собой ​ проводник ​ и легко пропускает ток, как и большинство металлы. Непроводящие материалы называются изоляторами , и к ним относятся пластик, дерево и резина (изобилие изоляторов среди повседневных товаров — это явно хорошо). В предыдущей аналогии плотина, сдерживающая естественный поток речного течения, подобна изолятору или диэлектрику .

Все материалы, даже хорошие проводники, имеют некоторое электрическое сопротивление , обозначаемое R и измеряемое в омах (Ом). Эта величина допускает формальную зависимость между напряжением и током, называемую законом Ома ​:

I=\frac{V}{R}

Как работает заземление?

Электрический ток определяется как протекание от более высокого потенциала к более низкому потенциалу (что является тем же результатом ​, что и электроны, протекающие в направлении от отрицательного к положительному – будьте осторожны, чтобы не перепутать эту точку!) при условии, что подходящий путь между ними существует.Например, когда две клеммы батареи соединены проводником, ток свободно течет по петле с минимальным сопротивлением.

Однако, если нет путей с высокой проводимостью, соединяющих разность потенциалов, ток может течь в любом случае в результате ​ пробоя диэлектрика ​ при достаточно высоком напряжении – очень похоже на то, что произошло бы при разрушении конструкции плотины, вызванной беспрецедентным объемом в верхнем водохранилище.

  • Вот почему молния «бьет»; ток «не должен» течь в диэлектрическом материале, таком как воздух, но огромные напряжения молнии подавляют этот фактор.

Электрический путь, по которому чаще всего ходят… или ищут

Электрический ток, подобно воде, стекающей по пологому каменистому склону, всегда старается идти по пути наименьшего сопротивления. Если ему препятствует ряд различных изоляционных материалов, он захочет течь через наименее изолирующий (т. Е. Наиболее проводящий) материал. Если проводящий путь существует, он всегда будет выбирать этот путь из всех остальных.

Воздух является изолятором, а человеческое тело обладает относительной проводимостью.Поэтому, если вы стоите в поле во время грозы, вы подвергаетесь высокому риску поражения электрическим током.​ Молниеотводы ​ обеспечивают путь заземления, являясь легкой ​ ​ мишенью с низким сопротивлением для ударов молнии. Молния скорее прольется сквозь металл, чем сквозь вас, так что вот в чем дело.

Путь от громоотвода до самой земли имеет одну существенную особенность всех устройств заземления: никаких обходных путей на этом пути! Электричество течет прямо в саму Землю, потому что у нее нет других вариантов.Вот почему заземляющие «провода» не обязательно должны быть отдельными проводами; они могут быть металлическими каркасами, если путь к Земле полностью автономен , то есть это простая цепь.

  • Как уже говорилось, Земля может также служить «донором электронов» по ​​мере необходимости благодаря своей способности рассеивать заряды — как положительные, так и отрицательные — в огромном объеме, а не только как «акцептор электронов», как в корпус громоотвода.

Почему важно заземление?

Несмотря на то, что громоотводы жизненно важны, они не используются каждый момент каждого дня, как бесчисленные электрические цепи в домах, офисах и на 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 бить вас током, когда вы прикасаетесь к компонентам цепи, вместо этого ток будет течь по более проводящему заземляющему проводу. Заземление не только убережет вас от удара током, но и убережет ваше оборудование от скачков тока, которые в противном случае также «поразили бы» его.

Примечание: Само по себе высокое напряжение не наносит вреда. Тем не менее, большая разница в напряжении делает скачок заряда более желательным и при этом создает больший ток.Представьте, что вы стоите на краю высокой скалы. Проблема не в том, чтобы быть на высокой скале. Это то, что происходит после того, как вы ступаете, потому что камень под ногами больше не «изолирует» вас от влияния гравитации и позволяет воздуху легко «проводить» вас (надеюсь, в подстраховку!).

Трехконтактная вилка

В бытовых условиях заземление лечит как «симптом», так и «болезнь» в случае непредвиденного накопления зарядов на поверхностях приборов.Это не только позволяет мошенническим зарядам немедленно выйти «в одну сторону», чтобы они могли рассредоточиться в другом месте, но также предотвращает проникновение более нежелательных зарядов, прерывая цепь «вверх по течению».

Типичная современная розетка имеет три отверстия: две боковые прорези и почти круглое отверстие внизу. Меньшая вертикальная щель предназначена для «горячего» провода (или буквально вилки) для входящего тока; его более длинный партнер предназначен для нейтрального (выходного) провода. Круглая вилка представляет собой заземляющий провод, подключенный прямо к выходу из цепи, поэтому опасные заряды, которые в противном случае протекали бы по поверхности прибора, могут уйти на землю.Этот провод устроен так, что выше заданного уровня тока вся цепь разрывается и весь поступающий ток прекращается.

