Источник напряжения это земля

Земля совместно с ионосферой являются гигантским сферическим конденсатором, который заряжен и создает электрическое поле вокруг нас. Этот конденсатор заряжен до напряжения приблизительно 300 кВ, причем поверхность Земли имеет отрицательный заряд, а ионосфера – положительный. Напряженность электрического поля у поверхности Земли составляет 120 -150 В/м. Она может изменяться в небольших пределах во времени и в зависимости от местности, но в среднем составляет около 130 В/м. Однако, как мы знаем, это поле не представляет опасности для человека, так как поражающим фактором для него является электрический ток, а наличие тока требует большого количества свободных зарядов, которых в атмосфере (в обычном её состоянии) ничтожное количество. Под действием электрического поля Земли заряды противоположных знаков внутри тела человека смещаются относительно того положения, которое имело бы место при отсутствии поля, но поле это всегда есть. Поэтому постоянного однонаправленного перемещения зарядов нет, что означает отсутствие электрического тока в теле человека, вызванного электрическим полем Земли. Электрическое поле Земли у поверхности её можно точно измерить, если рядом нет высоких проводящих заземленных предметов, которые могут исказить его.

Перспективы создания устройства, извлекающего большую мощность из атмосферного электричества, я расцениваю пессимистично. Дело в том, что проводимость атмосферного воздуха составляет только 10-14 степени См/м. Ионизация воздуха при помощи заземлённой мачты с остриями имеет локальный характер, поэтому отобрать от столь высокоомного источника заметную мощность невозможно.

Значительную мощность из атмосферных явлений можно снять только в случае грозы, когда появляются каналы с высокой проводимостью. Приёмниками в этом случае можно улавливать грозовые разряды при помощи специальных антенн и заряжать конденсаторы большой ёмкости, которые служат для хранения энергии. Однако гроза в конкретном месте — явление достаточно редкое и непредсказуемое, поэтому возникают трудности с хранением и использованием энергии. Дорогостоящее оборудование при этом будет подавляющую часть времени простаивать впустую. Уже существующие альтернативные источники энергии (солнечная и ветреная энергетика) не являются всепогодными и не обеспечивают человечество энергией в должном количестве. От атомной энергетики многие страны отказываются по соображениям безопасности, а создание действующей установки, использующей ядерный синтез, ведётся уже долгие десятилетия и постоянно откладывается. Есть подозрение, что такая установка может вообще не появиться. Поэтому необходим новый проект источника энергии, который не использовал бы топливо, запасы которого конечны. К тому же это важно с экологической точки зрения.

На рисунке, приведённом в заглавии статьи, слева показан проводник, сделанный из металла, и его размеры. Если проводник контактирует с Землей, то он принимает потенциал Земли. Если же он установлен на электрически изолирующее от Земли основание, то, согласно закону электростатической индукции, электрическое поле Земли приведёт к перераспределению зарядов в металлическом проводнике. В результате этого на верхнем его конце будет избыточный (нескомпенсированный) отрицательный заряд, а на нижнем конце — положительный избыточный заряд. В целом металлический проводник останется электрически нейтральным, так как отрицательный избыточный заряд на одном конце компенсируется положительным избыточным зарядом на другом. Эти заряды противоположных знаков, накопившиеся на верхней и нижней поверхности проводника, создадут своё электрическое поле (Епр), которое будет равно и противоположно направлено электрическому полю Земли. При этом ток через проводник будет отсутствовать. Это касается уединенного изолированного проводника.

