Что такое заземление в физике

Что такое заземление? Зачем оно нужно?

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:

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:

• Правила прокладки кабелей
• Применение кабелей и проводов в различных средах и условиях
• Как оценить качество кабеля самостоятельно
• Электромонтаж в ванной
• Электропроводка в бане
• Прокладка кабеля в земле
• Правила монтажа скрытой электропроводки
• Расшифровка аббревиатур в названии марок кабеля и провода
• Маркировка кабелей и проводов

Киевский офис
044-338-41-08
050-295-69-71
067-281-27-01

Наш адрес:
Киев, пр-т Освободителей, 3А, корп. 3, оф. 63

график работы:
Пн-Пт . 8:30 — 18:00
Сб, Вс . выходной

Присоединяйтесь к нам на Facebook

цены на кабельно-проводниковую продукцию:

Слободянюк А.И. Физика 10/10.3

§10. Проводники и диэлектрики в электростатическом поле

10.3 Применение электростатических свойств проводников.

Приведем некоторые примеры использования рассмотренных свойств поведения проводников в электрическом поле.

Электростатическая защита.

Иногда возникает необходимость изолировать некоторые тела, приборы от воздействия внешних электрических полей. Для такой изоляции их помещают внутрь металлического корпуса. Мы показали, что при помещении проводника во внешнее электрическое поле, индуцированные заряды возникают только на поверхности проводника, а поле внутри проводника оказывается равным нулю.

Пусть, например, металлический шар помещен в однородное электрическое поле напряженностью \(~\vec E_0\) (рис. 236). Под действием этого поля на поверхности шара возникнут индуцированные заряды, поверхностная плотность которых σ₀, будет различна в различных точках поверхности шара. Эти заряды приведут к изменению электрического поля: внутри шара напряженность поля станет равной нулю, снаружи – силовые линии поля будут перпендикулярны поверхности шара. Если теперь внутри шара вырезать произвольную полость, то от этой «операции» распределение поля и индуцированных зарядов не изменится, так как изъята та часть шара, где нет ни зарядов, ни поля. Аналогичные рассуждения можно распространить на произвольную полость внутри проводящего тела произвольной формы, находящегося в произвольном электростатическом поле – в любом случае поле внутри полости будет отсутствовать. Говорят, что проводящая оболочка экранирует внешнее электрическое поле.

Более того, можно показать, что аналогичного эффекта достигается даже в том случае, если сплошную проводящую оболочку заменить на металлическую сетку с мелкими ячейками. В этом случае электрическое поле проникает за сетку на глубину порядка размеров ячейки сетки.

Подчеркнем, что сплошная металлическая оболочка экранирует электрическое поле, находящееся снаружи от оболочки, но не те, которые находятся внутри нее. Пусть точечный заряд +q₀ находится внутри металлической сферической оболочки (рис. 237). Этот заряд создает электрическое поле, которое индуцирует электрические заряды, как на внутренней, так и на внешней поверхностях оболочки. Рассмотрим, как в этом случае изменится распределение электрического поля.

На внутренней поверхности распределятся отрицательные заряды с некоторой поверхностной плотностью σ₁. Внутри металла напряженность поля равна нулю, поэтому отрицательные индуцированные заряды σ₁ полностью экранируют поля заряда q₀ . Используя теорему Гаусса, легко показать, что суммарный заряд, индуцированный на внутренней поверхности, равен —q₀. Суммарный заряд оболочки остается равным нулю, следовательно, на ее внешней поверхности индуцируется положительный заряд равный +q₀. На поверхностное распределение этого заряда σ₂, заряды внутренней поверхности и заряд полости не действуют, поэтому они распределятся по поверхности оболочки равномерно, и вне оболочки будут создавать электрическое поле эквивалентное полю точечного заряда +q₀, помещенного в центр сферической оболочки. Подчеркнем такое распределение поля вне оболочки не зависит от положения заряда внутри полости – смещение этого заряда приведет к изменению поля внутри полости, изменению распределения зарядов на внутренней поверхности, но не изменяет поля вне оболочки.

Чтобы «убрать» поле снаружи от оболочки ей необходимо сообщить дополнительный отрицательный заряд, такого эффекта можно добиться, заземлив оболочку.

Как распределяются заряды между двумя связанными проводящими телами?