Примеры заземления

Заземление обеспечивает безопасную стабилизацию напряжения ​ в больших цепях и системах. Стабилизатор напряжения гарантирует, что входное напряжение, которое может значительно колебаться вокруг своего желаемого значения внутри сложных и чувствительных схем, таких как компьютерный микропроцессор, нормализуется до строго ограниченного значения путем увеличения или уменьшения V по мере необходимости.

Электроскоп ​ представляет собой проводник, который использует индукцию заряда для сигнализации о наличии внешних зарядов. При этом используется принцип отталкивания электронов друг от друга. Если источник электронов, такой как заряженный стеклянный стержень (пример статического электричества; электроны просто «сидят» там, потому что стекло изолирует), поднести близко к проводящему (но нейтральному!) электроскопу, это «толкает» электроны в шаре так далеко, как они могут уйти. Это к центру устройства, где металлические «листья» раздвигаются, чтобы сигнализировать электронам, собравшимся у края шара на поверхности кончика стержня.

Когда это происходит, накопление электронов внутри должно быть каким-то образом уравновешено, поскольку сфера является проводящей. Как следствие, положительные заряды собираются, как и следовало ожидать, вблизи кончика стержня.

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

Заземление

Заземление : это процесс, посредством которого объект разрешается разрядить (избавиться от его избыточного заряда).

 

(1)Если заземляемый объект заряжен отрицательно, заземление пропускает избыток электронов течь от объекта в землю или другое крупное вещество, или

(2) Если объект заряжен положительно, электроны перетекают из земли или другого крупного нейтрального вещества в объект.

 

 

Слева на рисунке показано заряженный электроскоп, который заряжался от прикосновения к нему воздушным шаром которым натирали волосы добровольца.Обратите внимание, какие листья оттолкнулся (похож на бабочку). Но когда листья касаются электроскоп заземлен. Если электроскоп застрял с отрицательным зарядом, прикосновение к нему позволяло избыточным электронам течь в тело человека.

 

Почему Заземление происходит?

 

 

 

Заземление происходит из-за отталкивания электронов сами и так переместятся из людного места (наконечник громоотвода вот только что ударила молния) в малолюдное место, например на землю.Обвинение плотность — это мера того, насколько многолюдно место.

 

 

 

 

 

 

Плотность заряда

 

Что произошло бы, если бы две сферы оказались в контакта, учитывая, что сфера слева имеет плотность заряда 6 единиц на 6 см 2 , тогда как тот, что справа, имеет заряд всего 4 ед. плата за 6 см 2 .

 

 

Теоретически одна единица отрицательного заряд должен перетекать из заполненной сферы в менее заполненную сферу. В этот момент обе сферы будут иметь 5 единиц на 6 см 2 .

 

А теперь представьте ту же сферу (та, что с 6 единицами заряда первоначально) в контакте с землей. Что будет с зарядом? То площадь земли 4,69 х 10 18 см 2 .Даже после проигрыша 5 единиц заряда, он по-прежнему будет представлять более высокую плотность заряда, чем земной шар. В результате последняя единица заряда тоже утечет в землю. Это будет заземлен.

 

Две сферы соприкасаются друг с другом. Каждый изначально имеет одинаковый заряд. Но одна из сфер меньше (площадь = 9 см 2 ), поэтому проигрывает 4 единицы заряда менее людному и большему сфера (площадь = 18 см 2 ).

 

Как со скольких единиц заряда начиналась каждая сфера?

 

(х — 4)/9 = (х + 4)/18

х = 12

 

Закон Кулона

 

(только 430) Сила F между двумя объектами с зарядом q 1 и q 2 , определяется как:

 

, где r = расстояние между двумя зарядами в метрах

тыс. = постоянная Кулона = 9 X 10 9 Нм 2 /C 2 .

Пример 1

 

(1) С каким коэффициентом сила притяжения между двумя противоположно заряженными объекты увеличиваются, если мы уменьшили расстояние между ними до половины исходное расстояние?

 

С сила обратно пропорциональна к квадрату расстояния между заряда, он увеличится в разы [(1/2) -1 ] 2 = 4.

 

Пример 1

 

(2) Что произойдет с силой отталкивания между двумя отрицательно заряженными объектов, если мы удвоим расстояние между ними и заменим q 1 на 2q 1 ?

 

Сила прямо пропорциональна заряду. Таким образом, удвоение заряда удваивается отталкивающая сила, до сих пор. Но если мы также удвоим расстояние, сила станет [(2) -1 ] 2 = оригинал.Комбинированный эффект тогда это сила, которая * 2 = 1/2 от исходной сила.

проводников, изоляторов и индукционная зарядка — University Physics Volume 2

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Объясните, что такое проводник
  • Объясните, что такое изолятор
  • Перечислите различия и сходства между проводниками и изоляторами
  • Опишите процесс зарядки индукцией

В предыдущем разделе мы говорили, что ученые смогли создать электрический заряд только на неметаллических материалах и никогда на металлах.Чтобы понять, почему это так, вам нужно больше узнать о природе и структуре атомов. В этом разделе мы обсудим, как и почему электрические заряды движутся — или не движутся — через материалы ((Рисунок)). Более полное описание дано в следующей главе.