В правой части рисунка показаны металлический проводник и экран. Оба установлены на изолирующее от Земли основание. Верхняя и нижняя часть проводника через провода подключены к сопротивлению нагрузки, находящейся в клетке Фарадея. Клетка Фарадея — устройство для экранирования внешних электрических полей, представляющее собой клетку, выполненную из металла. Высота клетки Фарадея должна быть как минимум в 3 раза больше высоты проводника (на рисунке эта пропорция не показана), а расстояние между ними должно быть таким, чтобы исключить электростатическое взаимовлияние. Площади верхней и нижней поверхности проводника должны быть как минимум в 3 раза больше, чем площади верхней и нижней поверхности клетки Фарадея. Боковые металлические стенки клетки Фарадея должны отсутствовать, а верхняя и нижняя металлические поверхности соединяются посредством металлического каркаса. Всё это необходимо, чтобы избыточные заряды с верхней и нижней поверхностей проводника легко поступали во внутреннее пространство клетки Фарадея.
Так как внутри экрана (клетки Фарадея) поле Земли равно нулю, а разность потенциалов между верхней и нижней частью проводника передается внутрь экрана проводами, то через сопротивление нагрузки Rн потечёт ток. При этом заряды, наведённые на верхней и нижней части проводника, будут уменьшаться, а значит, будет уменьшаться и разность потенциалов между ними. При этом вне экрана напряженность электрического поля Земли Ез станет больше Епр. Это приведет к тому, что заряды на верхней и нижней части проводника начнут пополняться, так как электрическое поле Земли будет стремиться поддерживать разность потенциалов на концах проводника равной 130 вольтам. Процесс накопления противоположных по знаку зарядов на верхней и нижней поверхности проводника и стекание этих зарядов на сопротивление нагрузки, находящейся в клетке Фарадея, будет происходить одновременно. Сторонней силой по разделению положительных и отрицательных зарядов (ЭДС) здесь является электрическое поле Земли, которое переносит электроны с нижней части проводника на его верхнюю часть. Благодаря этому переносу, во внешней цепи возникает электрический ток, который возвращает электроны на нижнюю часть проводника. Надо отметить, что электрический ток в нагрузке будет иметь место только тогда, когда она находится в клетке Фарадея, где электрическое поле Земли равно нулю. Если нагрузку поместить вне клетки Фарадея, то электрического тока не будет, так как разность потенциалов между верхней и нижней частями проводника будет компенсироваться электрическим полем Земли.

Читайте также: Порядок освобождения пострадавшего от электрического тока напряжением до 1000 вольт

В нижней части рисунка представлена эквивалентная схема устройства. Электродвижущая сила разделяет в пространстве заряды разных знаков. Эту работу выполняет электрическое поле Земли. На верхней поверхности проводника образуется избыточный отрицательный заряд, а на нижней — положительный. Внутреннее сопротивление источника ЭДС обозначено r; Rсп — сопротивление соединительных проводов; Rн — сопротивление нагрузки.

Напряженность электрического поля равна 1В/м, если между точками, находящимися на расстоянии 1м друг от друга, существует разность потенциалов 1В. Один вольт равен электрическому напряжению, вызывающему в электрической цепи постоянный ток силой 1 ампер при мощности 1 ватт. Если сила тока в проводнике равна 1 амперу, то за одну секунду через поперечное сечение его проходит заряд, равный 1 кулону.

ЭДС, выраженная в вольтах, в нашем случае равна 130В, так как высота проводника равна 1м, а напряженность электрического поля Земли равна 130В/м. Энергетически выгоден такой режим, когда r + Rсп = Rн при минимально возможном сопротивлении Rсп. В этом случае на нагрузке будет выделяться максимальная мощность. Проводник, показанный на рис.1, имеет линейные размеры, подобранные так, что омическое сопротивление его совместно с Rсп равно 1Ом. Тогда оптимальное сопротивление нагрузки будет также равно 1Ом. По цепи будет протекать электрический ток, равный 65А, так как r + Rсп + Rн = 2Ом. Сопротивлением Rсп вследствие его малости можно пренебречь. Однако для этого соединительные провода должны быть короткими и с большим поперечным сечением. Тогда на сопротивлении нагрузки (Rн) будет выделяться мощность, равная 4,225 кВт. Точно такая же мощность будет выделяться и на сопротивлении проводника r в виде тепла, поэтому надо предусмотреть меры по его охлаждению. Для этого можно использовать водяной радиатор с проточной водой. Тепловую энергию можно использовать для парового отопления или для полива в сельском хозяйстве. Сопротивление нагрузки (Rн) должно включать в себя емкостную составляющую, то есть представлять собой параллельное соединение конденсатора и активного сопротивления нагрузки. Конденсатор должен быть большой ёмкости. Так как схема работает на постоянном токе, то при расчётах схемы этот конденсатор можно не учитывать.
Мощность устройства может масштабироваться за счет выбора высоты проводника. Например, если высота проводника будет не метр, а два метра, то при его омическом сопротивлении, также равном 1Ом, мощность, выделяемая на нагрузке, будет приблизительно равна 17 кВт. Такая же мощность будет выделяться и в виде тепла на проводнике. Всего — 34 кВт. Сопротивление проводника, равное 1Ом, обеспечивается за счет подбора площади его сечения, через которое протекает ток. В качестве нагрузки можно использовать преобразователь для получения напряжения сети 220В /50 Гц. Надо иметь в виду, что нагрузка должна находиться в клетке Фарадея, а вне её выводится уже выходная мощность, помещённого в неё устройства.