С точки зрения здравого смысла на теле больших размеров должен накапливаться больший электрический заряд. Чтобы обосновать это утверждение, рассмотрим два проводящих шара, радиусы которых обозначим R₁, R₂, находящиеся на большом расстоянии l друг от друга (l >> R₁, R₂), и соединенных проводником (рис. 238). Если этой системе сообщить электрический заряд Q, то заряды шаров q₁, q₂ распределятся так, чтобы их потенциалы были равны; суммарный же заряд системы, конечно, останется равным сообщенному заряду q₁ + q₂ = Q. Так как расстояние между шарами значительно больше их радиусов, то при расчете потенциала каждого шара можно пренебречь их взаимным влиянием и воспользоваться формулой для потенциала уединенного шара

Приравнивая эти потенциалы, получим, что заряды шаров пропорциональны их радиусам

Качественно аналогичный вывод справедлив и для проводящих тел произвольной формы. Если одно из тел значительно больше другого, то практически весь заряд окажется на большем теле. Действительно, из формул (1) следует, что при R₂ >> R₁

\(~q_1 \approx 0 ; q_2 \approx Q\) . (2)

Именно это обстоятельство используется для того, чтобы разрядить небольшое заряженное тело – его необходимо соединить с телом больших размеров. Так если к заряженному электроскопу прикоснуться рукой, то заряд перераспределится между электроскопом и телом человека, но так как размер последнего значительно больше размеров электроскопа, то можно считать, что весь заряд «сбежит» на человека. Часто в качестве тела больших размеров используют весь земной шар. Приборы, на которых не должен собираться электрический заряд «заземляют», для чего подключают их к массивному проводнику, закопанному в землю. В этом случае можно считать, что соотношения (2) выполняются точно. На схемах для указания того, что тело или прибор заземлены, используется специальное обозначение — .

В теоретических расчетах полагают, что заземление – есть соединение данного тела с телом бесконечно больших размеров, так что потенциал этого тела не изменяется при сообщении ему произвольного заряда и, наоборот, при необходимости это тело может сообщить произвольный заряд, не изменяя его потенциала, который естественно можно положить равным нулю. Поэтому также можно сказать, что заземление – это «соединение с бесконечностью», а потенциал заземленного тела равен нулю, кроме того, суммарный заряд заземленного тела может изменяться.

Уместно привести следующую аналогию. Если небольшое тело находится в тепловом контакте с окружающей средой, то с течением времени его температура станет равной температуре окружающей среды, независимо от того, было тело первоначально нагрето или охлаждено. То есть окружающая среда может получить любое количество теплоты, или отдать любое количество теплоты, а при этом ее температура не изменяется. Такая модель окружающей среды называется термостатом. Заземление в электростатике играет такую же роль, как окружающая среда (термостат) в теории тепловых явлений.

Если рассмотренную в предыдущем разделе сферическую оболочку заземлить, то положительные заряды на внешней поверхности «исчезнут – уйдут в землю», поэтому поле вне оболочки также исчезнет (рис. 239). Можно рассуждать и в обратном порядке: если внутрь полости заземленной оболочки поместить электрический заряд, то его поле индуцирует заряды противоположного знака на внутренней поверхности, эти заряды «прибегут из заземления».

Заметим, что поле внутри заземленной полости полностью определяется ее формой и распределением зарядов внутри нее и не зависит от формы всего тела и заряда последнего.

Генератор Ван-дер-Граафа.

Как мы показали, в условиях равновесия электрический заряд распределяется по внешней поверхности проводника – это позволяет в некоторых случаях накапливать на проводниках значительные электрические заряды.

Можно провести следующий эксперимент. На изолирующей ручке расположен небольшой металлический шарик (рис. 240). Если этому шарику сообщить небольшой электрический заряд q₀ (например, с помощью стеклянной палочки) и прикоснуться шариком к поверхности сферической насадки электроскопа, то только часть этого заряда перейдет на электроскоп. Если затем опять зарядить шарик до прежнего значения заряда q₀ и опять прикоснуться к внешней поверхности насадки, то меньшая часть заряда шарика перейдет на электроскоп. Таким способом можно сообщить электроскопу только конечный заряд, сколько бы раз мы не подзаряжали шарик. Действительно, когда потенциалы уединенного шарика и электроскопа сравняются, то перераспределение зарядов прекратится. Приближенно максимальный заряд электроскопа Q_max при таком способе зарядки можно оценить из условия равенства потенциалов, поэтому \(~Q_ \approx q_0 \frac\) , где R — радиус насадки электроскопа, r — радиус шарика. Если же зарядку электроскопа проводить с помощью такого же шарика, но прикасаясь к внутренней поверхности насадки, то электроскопу можно сообщить гораздо больший заряд. Действительно, если прикоснуться шариком к внутренней поверхности, то весь его заряд перейдет на внешнюю поверхность насадки, независимо от того, какой заряд на ней находится. В этом случае максимальный заряд электроскопа будет определяться внешними причинами – при очень большом заряде насадке начнется утечка зарядов через окружающую среду, т.е. через воздух.