Проводники и изоляторы

Как обсуждалось в предыдущем разделе, электроны окружают крошечное ядро ​​в виде (сравнительно) обширного облака отрицательного заряда. Однако это облако имеет определенную структуру.Давайте рассмотрим атом наиболее часто используемого проводника — меди.

По причинам, которые станут ясны в «Структуре атома», существует самый внешний электрон, который слабо связан с ядром атома. Его можно легко сместить; затем он перемещается к соседнему атому. В большой массе атомов меди (такой как медная проволока или лист меди) это огромное количество самых удаленных электронов (по одному на атом) блуждает от атома к атому, и это электроны, которые движутся, когда течет электричество.Эти блуждающие, или «свободные», электроны называются электронами проводимости s , и поэтому медь является отличным проводником (электрического заряда). Все проводящие элементы имеют одинаковое расположение электронов с одним или двумя электронами проводимости. Сюда входит большинство металлов.

Изоляторы , напротив, сделаны из материалов, в которых отсутствуют электроны проводимости; заряд течет только с большим трудом, если вообще течет. Даже если к изоляционному материалу добавить избыточный заряд, он не может двигаться, оставаясь на месте неопределенное время.Вот почему изоляционные материалы проявляют силы электрического притяжения и отталкивания, описанные ранее, тогда как проводники этого не делают; любой избыточный заряд, размещенный на проводнике, мгновенно стечет (из-за взаимного отталкивания существующих зарядов), не оставив вокруг лишнего заряда для создания сил. Заряд не может течь вдоль изолятора или через него, поэтому его электрические силы сохраняются в течение длительных периодов времени. (Заряд рассеется от изолятора при наличии достаточного времени.) Так уж вышло, что янтарь, мех и большинство полудрагоценных камней являются изоляторами, как и такие материалы, как дерево, стекло и пластик.

Индукционная зарядка

Рассмотрим подробнее, что происходит в проводнике при приближении к нему электрически заряженного предмета. Как уже упоминалось, электроны проводимости в проводнике могут двигаться почти с полной свободой. В результате, когда заряженный изолятор (например, положительно заряженный стеклянный стержень) приближается к проводнику, (общий) заряд изолятора оказывает электрическое воздействие на электроны проводимости. Поскольку стержень заряжен положительно, электроны проводимости (которые сами заряжены отрицательно) притягиваются и текут к изолятору на ближнюю сторону проводника ((рисунок)).

Теперь проводник по-прежнему в целом электрически нейтрален; электроны проводимости изменили положение, но они все еще находятся в проводящем материале. Однако проводник теперь имеет заряд , распределение ; ближний конец (часть проводника, ближайшая к изолятору) теперь имеет больше отрицательного заряда, чем положительного, и обратное верно для конца, наиболее удаленного от изолятора. Перемещение отрицательных зарядов на ближнюю сторону проводника приводит к общему положительному заряду в части проводника, наиболее удаленной от изолятора.Таким образом, мы создали распределение электрического заряда, которого раньше не было. Этот процесс называется , вызывающим поляризацию — в данном случае, поляризацию проводника. Возникающее в результате разделение положительного и отрицательного заряда называется поляризацией, а вещество или даже молекула, проявляющая поляризацию, называется поляризованным. Аналогичная ситуация возникает с отрицательно заряженным изолятором, но результирующая поляризация имеет противоположное направление.

Индуцированная поляризация.Положительно заряженный стеклянный стержень подносят к левой стороне проводящей сферы, притягивая к себе отрицательный заряд и оставляя другую сторону сферы положительно заряженной. Хотя сфера в целом по-прежнему электрически нейтральна, теперь в ней есть распределение заряда, поэтому она может оказывать электрическое воздействие на другие близлежащие заряды. Кроме того, распределение таково, что оно будет притягиваться к стеклянной палочке.

В результате образуется то, что называется электрическим диполем, от латинской фразы, означающей «два конца».Наличие электрических зарядов на изоляторе — и электрические силы, которые они прикладывают к электронам проводимости, — создает или «индуцирует» диполь в проводнике.

Нейтральные объекты могут притягиваться к любому заряженному объекту. Например, кусочки соломы, притянутые к полированному янтарю, нейтральны. Если провести пластиковой расческой по волосам, заряженная расческа может собрать нейтральные кусочки бумаги. (Рисунок) показывает, как поляризация атомов и молекул в нейтральных объектах приводит к их притяжению к заряженному объекту.

Как положительные, так и отрицательные объекты притягивают нейтральный объект, поляризуя его молекулы. а) Положительный объект, поднесенный к нейтральному изолятору, поляризует его молекулы. Происходит небольшой сдвиг в распределении электронов, вращающихся вокруг молекулы, при этом разноименные заряды приближаются, а одноименные отдаляются. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, возникает чистое притяжение. (b) Отрицательный объект создает противоположную поляризацию, но снова притягивает нейтральный объект.(c) Тот же эффект имеет место для проводника; поскольку разноименные заряды ближе, возникает чистое притяжение.