Чтобы основной рабочий проводник с течением времени не принял потенциал Земли из-за токов утечки по поверхности изолирующего от Земли основания, что может привести к нарушению работы устройства, надо предусмотреть периодическое соединение его средней части с заземляющим проводником (экранированный провод). При этом место заземления самого заземляющего проводника должно быть экранировано сверху от электрического поля Земли вторым заземлённым проводником. Второй заземлённый проводник (заземлённый металлический лист над поверхностью Земли и параллельный ей) делает поверхность Земли под ним электрически нейтральной, поэтому заземление рабочего проводника в этом месте Земли будет поддерживать рабочий проводник в электрически нейтральном состоянии, то есть не даст ему со временем принять потенциал Земли, поверхность которой имеет отрицательный заряд. То же самое касается заземления и клетки Фарадея. Кроме этого, надо иметь в виду, что верхняя и нижняя поверхности рабочего проводника должны быть покрыты слоем диэлектрика, чтобы защитить их от воздействия ионов, имеющихся в воздухе, так как в противном случае последние будут снимать избыточные заряды с его поверхности.

Читайте также: Для чего ставят стабилизатор напряжения в частном доме

Физическая сущность использования электрического поля в качестве источника энергии состоит в следующем.
1) Если в пространстве, где существует электрического поле, нет зарядов, то нет работы, совершаемой им. Электрическое поле действует только на заряды, а работа его состоит в перемещении зарядов в пространстве под воздействием его силы.
2) В пространстве, где существует электрическое поле, есть связанные заряды, а сила их связи больше силы, действующей со стороны поля. Работы поля опять нет.
3) В пространстве, где существует электрическое поле, имеется небольшое количество свободных зарядов. Тогда мала будет и работа электрического поля по перемещению их.
4) В пространстве, где существует электрическое поле, имеется большое количество свободных зарядов. Тогда велика будет и работа по перемещению их. Эту работу электрического поля можно использовать для извлечения энергии.

Сравним извлечение энергии из атмосферного электричества с проектом, который описан выше. В атмосфере Земли у её поверхности, свободных зарядов ничтожное количество, поэтому нет возможности получения значительной энергии от работы электрического поля Земли. В представленном проекте свободных носителей зарядов (электронов в проводнике) колоссальное количество (примерно 10 в 26 степени для металлического проводника, приведённого на рисунке), поэтому столь же велика будет и работа электрического поля Земли по перемещению их. Чтобы заставить электрическое поле Земли работать постоянно, надо сделать так, чтобы оно разделяло в пространстве проводника противоположные по знаку заряды, а в клетке Фарадея, где поле Земли отсутствует, разделённые заряды вновь соединялись на нагрузке, выделяя энергию. И так до бесконечности. Поэтому электрическое поле Земли является величайшим подарком природы человечеству. Бесплатный, экологически чистый, безопасный и практически неограниченный источник энергии. Человечеству стоит научиться использовать его, а не сжигать углеводороды.

Земля в электротехнике

Землей называют точку цепи, электрический потенциал которой считается равным нулю. Такую точку можно выбирать условно. Землей ее называют традиционно, поскольку один из проводников электрических генераторов соединяли с землей при помощи зарытого в землю проводника. Электрикам-профессионалам и тем, кто имеет дело с электричеством необходимо знать, что такое фаза и что такое ноль.

