Почему электрический ток уходит в землю? А ведь данный вопрос можно обратить отнюдь не ко всем электрическим цепям, поэтому давайте несколько усложним его. В каких случаях и почему ток уходит в землю?
Начнем с простого примера. Наверняка каждому из нас приходилось наблюдать такое природное явление как молния. Молния — есть ни что иное, как кратковременный электрический ток уходящий их грозовой тучи в землю. Почему это происходит?
Из школьного курса физики известно:
1 - что заряды противоположных знаков стремятся притянуться друг к другу;
2 — за направление тока в проводнике принимается направление, противоположное направлению движения отрицательно заряженных частиц — электронов (для ионизированных газов или электролитов — противоположное направлению движения отрицательных ионов, а для полупроводников — противоположное направлению движения «дырок»).
Так вот, применительно к молнии можно сказать, что когда грозовая туча заряжена положительно, а поверхность земли под тучей — отрицательно (бывает и наоборот! см.рисунок), при определенных условиях (температура, давление, влажность) происходит пробой воздуха в атмосфере, при котором электроны из земли устремляются к положительно заряженной грозовой туче, значит в данном конкретном случае ток действительно «уходит в землю» просто потому, что притягиваются заряды противоположных знаков.
Зарядите конденсатор, и пусть его отрицательно заряженная обкладка будет символизировать землю, а положительно заряженная — грозовую тучу. Замкните выводы отверткой — получите ток, «уходящий в землю» - миниатюрный аналог разряда молнии из тучи — в землю. Если бы заряд земли был равен заряду грозовой тучи (аналогия - разряженный конденсатор), то разряда бы не произошло, и ток бы «в землю не ушел».
Поговорим теперь об электрических сетях переменного тока, используемых на большинстве производств, в зданиях где работают люди, а также в наших домах для бытового электроснабжения. Это так называемые «сети с глухозаземленной нейтралью».
Под нейтралью, применительно к данным сетям, понимается обязательно заземленный вывод вторичной обмотки промышленного трехфазного трансформатора (он стоит на подстанции), от которого наши квартиры получают те самые 220 вольт на фазе в розетке.
Проводник связанный с глухозаземленной нейтралью называется «PEN». Фазные проводники, по сути, — противоположные выводы данной трехфазной обмотки, «нулевая точка» которой заземлена согласно требованиям обеспечения безопасности — это принятый в электротехнике стандарт.
Что же произойдет, если один из фазных проводников случайно окажется в контакте с проводящим корпусом какого-нибудь устройства, при условии что этот корпус соединен с проводником PEN?
Замкнется цепь фаза-корпус-проводник PEN (соединенный с землей и с нейтралью трансформатора на подстанции), при этом должно сработать защитное устройство, как правило установленное во всех добросовестно спроектированных электрических сетях. Можно ли сказать, что в данном случае «ток ушел в землю»? Лишь условно, если назвать землей место соединения с землей нейтрального вывода трансформатора на подстанции.
Но что если проводник PEN практически отсутствует, а вместо него используется местное заземление, грубо говоря металлический штырь или контур помещенный в землю? Что тогда?
При аналогичной ситуации с попаданием фазы на корпус - ток устремится к тому самому заземленному на подстанции выводу трансформатора, причем этот ток потечет именно по почве, буквально через землю, прокладывая путь наименьшего сопротивления от местного заземления - к заземленным проводникам, соединенным с той самой нейтралью на подстанции.
В данной ситуации ток действительно уйдет от фазы — в землю, но земля будет служить лишь проводником, поскольку практически ток будет направлен к нейтрали трансформатора далеко на подстанции, и этот ток потечет по земле лишь потому, что эта нейтраль заземлена, то есть ток будет вынужден в данном случае «уйти в землю» в поисках пути наименьшего сопротивления.
Популярные вопросы
Вопрос: Правда ли, что ток всегда уходит именно в землю?
Ответ: Не всегда. Ток идет по замкнутому пути к источнику, а земля лишь иногда становится частью этого пути, если через нее проще вернуться к нейтрали или к другому проводнику.
Вопрос: Почему при ударе молнии ток идет в землю, а не в воздух дальше?
Ответ: Потому что между заряженной тучей и землей возникает огромная разность потенциалов, и пробивное напряжение воздуха оказывается превышено. После пробоя воздух становится проводящим, и разряд идет туда, где есть путь наименьшего сопротивления - в сторону земли.
Вопрос: Что означает фраза "земля как проводник"?