Когда заряженный стержень приближается к нейтральному веществу, в данном случае к изолятору, распределение заряда в атомах и молекулах немного смещается. Противоположный заряд притягивается к внешнему заряженному стержню, а одноименный отталкивается. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, отталкивание одноименных зарядов слабее, чем притяжение разноименных зарядов, и поэтому возникает чистое притяжение.Таким образом, положительно заряженная стеклянная палочка притягивает нейтральные кусочки бумаги, как и отрицательно заряженная резиновая палочка. Некоторые молекулы, например вода, являются полярными молекулами. Полярные молекулы имеют естественное или врожденное разделение зарядов, хотя в целом они нейтральны. Полярные молекулы особенно подвержены влиянию других заряженных объектов и проявляют более сильные поляризационные эффекты, чем молекулы с естественным однородным распределением заряда.

Когда два конца диполя могут быть разделены, этот метод зарядки посредством индукции может использоваться для создания заряженных объектов без передачи заряда.На (рис.) мы видим две нейтральные металлические сферы, соприкасающиеся друг с другом, но изолированные от остального мира. Положительно заряженный стержень подносят к одному из них, притягивая отрицательный заряд к этой стороне, оставляя другой шар положительно заряженным.

Зарядка индукционная. (а) Два незаряженных или нейтральных металлических шара соприкасаются друг с другом, но изолированы от остального мира. (b) Положительно заряженную стеклянную палочку подносят к сфере слева, притягивая к себе отрицательный заряд и оставляя другую сферу положительно заряженной.(c) Сферы разделяются до того, как стержень удаляется, таким образом разделяя отрицательные и положительные заряды. (d) Сферы сохраняют суммарные заряды после удаления индуцирующего стержня, даже если к ним не прикасался заряженный объект.

Другой способ индукционной зарядки показан на (Рисунок). Нейтральный металлический шар поляризуется, когда к нему подносят заряженный стержень. Затем сфера заземляется, а это означает, что проводящий провод проходит от сферы к земле. Поскольку Земля большая и большая часть земли является хорошим проводником, она может легко поставлять или принимать избыточный заряд.В этом случае электроны притягиваются к сфере через провод, называемый заземляющим проводом, потому что он обеспечивает проводящий путь к земле. Заземление разрывается до того, как заряженный стержень удаляется, в результате чего остается сфера с избыточным зарядом, противоположным заряду стержня. Опять же, при зарядке за счет индукции достигается противоположный заряд, и заряженный стержень не теряет своего избыточного заряда.

Индукционная зарядка с использованием заземления. а) К нейтральному металлическому шару подносят положительно заряженный стержень, который поляризует его.(b) Сфера заземлена, что позволяет электронам притягиваться из достаточного количества Земли. (c) Нарушено соединение с землей. (d) Положительный стержень удаляется, оставляя сферу с индуцированным отрицательным зарядом.

Электростатика — Электроскоп | Электричество и магнетизм | Демонстрации физики | Физика | Колледж науки и техники

В нашем распоряжении несколько электроскопов.

Отлично подходят для демонстрации основ электростатики.Выступ, торчащий сверху, соединяется с материалом посередине. Материал посередине состоит из продолжения твердого токопроводящего стержня и полоски фольги. Обычно они сидят в контакте, но если им дать заряд, они оттолкнутся. Электроскоп можно заряжать с помощью стеклянных или резиновых палочек, натертых о шелк или шерсть. Оборудование, необходимое для набора экспериментов с электроскопом:

Когда стеклянную палочку натирают шелком, шелк отрывает электроны от палочки, оставляя на ней положительный заряд.Когда твердый резиновый стержень трется о шерсть, он получает электроны от шерсти, приобретая отрицательный заряд.

На самом деле это один из самых безотказных электростатических экспериментов, которые я когда-либо видел. Фотографии, размещенные на этой странице, были сделаны в жаркий влажный день (который обычно означает смерть для электростатических экспериментов). Если ваши результаты кажутся довольно слабыми и невпечатляющими, трите стержни более энергично и дольше, и это должно сработать.

А теперь займемся наукой. Класс, встречайте электроскоп:

Фольга находится на левой стороне токопроводящего стержня.На этом электроскопе нет чистого заряда. Это содержательный, но скучный электроскоп. Давайте немного смешаем вещи. Натираем наш резиновый стержень, делая его отрицательным, приближаем и…

Фольга движется! Это магия! Фольга движется, потому что фольга и проводящий стержень рядом с ней заряжены отрицательно. Откуда я это знаю? Я умный, вот почему.