Ток в цепи

Электрический ток может протекать только в замкнутом контуре. Электрическая цепь состоит из источника Э. Д. С. – электродвижущей силы и замыкающего этот источник сопротивления нагрузки, которое может быть очень разветвленным. Если говорить о бытовой электросети, то здесь источником ЭДС является вторичная обмотка трансформатора ближайшей подстанции, или еще проще, таким источником является ввод в здание.

Один из проводов источника заземлен, этот провод (или шина) называется нейтралью, N, в современной электротехнике. Потенциал этой шины относительно земли равняется нулю, поэтому этот провод называют землей.

Другие три провода называют фазами. Эти провода находится под переменным потенциалом, который меняется от 311 до -311 Вольт относительно земли в сети 220 В 50 Гц (50 раз в секунду). 220 Вольт – это, так называемое, действующее напряжение. Для тока и напряжения синусоидальной формы это среднеквадратичное значение. Это напряжение называют фазным.

Напряжение между двумя фазами называют линейным и оно выше: 380-400 В. Таким образом, размах напряжения в трехфазной сети может достигать величины 760-800 В. Поэтому электроинструмент должен уверенно выдерживать испытательное напряжение не менее 1 кВ = 1000 Вольт.

При замыкании фазы на ноль через какое-либо сопротивление в цепи течет ток. Еще больший ток через то же сопротивление потечет, если оно будет подключено между двумя фазами. В трехфазной цепи у конечных потребителей обычно действующее напряжение между фазами 380 В, а фаза и ноль образуют пару, напряжение на которой всегда равно напряжению между фазами, деленному на квадратный корень из числа 3. Это один из результатов теоретической электротехники. Отсюда и получается известная всем величина 220.

История заземления

В самых старых системах бытового электроснабжения переменного тока, которых теперь уже не найдешь, у конечного потребителя заземления не было (система TT, заземлялась только нейтраль на подстанции, если вторичная обмотка трансформатора соединялось звездой).

Это была однофазная сеть, распределяющаяся ток от понижающей обмотки трансформатора подстанции. Здесь вопрос о том, что такое фаза или нулевой провод даже не возникал – оба провода по отношению к земле были равноправными. Человек мог стоять на земле и держаться за любой из проводов по отдельности. При этом он ничего не чувствовал.

Наиболее старые трансформаторы, питающие однофазную сеть, имели схему, показанную на следующем рисунке. Первичные обмотки соединялись треугольником, нейтрали не было, и заземлялся только корпус трансформатора на месте установки. Теперь таких уже давно нет или они применяются где-то для полевых условий в сельском хозяйстве.

Читайте также: Напряжение электростатического поля бесконечной

Поражение током происходило, если человек дотрагивался до двух проводов одновременно или, если один из проводов был кем-либо заземлен, а человек дотрагивался до другого. Старые электроплитки делались с открытой спиралью, люди готовили в металлической посуде и касались токоведущих частей. Старые телевизоры, например, изготавливались с автотрансформатором ради простоты конструкции и человек, дотрагиваясь до металлического шасси такого аппарата, фактически находился под напряжением сети.

Проблема возникла, когда жилой сектор стал снабжаться промышленным способом подключения (как на первом рисунке). Это произошло потому, что мощность, потребляемая частным сектором, значительно выросла, а в городах он фактически был перемешан с промышленностью (дома-хрущевки).

Тогда человек, стоящий на влажном полу, или держащийся за батарею, получал сильное поражение током с вероятностью 50%, в зависимости от того, как он включил вилку электроприбора в розетку. Если фаза тока попадала на шасси такого старого телевизора или радиоприемника, то прикосновение к нему было опасно для жизни.

Промышленность в области ширпотреба быстро перешла на производство нагревательных приборов с закрытым и изолированным нагревательным элементом (ТЭНы), а бытовые радио и телевизионные приборы стали производить исключительно с трансформаторами, где первичная обмотка была полностью изолирована от остальной части прибора, что сделало их безопасными для людей.