По этому принципу работают устройства, позволяющие накапливать очень большие заряды (соответственно создающие большие разности потенциалов). Одним из первых таких устройств (заметим, использующихся до настоящего времени) является электростатический генератор Ван-дер-Граафа, принципиальная схема которого показана на рисунке 241. В генераторе Ван-дер-Граафа резиновая лента приводится в движение с небольшой скоростью электродвигателем. При движении лента проходит между электрически заряженными пластинами. Возникшие на ленте индуцированные заряды снимаются с внешней поверхности ленты с помощью контактной щетки и подаются на внутреннюю поверхность металлическом купола генератора, создавая достаточно сильные электростатические поля (высокие напряжения) в окружающем купол пространстве. Заряды с внутренней стороны ленты отводятся через шину заземления. Максимальный электрический заряд купола (и его потенциал) ограничиваются только утечкой заряда с купола через воздух. Такие генераторы используются для создания высокой разности потенциалов в линейных ускорителях частиц. Диаметр купола генератора может составлять несколько метров, а создаваемая разность потенциалов несколько миллионов вольт.

Что такое «заземление» и как оно влияет на здоровье

«Заземление» — оздоровительный тренд этого лета. О благоприятном воздействии поверхности Земли на человеческий организм рассуждают звездные коучи и психологи в России и за рубежом. Тем временем магию можно объяснить простыми законами физики.

Легкий способ положительно повлиять на собственное здоровье — увеличить тактильный контакт с землей. В прямом смысле: лечь на траву, закрыть глаза и забыть о проблемах. Группа американских ученых-медиков посвятила исследование практике «заземления» и выяснила, что контакт с природой понижает уровень стресса, положительно влияет на сон и лечит острые боли.

Изучением модного поветрия уже много лет занимается «экологическая медицина», но в зарубежных СМИ о «заземлении» заговорили относительно недавно. На фоне замысловатых и дорогих оздоровительных процедур оно выглядит приятным аутсайдером: не требует денежных вложений, соблюдения правил или рекомендаций. Тому, кто хочет расслабиться, достаточно выйти на улицу, найти лужайку и пройтись по ней босиком.

© JuanCruzdF / istockphoto.com

Поверхность планеты — это проводник. В глубинах Земля создает нужное человеку биоэнергетическое поле с помощью электронов и воздействует на токи, проходящие через его тело. Обычно организм жителей крупных городов перенасыщен положительными частицами. Считается, что при «заземлении» в дело вступают отрицательно заряженные электроны: они восстанавливают энергетический баланс, перезагружают систему и выполняют роль антиоксидантов, нейтрализуя вредные свободные радикалы. Например, при воспалительных процессах кровь густеет — уровень положительных частиц повышается. В таком случае «заземление» становится, по мнению ученых, очень эффективным.

С технической точки зрения, заземление — это электрическое соединение. Простые законы физики объясняют, почему оно нам необходимо: «заземление» позволяет снизить напряжение, вывести излишки энергии и обменять их на противоположные заряды, которые хранятся на поверхности планеты. Полученные электроны, по мнению исследователей, понижают уровень гормона кортизола, влияющего на выработку стресса, улучшают физическое и ментальное здоровье и, главное, помогают человеку обрести внутреннюю гармонию. Они также очищают наше поле от воздействия электромагнитных излучений.

Научиться «заземляться» несложно. Достаточно несколько раз в неделю пройтись босиком по почве или песку, посидеть на траве, поработать или отдохнуть на свежем воздухе. По мнению тренера и коуча Эми Хайт, окружающая среда — это глубочайший ресурс, который может помочь нам жить долго и счастливо, и не стоит им пренебрегать.