Когда отрицательно заряженный стержень приближается к электроскопу, положительные заряды притягиваются к нему, а отрицательные отталкиваются от него.Поскольку протоны не двигаются (они составляют структуру всех вещей), отрицательно заряженные электроны — единственные заряженные частицы внутри электроскопа, которые могут двигаться в ответ на этот заряженный стержень. Когда резиновый стержень приближается, электроны выталкиваются в электроскоп, отрицательно заряжая проводящий стержень и фольгу, оставляя верхнюю часть положительно заряженной. Обратите внимание, что чистый заряд электроскопа по-прежнему равен нулю. Если я уберу стержень в этот момент:

Если теперь мы приведем отрицательно заряженный резиновый стержень в контакт с верхней частью электроскопа, чтобы между электроскопом и резиновым стержнем мог передаваться заряд, этого не произойдет.

Электроскоп имеет общий нейтральный заряд, а резиновый стержень имеет общий отрицательный заряд. Если они соприкоснутся, они оба получат суммарный отрицательный заряд. Уберите резиновый стержень, и электроскоп останется с отрицательным зарядом.

Верните отрицательно заряженный стержень, и в электроскоп попадет еще больше электронов.

Зарядите стеклянную палочку шелком (придав ей положительный заряд) и поднесите ее ближе, и избыток электронов сильнее сконцентрируется вверху, немного нейтрализуя нижнюю часть.

И, конечно же, я могу заземлить электроскоп, просто прикоснувшись к нему и украв все эти лишние электроны.

Теперь электроскоп снова нейтрален. Там нет чистого заряда к нему.

Итак, мы зарядили электроскоп контактным путем, а теперь давайте попробуем кое-что, что на первый взгляд больше похоже на колдовство. Зарядим электроскоп индукцией. Для начала давайте снова зарядим резиновый стержень и приблизим его, но на этот раз мой палец останется на электроскопе, чтобы он оставался заземленным.

Заряд не показывается, что понятно, ведь электроскоп заземлен. Я воздержусь от описания физики для пары картинок, чтобы сделать ее более драматичной. А пока давайте просто пройдемся по процедуре. Я убираю палец, чтобы он больше не был заземлен, и…

… ничего. Даже с отрицательно заряженным стержнем рядом с ним мы все еще не видим никакого заряда внизу. Что это может означать в отношении суммарного заряда электроскопа? Давайте поспешим на следующий шаг, прежде чем вы опередите меня и правильно ответите: давайте уберем резиновый стержень.

Сейчас заряжен! Отлично. Итак, очевидно, поскольку мы использовали отрицательно заряженный стержень для его зарядки, фольга должна подняться еще выше, если мы снова приблизим ее, точно так же, как мы видели в предыдущем упражнении по зарядке от контакта, верно?

Неправильно. Первая подсказка должна была быть две картинки назад, что жутко похоже. СЕЙЧАС раскрою физику зарядки индукцией. Когда я заземлил электроскоп, я предоставил электронам другой путь убегания вместо того, чтобы спускаться по проводящему стержню.Человеческое тело представляет собой огромный резервуар заряда по сравнению с электроскопом, поэтому все подвижные электроны предпочтут попасть в мой палец, а не по проводящему стержню и фольге. Таким образом, когда отрицательно заряженный стержень приближается, электроскоп приобретает положительный суммарный заряд, так как некоторые из его электронов улетают в мой палец. Ближайшая к отрицательно заряженному стержню верхняя часть заряжена, а нижняя часть электроскопа остается нейтральной. Когда резиновый стержень удаляется, заряды внутри электроскопа немного рассеиваются, и, таким образом, весь электроскоп приобретает положительный заряд.

Чтобы подтвердить это, мы подносим положительно заряженную стеклянную палочку поближе, чтобы увидеть, что фольга действительно получает более сильный положительный заряд.

Последнее, что осталось сделать, это заземлить электроскоп. В этот раз давайте сделаем это с огнем, ведь с огнем все веселее и интереснее*!

Огонь ионизирует воздух вокруг себя, разделяя положительные и отрицательные заряды. Если это ионизированное облако приблизить к чему-то заряженному, оно поможет его нейтрализовать.В этом случае свободные электроны притягиваются к положительно заряженному электроскопу. Они встречаются, находят общий язык и живут долго и счастливо.

*Наши коллеги с химического факультета неоднократно сообщали мне, что не разделяют этого мнения. Вот почему физика всегда была и будет лучше.

Электростатика — Система заземления проводящих пластин

Итак, я всегда делаю ошибки в таких задачах, как эта (часть заземления), поэтому я надеюсь, что кто-нибудь действительно объяснит мне, как работает этот процесс.

Имеется $n$ больших параллельных плоских проводников с зарядами $Q_1, Q_2$,…… $Q_n$ соответственно.

  1. Если левый проводник (проводник $Q_1$) заземлен, то необходимо найти величину заряда, стекающего с пластины на землю.

  2. Если какой-либо проводник заземлен, мы должны найти величину заряд течет от пластины к земле.

Мне действительно удалось решить проблему.