Но почему появилось заземление в промышленности? Нам надо рассмотреть и этот вопрос. В принципе, ни для работы потребителей, ни для транспортировки электроэнергии ничего заземлять не требуется.

Трехфазная система переменного тока была принята только потому, что это упрощало конструкцию электродвигателей, так необходимых станкам и машинам в промышленности. По трехфазной схеме в треугольник можно соединять и нагревательные приборы, пример тому – тэны, рассчитанные на 380 В.

Трехфазные системы могут соединяться звездой (первый рисунок). Такое соединение стало очень распространенным, так как оно позволяет без больших проблем питать трехфазные потребители напряжением 380 В, и в то же время, без лишних расходов устроить однофазные сети 220 В. Это хороший способ сэкономить на трансформаторах.

Так появился проводник, который назвали нейтралью (N). Его также называют – нулевой провод. При равном токе по всем фазам ток в нулевом проводе равен нулю. Энергетики стараются распределить нагрузку равномерно. Но это не всегда получается. Вот простой пример. Пусть на заводе был запитан офисный корпус. Для этого была выделена одна фаза.

Затем к этой же фазе подключили жилой дом недалеко. Остальные две фазы оказываются неуравновешены и в нейтрали появляется значительный ток. Это приводит ко всякого рода неопределенностям при измерениях. К тому же, как бы ровно не распределили нагрузку, на корпусах электрооборудования появляются опасные напряжения, если нейтраль оборвана.

Начало TN

В 1913 году немецкий концерн AEG предложил систему с заземленной нейтралью, позже названную TN-C. Здесь электрики стали использовать понятия фаза и ноль. Позже, в 1930-х годах появилась система TN-S, в которой заземление и нейтраль были разделены. Это дополнительно увеличивало безопасность, так как теперь, если нулевой провод оборван с очень высокой вероятностью оставался целым другой проводник. Но такая система оказывалась неоправданно дорогой.

Поэтому, со временем было предложено еще одно решение: нулевой провод от подстанции (PEN – защитная земля и нейтраль) расщеплялся на две части перед вводом в здание. Одна часть шла как нейтраль N, а другая получила название защитной земли PE. Если происходил обрыв нейтрали то фаза переменного тока, в случае попадания на корпус электрооборудования, пропускала свой ток в землю. Такая система получила название TN-C-S (заземленная нейтраль комбинированная, с разделением на месте).

Система TN-C-S имеет всего один недостаток – местное заземление должно быть повышенной надежности так как при обрыве нейтрали фазное напряжение, попавшее на корпус, будет заземлено только по цепи PE. Поэтому, при сооружении этой цепи принимают все меры по ее механической прочности и снижению электрического сопротивления.

Для этого используют металлические части зданий, трубопроводы и т.д. Однако все эти части соединяются всего в одной точке при помощи шин. Существует точка (шина) где ноль и земля соединяются, она называется шина уравнивания потенциалов. С ней соединяется и шина контура заземления.

В настоящее время TN-C-S является основной в городах и на предприятиях. В сельской местности еще много систем TT. Это связано с тем, что в сельской местности еще много деревянных домов и TT, при всех прочих недостатках имеет положительную сторону: она безопаснее в отношении грозы.

Напряжение
Реле
Трансформатор

Что такое рекуперация на электровозе
Чем отличается электровоз от тепловоза
Чем глушитель отличается от резонатора
Стойки стабилизатора как определить неисправность
Стабилизатор поперечной устойчивости как работает

Земля в электротехнике

Ток в цепи

История заземления

Начало TN

Заземление это. Самое простое объяснение заземления

Заземлением какой-либо части электроустановки или другой установки называется преднамеренное электрическое соединение этой части с заземляющим устройством. Заземляющим устройством называется совокупность заземлителя и заземляющих проводников. С этими определениями особых сложностей в понимании нет. Все корпуса электроприборов в доме проводниками соединяются с заземлителем, и в случае попадания фазы на корпус ток через заземлитель уходит в землю и обратно приходит к трансформатору через заземлители нейтрали. При этом каждый заземлитель имеет определенное сопротивление растеканию тока. По закону Ома сопротивление влияет на силу тока в цепи I = U/R. Чем ниже сопротивление, тем выше сила тока. И в зависимости от значения силы тока при аварийной ситуации, когда опасный потенциал на корпусах, должно сработать защитное отключение. При больших значениях силы тока в цепи фаза — заземление — источник сработает автоматический выключатель. При малых значениях силы тока отработает устройство защитного отключения.