© AlexFestbaum / istockphoto.com

Следует иметь в виду, что большая часть исследований, подтверждающих чудодейственное влияние земли, имеет слишком маленькую выборку и, соответственно, авторитетность. Но продвинутые врачи настаивают: наше состояние постепенно ухудшается именно из-за того, что мы полностью оторваны от естественной среды. Нам мешают и обувь на толстой подошве, и прочный асфальт, и высотные здания, в которых мы проводим большую часть времени. В условиях мегаполисов люди практически не соприкасаются с почвой. Отказ от привычек, характерных нашим предкам, привел к появлению хронических заболеваний и нарушениям функционирования важнейших систем организма.

Когда мы не связаны с планетой, наши естественные ритмы могут разбалансироваться. Возможно, если бы мы продолжали ходить босиком, использовать натуральные материалы и спать на земле, продолжительность жизни современного человека была бы намного дольше.

Что такое заземление?

В обыденной жизни редко кто задаётся вопросом — что такое заземление и зачем вообще оно нужно? На бытовом уровне это понятие объяснить просто. Заземление — это комплексные решения для защиты подключённых в розетку устройств от появления электрического напряжения на них . Если заземление в доме сделано правильно, оно может спасти жильё от возгорания после ударов молнии и человеческую жизнь при возникновении чрезвычайных ситуаций.

О заземлении с точки зрения физики

Ток протекает по сети между точками с различным электрическим зарядом и разной величиной потенциала. Для того чтобы он возник в сети, их необходимо соединить проводником. Для понимания, можно привести пример действия розетки: в одном её гнезде напряжение равно 220 Вольт, а в соседнем — 0 Вольт. Если замкнуть их в круг с помощью прибора, то сразу появляется ток. Так почему же называется заземление? Потому что заряд Земли равен 0, всегда и для тока это самый лучший проводник.

Как может ударить током без заземления?

Самая обыденная ситуация с которой может столкнуться каждый — это удар током при повреждении изоляции проводов. Если у какого-либо электрического прибора была повреждена изоляция, то оголенный провод наверняка зацепит металлические детали устройства, таким образом внешняя оболочка, допустим, холодильника, моментально окажется под напряжением 220В. Человек, прикоснувшись к устройству получит электрический разряд. Поскольку человек является хорошим проводником тока, он замкнёт собой электрический круг и сам пострадает от этого. Но, если человек не соприкоснётся с влагой и наденет резиновую обувь, которая не является проводником, разряд для него не будет таким опасным. К сожалению, предвидеть это невозможно и в большинстве случаев человек беззащитен и уязвим против сил и законов физики. Также, стоит отметить, что электрическое напряжение может собираться на поверхности устройства ввиду его неисправности или статического электричества. Такое бывает с офисной техникой. Если дотронуться к такому прибору, человек получит разряд, но без серьёзных последствий. Чтобы ликвидировать вероятность получения увечья от удара током, необходимо правильно выполнить заземление приборов. Тогда оно точно возьмёт на себя весь разряд.

Что такое заземление, его цель и как его создать?

Узнать есть ли в розетке заземление или нет можно следующим образом: Заземлением ещё можно назвать процесс замыкания металлических деталей устройств и земли. Соединяются с абсолютным 0 те составляющие приборов, которые могут поразить током при возникновении высокого напряжения на их поверхности. Целью заземления является сведение к 0 риска удара током человека в бытовой ситуации, что способно уберечь ему жизнь и здоровье. Создать заземление в загородном доме можно и самостоятельно, главное — вывести ток не на человека, а в землю. Земля при любых обстоятельствах является более благодатным проводником, нежели человеческое тело. Поэтому наладить заземление — это всегда лучшее решение.

Каким должно быть безопасное заземление?

Во-первых, оно не должно быть самодельным, а во-вторых, оно должно обеспечить максимальную безопасность в помещениях, где работает много электрических приборов — в квартирах, офисах. В таких случаях в проводку, помимо «фазы» и «ноль», добавляется и кабель заземления, который соединяется с землёй. Не во всех многоквартирных домах предусмотрен трёхпроводной кабель. Таким образом, жители квартир не защищены в полной мере от перенапряжения в сети и удара током от прибора. Самостоятельно сделать заземление у себя в квартире могут только жители 1-2 этажей. И даже в этом случае не стоит пытаться самому его спроектировать, а лучше пригласить профессионалов. Поскольку почти во всех частных домах и квартирах одновременно питается от сети достаточно большое количество приборов, а самые современные из них нельзя подключать без наличия заземления в схеме электропроводки, создание правильного безопасного заземления должно стать приоритетом каждого.