Вопрос 1:

Первоначальный заряд на заземленном проводе $Q_1$

Если предположить, что обе крайние пластины (т.{th}$ пластина (пластина $Q_r$) заземлена, Предполагая, что обе крайние пластины (т.е. левая поверхность $Q_1$ и правая поверхность $Q_n$) имеют нулевой заряд после заземления, после записи распределения заряда для поля 0-

Первоначальный заряд на заземленном проводнике $Q_r = Q_r$

Окончательный заряд (на левой поверхности) = $-(Q_1 + Q_2 +… + Q_r-1)$

Окончательный заряд (на правой поверхности) = $-(Q_r+1 + Q_r+2 + …. + Q_n-1 + Q_n)$

Общая окончательная стоимость = — $(Q_1 + Q_2 +…. +Q_n )$ (*$Q_r$ отсутствует)

Изменение начисления = $-(Q_1 + Q_2 + …. + Q_n)$

Итак, начисленный заряд = $(Q_1 + Q_2 + …. + Q_n)$

Численно ответы совпадают. Но я не получаю:

  1. Почему крайние заряды становятся равными нулю, когда любой проводник, даже не обязательно первый, заземлен?

  2. Я был бы признателен за интуитивное объяснение, почему заряд, вылетающий из земли, не зависит от того, какой провод заземлен.

Я думал об одном подходе:

Подход

: как уже отмечалось, используемое приближение состоит в том, что все пластины имеют одинаковый потенциал. Если какая-либо одна пластина заземлена, то все пластины имеют нулевой потенциал и сумма их зарядов равна нулю.

Верен ли мой подход, есть ли другой подход?

Что произойдет, если заземлить более одной пластины?

Charge and Carry: физика и наука об электричестве

Когда вы протираете пластину из пенопласта шерстяной тканью, вы заряжаете ее отрицательно.Это потому, что пена притягивает электроны от ткани. Часто тарелка только что из упаковки начинает с положительного заряда. Если это произойдет, вам придется тереть пластину достаточно долго, чтобы отменить этот первоначальный заряд, прежде чем вы сможете начать создавать значительный отрицательный заряд. Используя электроскоп (например, тот, который вы можете построить с помощью нашего упражнения «Электроскоп»), вы можете определить, заряжена ли пена положительно или отрицательно. Пенопласт или пенопласт TM — изолятор; он будет удерживать свой заряд до тех пор, пока не будет разряжен током, просачивающимся в воздух или вдоль пленки влаги на его поверхности.

Когда вы кладете форму для пирога на пенопластовую тарелку, электроны на пене отталкивают электроны на противне. Поскольку электроны не могут покинуть форму для пирога, потому что она полностью окружена изолирующим воздухом и пеной, форма остается нейтральной. Если вы коснетесь формы для пирога, когда она находится рядом с пенопластовой пластиной, подвижные электроны будут вытолкнуты из формы на вас. Электроны образуют искру, когда они пролетают несколько миллиметров по воздуху, чтобы добраться до вашего пальца. Воздух в искре ионизируется, поскольку движущиеся электроны сбивают другие электроны с молекул воздуха.Ионизированный воздух излучает свет и звук. Вы также можете почувствовать поток электронов через палец.

После того, как электроны перескочат к вашему пальцу, кастрюля будет иметь положительный заряд. Физики говорят, что кастрюля была заряжена индукцией. Вы можете носить положительно заряженную кастрюлю за ручку и переносить положительный заряд на другие предметы. Например, если вы снова поднесете положительно заряженную сковороду к пальцу или к любому объекту, который может быть источником электронов, сковорода притянет электроны, создав вторую искру.

Когда вы прикасаетесь положительно заряженной формой для пирога к гвоздю на лейденской банке, электроны от гвоздя перетекают на форму для пирога. Полученный положительный заряд на гвозде притягивает электроны от вашего тела через вашу руку на алюминиевую фольгу банки. Тогда лейденская банка будет иметь положительно заряженный центр, отделенный от отрицательной фольги снаружи изолирующим пластиком банки с пленкой. Если вы прикоснетесь одним пальцем к фольге, а другой поднесете к гвоздю в центре лейденской банки, проскочит искра, так как отрицательные заряды притянутся через вас к положительному гвоздю.

Прелесть лейденской банки в том, что она может накапливать заряды от нескольких заряженных сковородок для пирогов, создавая таким образом более крупную, более заметную, более мощную (и более болезненную) искру.

18.2: Проводники и изоляторы — Физика LibreTexts

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

  • Дайте определение проводника и изолятора, объясните разницу и приведите примеры каждого из них.
  • Опишите три способа зарядки объекта.
  • Объясните, что происходит с электрической силой по мере удаления от источника.
  • Задать поляризацию.