Земля проводит ток, но многие плохо представляют, как это происходит. Есть и те, кто считают, что ток через заземлитель растекается в земле и куда-то таинственным образом исчезает. Об особенностях протекания тока в земле если и есть информация, то чаще поверхностная или написанная сложным для понимания обычному человеку языком. Поэтому постараемся раскрыть вопрос заземления изнутри максимально доступно и наглядно.

Заземление — аналогия с сопротивлением провода

Нам нужен достаточно понятный пример. Поэтому начнем с обычного провода, который как и земля проводит электрический ток. А затем перенесем по аналогии все процессы на землю.

Электрический ток — это направленное (упорядоченное) движение носителей электрического заряда. В проводах такими носителями являются свободные электроны. Как они движутся:

Во-первых, очень медленно.
Во-вторых, все зависит от тока — постоянного или переменного. Если ток постоянный, то электроны (а они заряжены отрицательно) движутся от минуса к плюсу источника. Не путать с условным направлением тока от плюса к минусу, которое приняли еще до открытия электронов и решили не менять. В переменном токе электроны перемещаются то в одну, то в другую сторону на доли миллиметра с частотой 50 Гц.

Естественно в быту у нас переменный ток, и рассматривать заземление нужно на его основе. Но проще все объяснить на примере постоянного тока, что мы и сделаем.

Рассмотрим следующий пример. К источнику постоянного тока 220 В подключена нагрузка 20 Ом (такое сопротивление с учетом мощности может давать нагревательный элемент электрочайника). Соединительные провода имеют сопротивление 2 Ом (два по 1 Ом). Получаем такую схему:

Нагрузку 20 Ом можно заменить проводом. Сделаем это, добавив в схему 20 участков по 1 Ом. То есть удлиним провод:

Как видно, чем длиннее провод при одном и том же сечении, тем больше его сопротивление. Мы поделили провод на 22 части. Поделить можно на любое количество частей. И чем больше такое деление, тем меньше будет сопротивление отдельно взятого участка. Полученная цепь имеет общее сопротивление 22 Ом. При напряжении 220 В сила тока в цепи I = U/R = 220/22 = 10 А. Зная силу тока, можно найти падение напряжения на каждом участке провода:

На любом из 22 одинаковых по длине участков произойдет падение напряжения на 10 В. В сумме все участки дадут 220 В.

На сопротивление провода помимо длинны влияет сечение и сам материал, из которого он изготовлен. Приведем формулу определения сопротивления проводника:

R = ρI/S, где R — сопротивление (Ом) проводника сечением S и длиной l; ρ — удельное электрическое сопротивление (зависит от материала).

Увеличивая сечение мы снизим сопротивление провода, а увеличивая удельное электрическое сопротивление, то есть выбрав другой материал проводника — наоборот увеличим сопротивление.

Заземление как сопротивление цепи

Теперь можно перейти к заземлению. Давайте соединим плюсовой вывод с заземлителем 4 Ом. От минусового вывода оставим участок провода 1 Ом. Конц провода соединим с другим заземлителем, например сопротивлением 5 Ом. То есть мы моделируем ситуацию, когда где-то в доме фаза попала на заземленный корпус и ток через землю уходит к заземлению нейтрали. В данном случае заземлитель в доме имеет сопротивление 5 Ом, а заземлитель (или суммарно заземлители) нейтрали 4 Ом. Получаем такую схему:

Суммарное сопротивление в цепи 1+4+5 = 10 Ом. Сила тока в цепи 22 А. Соответственно падение напряжения на заземлителе 5 Ом равно 5×22 = 110 В, а на заземлителе 4 Ом равно 4×22 = 88 В. Оставшиеся 22 В были истрачены на прохождение участка провода сопротивлением 1 Ом.