Ответ: Это значит, что грунт может временно проводить ток, хотя и очень плохо по сравнению с металлом. В аварийных или грозовых режимах ток проходит через почву только потому, что она оказалась частью цепи между поврежденным местом и источником.
Вопрос: При ударе молнии ток идет в землю потому, что земля "тянет" заряд?
Ответ: Да, по сути именно так. Между тучей и землей возникает большая разность зарядов, воздух пробивается, и разряд идет туда, где путь для него становится возможным.
Вопрос: Почему земля вообще может проводить ток, если это не металл?
Ответ: Потому что грунт, вода, соли и влага создают проводящую среду. Проводимость у земли намного хуже, чем у металла, но в аварийной ситуации этого бывает достаточно, чтобы ток прошел.
Вопрос: Что происходит при замыкании фазы на корпус прибора?
Ответ: Если корпус связан с защитным проводником, возникает путь для тока к нейтрали источника. В этот момент защита должна быстро отключить питание, чтобы корпус не оставался под опасным напряжением.
Вопрос: Почему в доме ток не всегда "уходит в землю" так, как многие думают?
Ответ: Потому что в обычной проводке главный путь возврата тока - не грунт, а нулевой или защитный проводник. Земля участвует лишь тогда, когда есть авария, утечка или повреждение изоляции.
Вопрос: Зачем тогда вообще нужно заземление?
Ответ: Чтобы создать для аварийного тока понятный и достаточно надежный путь, по которому сработает защита. Без этого корпус устройства может долго оставаться опасным для человека.
Вопрос: Почему на практике говорят "путь наименьшего сопротивления"?
Ответ: Потому что ток распределяется по всем доступным путям, и большая его часть идет туда, где сопротивление ниже. Это не магия, а обычная электрическая цепь, просто один из ее участков проходит через грунт.
Вопрос: Можно ли считать землю проводом?
Ответ: Условно - да, но очень плохим. Она не заменяет металлический проводник, зато в аварийных режимах может временно выполнять роль части цепи, особенно если речь идет о заземлении или молнии.
Вопрос: Почему человек может получить удар током, даже если стоит на земле?
Ответ: Потому что опасна не сама земля, а разность потенциалов между точкой контакта и точкой, через которую ток может выйти обратно. Если рука касается фазного проводника, а ноги стоят на земле, тело становится частью замкнутой цепи.
Вопрос: Почему защитное заземление не "забирает" весь ток в землю мгновенно?
Ответ: Потому что ток распределяется по всем возможным путям, пропорционально их сопротивлению. Если есть металлический проводник, он обычно проводит лучше почвы, поэтому основная часть тока идет по нему, а земля подключается как дополнительный путь.
Вопрос: От чего зависит, будет ли разряд в землю опасным для оборудования?
Ответ: От величины тока, сопротивления заземления, пути возврата к источнику и длительности аварии. Чем хуже заземляющее устройство и чем дольше не срабатывает защита, тем выше риск перегрева, разрушения изоляции и пожара.
Вопрос: Можно ли сказать, что ток "исчезает" в земле?
Ответ: Нет. Ток не исчезает, а возвращается к источнику по замкнутому контуру, просто часть этого контура может проходить через грунт. Поэтому корректнее говорить не "ток исчез в земле", а "земля стала участком электрической цепи".
Вопрос: Что опаснее - большой ток в землю или долгое слабое замыкание?
Ответ: Оба варианта опасны, но по-разному. Большой ток быстро разрушает оборудование, а слабый, но длительный ток может незаметно нагревать соединения и постепенно ухудшать изоляцию.
Чтобы понять, почему ток “уходит в землю”, полезно посмотреть на это явление сразу с трех сторон: через молнию, через защитное заземление и через режимы работы электрических сетей. В этих статьях тема раскрывается последовательно - от природного разряда до практической электробезопасности в зданиях.
Как работает заземление простыми словами - статья дает базовое объяснение того, что такое заземление и почему оно связано с отводом тока в землю.
Защитное зануление в электроустановках - здесь хорошо показано, как в сетях с глухозаземленной нейтралью ток при пробое на корпус превращается в аварийный режим, который должна отключить защита.
Защита при косвенном прикосновении - полезна для понимания того, зачем заземление нужно именно человеку, а не только оборудованию.
Отыскание земли в сети с изолированной нейтралью - материал помогает увидеть, что в разных сетях замыкание на землю ведет себя по-разному.
Что надо заземлять в электроустановках - практическая статья, которая помогает перейти от физики явления к правилам монтажа.
Защита от молний - удачный природный пример, с которого удобно начинать объяснение темы.
Андрей Повный