Некоторые вещества, такие как металлы и соленая вода, позволяют зарядам проходить сквозь них относительно легко. Некоторые электроны в металлах и подобных проводниках не связаны с отдельными атомами или участками материала. Эти свободных электронов могут двигаться через материал так же, как воздух движется через рыхлый песок. Любое вещество, которое имеет свободные электроны и позволяет заряду относительно свободно перемещаться по нему, называется проводником .Движущиеся электроны могут сталкиваться с неподвижными атомами и молекулами, теряя часть энергии, но они могут двигаться в проводнике. Сверхпроводники позволяют перемещать заряд без потери энергии. Соленая вода и другие подобные проводящие материалы содержат свободные ионы, которые могут проходить сквозь них. Ион — это атом или молекула, имеющие положительный или отрицательный (ненулевой) общий заряд. Другими словами, общее количество электронов не равно общему количеству протонов.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): В этом адаптере питания используются металлические провода и разъемы для передачи электричества от настенной розетки к портативному компьютеру.{23}\) раз медленнее, чем в проводниках. Например, чистая вода и сухая поваренная соль являются изоляторами, тогда как расплавленная соль и соленая вода являются проводниками.

Зарядка от контакта

На рисунке \(\PageIndex{2}\) показан электроскоп, который заряжается при прикосновении к нему положительно заряженной стеклянной палочкой. Поскольку стеклянный стержень является изолятором, он должен фактически касаться электроскопа, чтобы передавать на него или от него заряд. (Обратите внимание, что дополнительные положительные заряды остаются на поверхности стеклянной палочки в результате натирания ее шелком перед началом эксперимента.) Поскольку в металлах движутся только электроны, мы видим, что они притягиваются к верхней части электроскопа. Там некоторые переносятся на положительный стержень на ощупь, оставляя электроскоп с чистым положительным зарядом.

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Электроскоп — излюбленный инструмент на демонстрациях физики и в студенческих лабораториях. Обычно он состоит из листьев из золотой фольги, подвешенных к (проводящему) металлическому стержню, и изолирован от комнатного воздуха в контейнере со стеклянными стенками. (а) Положительно заряженную стеклянную палочку подносят к кончику электроскопа, притягивая электроны к вершине и оставляя положительный заряд на листьях.Словно заряды на свету отталкиваются гибкие золотые листья, разделяя их. (b) Когда стержень касается шарика, электроны притягиваются и передаются, уменьшая суммарный заряд стеклянного стержня, но оставляя электроскоп положительно заряженным. (c) Избыточные заряды равномерно распределяются в ножке и лепестках электроскопа после удаления стеклянной палочки.

Электростатическое отталкивание в створках заряженного электроскопа разделяет их. Электростатическая сила имеет горизонтальную составляющую, которая приводит к раздвижению листьев, а также вертикальную составляющую, которая уравновешивается гравитационной силой.Точно так же электроскоп может быть заряжен отрицательно при контакте с отрицательно заряженным объектом.

Индукционная зарядка

Нет необходимости передавать избыточный заряд непосредственно объекту, чтобы зарядить его. На рисунке \(\PageIndex{3}\) показан метод индукции, при котором заряд создается в близлежащем объекте без прямого контакта. Здесь мы видим две нейтральные металлические сферы, соприкасающиеся друг с другом, но изолированные от остального мира. Положительно заряженный стержень подносят к одному из них, притягивая отрицательный заряд к этой стороне, оставляя другой шар положительно заряженным.

Рисунок \(\PageIndex{3}\): Индукционная зарядка. (а) Два незаряженных или нейтральных металлических шара соприкасаются друг с другом, но изолированы от остального мира. (b) Положительно заряженную стеклянную палочку подносят к сфере слева, притягивая к себе отрицательный заряд и оставляя другую сферу положительно заряженной. (c) Сферы разделяются до того, как стержень удаляется, тем самым разделяя отрицательный и положительный заряды. (d) Сферы сохраняют суммарные заряды после удаления индуцирующего стержня, даже если к ним не прикасался заряженный объект.

Это пример наведенной поляризации нейтральных объектов. Поляризация — это разделение зарядов в объекте, который остается нейтральным. Если сферы теперь разделены (до того, как стержень будет оторван), каждая сфера будет иметь суммарный заряд. Обратите внимание, что объект, ближайший к заряженному стержню, получает противоположный заряд при индукционной зарядке. Обратите также внимание на то, что с заряженного стержня не снимается заряд, так что этот процесс можно повторить, не истощая запас избыточного заряда.

Рисунок \(\PageIndex{4}\): Индукционная зарядка с использованием заземления.а) К нейтральному металлическому шару подносят положительно заряженный стержень, который поляризует его. (b) Сфера заземлена, что позволяет электронам притягиваться из достаточного количества земли. (c) Нарушено соединение с землей. (d) Положительный стержень удаляется, оставляя сферу с индуцированным отрицательным зарядом.

Другой метод индукционной зарядки показан на рисунке \(\PageIndex{4}\). Нейтральный металлический шар поляризуется, когда к нему подносят заряженный стержень. Затем сфера заземляется, а это означает, что проводящий провод проходит от сферы к земле.Поскольку земля большая и большая часть земли является хорошим проводником, она может легко подавать или принимать избыточный заряд. В этом случае электроны притягиваются к сфере через провод, называемый заземляющим проводом, потому что он обеспечивает проводящий путь к земле. Заземление разрывается до того, как заряженный стержень удаляется, в результате чего остается сфера с избыточным зарядом, противоположным заряду стержня. Опять же, противоположный заряд достигается при зарядке индукцией, и заряженный стержень не теряет своего избыточного заряда.