Здесь хотелось бы сделать небольшое отступление и разобраться, почему сейчас на участке провода 1 Ом произошло падение напряжения 22 В, а в предыдущем примере на том же участке 1 Ом 10 В? Все дело в том, что во второй схеме мы снизили сопротивление цепи приблизительно в два раза с 22 Ом до 10 Ом. То есть если в первом примере укоротить провод в два раза, то снижение сопротивления вызывает увеличение силы тока. Простыми словами электроны будут двигаться в два раза быстрее и в два раза сильнее взаимодействовать с кристаллической решеткой провода. Последний будет сильнее греться. И если представить участок провода как потребитель, то можно сказать что 22 В будут им потребляться на разогрев (потери электроэнергии).

Вернемся к нашему заземлению. Суммарно оно у нас имеет сопротивление 9 Ом. Казалась бы, земля проводник, и можно по аналогии с проводом разбить путь тока в земле на равные отрезки по 1 Ом. Разбить на участки можно, но они не будут равными. А если все же разбить на равные отрезки, то их сопротивление будет по мере удаления от заземлителя уменьшатся. В этом и заключается основная особенность заземления.

Заземление — как работает при стекании тока

Прежде чем переходить к рассмотрению принципа работы заземления, для общего развития отметим механизм протекания тока в грунте. Мы уже упоминали, что в металлах из которых сделаны провода носителями электрического заряда являются свободные электроны, которые движутся при постоянном токе от минуса к плюсу. А как же дело обстоит с землей? В грунте присутствуют различные жидкости и растворы солей, которые вполне способны проводить электрический ток. И носителями заряда в этом случае выступают ионы. Катион — положительно заряженный ион. Он забирает электроны при возникновении электрического поля. Анион — отрицательно заряженный ион. Он отдает электроны при возникновении электрического поля. И если электроны в проводах движутся от минуса к плюсу, то ионы в земле движутся одновременно в две стороны к плюсу и минусу.

Ток, стекая в землю, расходится во все стороны от точки контакта с землей. С учетом вышеописанного отступления, под стеканием и расхождением в стороны нужно понимать направленное движение к заземлителю ионов из грунта. Вокруг заземлителя образуются концентрические сферы, возрастающие по мере удаления от точки входа. Можно представить, что электрод окружен концентрическими слоями грунта одинаковой толщины. Ближний к электроду слой имеет наименьшую поверхность, но наибольшее сопротивление. По мере удаления от электрода поверхность слоя увеличивается, а его сопротивление уменьшается. В конечном счете, вклад сопротивления удаленных слоев в сопротивление поверхности грунта становится незначительным. То есть ток, растекаясь в грунте, доходит до зоны, где сопротивление грунта уже практически равно нулю. И дальше весь объем грунта можно просто условно представить как проводник с нулевым сопротивлением. Область, за пределами которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь, называется зоной растекания (локальной землей или областью эффективного сопротивления). А область, в которой сопротивлением слоев земли можно пренебречь называется зоной нулевого потенциала.

Для лучшего понимания процесса стекания тока в землю через заземлитель нужно вернуться к уже рассмотренной формуле R = ρI/S, где R — сопротивление (Ом) проводника (в данном случае земли) сечением S и длиной l; ρ — удельное электрическое сопротивление конкретного грунта. Обратим внимание на такой показатель, как удельное электрическое сопротивление.

Для разных типов грунтов имеется свое расчетное удельное сопротивление:

Наименование грунта	Среднее удельное сопротивление, Ом·м
Песок	500
Супесок	300
Суглинок	80
Глина	60
Садовая земля	40
Чернозем	50
Торф	25
Пористый известняк	180
Песчаник	1000

Возьмем для примера супесок с удельным сопротивлением 200 Ом·м. Что значит эта цифра? Если мы представим землю как проводник, то участок такого проводника сечением 1 м² и длиной 1 м будет иметь сопротивление 200 Ом. Если разделить 1 м на 10 частей, то 10 см участок сечением 1 м² будет иметь сопротивление 200/10 = 20 Ом.

Теперь вернемся к заземлителю и рассмотрим окружающие его концентрические слои грунта одинаковой толщины. Толщину примем 10 см (0,1 м). Теперь предположим, что заземлитель у нас имеет форму полусферы. И если первую полусферу примыкающего грунта с толщиной стенки 10 см распрямить, получим цилиндр площадью сечения 1 м². Тогда при удельном сопротивлении грунта 200 Ом·м сопротивление рассмотренного слоя будет 20 Ом. Если распрямить следующий слой, то сечение полученного цилиндра уже будет больше, чем у предыдущего слоя. Соответственно сопротивление будет меньше 20 Ом, так как по формуле R = ρI/S увеличение сечения (S) при заданной длине (в нашем случае l = 10 см (или 0,1 м))приведет к уменьшению сопротивления. Таким образом, каждый последующий слой будет иметь сопротивление, которое меньше, чем у предыдущего слоя. В конечном счете, мы дойдем до слоя, сопротивление которого будет практически равно 0. Это, по сути, будет границей зоны растекания. А следующая за ней зона — зона нулевого потенциала.

Давайте с учетом вышесказанного и по аналогии с проводом схематически изобразим нашу схему с заземлением. Один заземлитель имеет сопротивление 5 Ом, и это сумма сопротивлений всех концентрических слоев в зоне растекания. Последний слой 0 Ом — это вся толща земли. Слои от зоны нулевого потенциала до заземлителя примем равными 0,5; 1; 1,5; 2 Ом. Это деление условное (слоев может быть в зависимости от толщины огромное количество). Таким же образом разобьем и следующую зону растекания от заземлителя 4 Ом (0,5; 0,8; 1,1; 1,6). Получаем такую схему:

Для наглядности покажем зоны растекания:

Пройдемся по цепи и посмотрим падение напряжения на каждом участке:

Первое падение напряжения на 22 В происходит за счет провода сопротивлением 1 Ом. Потенциал на заземлителе 220-22 = 198 В.
Следующее падение на 44 В в первом от заземлителя полусферическом слое.
Во втором слое падение 33 В, в третьем — 22 В и в четвертом — 11 В. Суммарное падение за счет провода 1 Ом и заземлителя 5 Ом 132 В. Соответственно потенциал в зоне нулевого потенциала 220-132 = 88 В.
После зоны нулевого потенциала начинается зона растекания заземлителя 4 Ом. В этой зоне происходит окончательное падение напряжения с 88 В до 0 В.

Хотелось бы обратить особое внимание на зону нулевого потенциала. Многие воспринимают буквально «нулевой потенциал». Но как видно из примера, потенциал каждой точки данного участка 88 В. И если стоять в зоне нулевого потенциала, то между ногами не будет разности потенциалов. В этом и смысл. Стоя же в зоне растекания между точками разных полусфер всегда будет разность потенциалов — напряжение шага.

Завершая рассмотрение темы заземления, перенесем механизмы протекания постоянного тока в грунте на переменный ток. Принципиального отличия здесь нет. Единственная особенность заключается в том, что с частотой 50 Гц меняется плюс с минусом. Простыми словами — сначала на одном заземлителе образуется избыток электронов, а на другом — недостаток. Через мгновение на том заземлителе, где был избыток электронов, образуется недостаток, а на втором заземлителе — избыток. И так 50 раз в секунду. Аналогично меняют направление движения ионы в грунте, устремляющиеся одновременно ко всем заземлителям. На пути к ним они встречают сопротивление окружающих заземлитель слоев грунта. Суммарное сопротивление всех слоев в зоне растекания — это сопротивление растеканию тока конкретного заземлителя.

источники:

https://plastep.ru/istochnik-napryazheniya-eto-zemlya/

https://electriktop.ru/bezopasnost/zemlya-v-elektrotehnike.html

https://poweredhouse.ru/zazemlenie-ehto-samoe-prostoe-obyasnenie-zazemleniya/