Нейтральные объекты могут притягиваться к любому заряженному объекту. Например, кусочки соломы, притянутые к полированному янтарю, нейтральны. Если провести пластиковой расческой по волосам, заряженная расческа может собрать нейтральные кусочки бумаги. На рисунке \(\PageIndex{5}\) показано, как поляризация атомов и молекул в нейтральных объектах приводит к их притяжению к заряженному объекту.

Рисунок \(\PageIndex{5}\): как положительные, так и отрицательные объекты притягивают нейтральный объект, поляризуя его молекулы.а) Положительный объект, поднесенный к нейтральному изолятору, поляризует его молекулы. Происходит небольшой сдвиг в распределении электронов, вращающихся вокруг молекулы, при этом разноименные заряды приближаются, а одноименные отдаляются. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, возникает чистое притяжение. (b) Отрицательный объект создает противоположную поляризацию, но снова притягивает нейтральный объект. (c) Тот же эффект имеет место для проводника; поскольку разноименные заряды ближе, возникает чистое притяжение.

Когда заряженный стержень приближается к нейтральному веществу, в данном случае к изолятору, распределение заряда в атомах и молекулах немного смещается. Противоположный заряд притягивается к внешнему заряженному стержню, а одноименный отталкивается. Поскольку электростатическая сила уменьшается с расстоянием, отталкивание одноименных зарядов слабее, чем притяжение разноименных зарядов, и поэтому возникает чистое притяжение. Таким образом, положительно заряженная стеклянная палочка притягивает нейтральные кусочки бумаги, как и отрицательно заряженная резиновая палочка.Некоторые молекулы, например вода, являются полярными молекулами. Полярные молекулы имеют естественное или врожденное разделение зарядов, хотя в целом они нейтральны. Полярные молекулы особенно подвержены влиянию других заряженных объектов и проявляют более сильные поляризационные эффекты, чем молекулы с естественным однородным распределением заряда.

Проверьте свое понимание

Можете ли вы объяснить притяжение воды к заряженному стержню на рисунке ниже?

Рисунок \(\PageIndex{6}\).

Раствор

Молекулы воды поляризованы, что придает им слегка положительные и слегка отрицательные стороны.Это делает воду еще более восприимчивой к притяжению заряженного стержня. Когда вода течет вниз, под действием силы тяжести заряженный проводник оказывает суммарное притяжение к противоположным зарядам в потоке воды, притягивая его ближе.

PHET ИССЛЕДОВАНИЯ: ДЖОН ТРАВОЛТАЖ

Запускайте искры вместе с Джоном Траволтажем. Пошевелите ногой Джонни, и он подберет заряды с ковра. Поднесите руку к дверной ручке и избавьтесь от лишнего заряда.

Резюме

  • Поляризация — это разделение положительных и отрицательных зарядов в нейтральном объекте.
  • Проводник — это вещество, которое позволяет заряду свободно течь через свою атомную структуру.
  • Диэлектрик удерживает заряд внутри своей атомной структуры.
  • Объекты с одинаковыми зарядами отталкиваются друг от друга, а объекты с разными зарядами притягиваются.
  • Проводящий объект считается заземленным, если он соединен с Землей через проводник. Заземление позволяет передавать заряд в большой земной резервуар и обратно.
  • Объекты могут быть заряжены при контакте с другим заряженным объектом и получить такой же знак заряда.
  • Если объект временно заземлен, он может быть заряжен индукцией и получит заряд противоположного знака.
  • Положительные и отрицательные заряды поляризованных объектов сосредоточены в разных областях, что придает им несимметричный заряд.
  • Полярным молекулам присуще разделение зарядов.

Глоссарий

свободный электрон
электрон, который может свободно уйти со своей атомной орбиты
проводник
материал, который позволяет электронам двигаться отдельно от их атомных орбит
изолятор
материал, который надежно удерживает электроны на их атомных орбитах
с заземлением
, когда проводник подключен к Земле, что позволяет заряду свободно течь в и из неограниченного резервуара Земли
индукция
процесс, при котором электрически заряженный объект, поднесенный к нейтральному объекту, создает заряд в этом объекте
поляризация
незначительное смещение положительных и отрицательных зарядов к противоположным сторонам атома или молекулы
электростатическое отталкивание
явление отталкивания двух тел с одинаковыми зарядами

Авторы и авторство

Пол Питер Урон (почетный профессор Калифорнийского государственного университета, Сакраменто) и Роджер Хинрикс (Государственный университет Нью-Йорка, Колледж в Освего) с соавторами: Ким Диркс (Оклендский университет) и Манджула Шарма (Сиднейский университет).

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.