Заземленные и незаземленные схемы

Как вы уже знаете, непрерывный поток электронов возможен только в замкнутой цепи. Поэтому, замыкая своим телом цепь между двумя объектами с разными потенциалами, можно получить удар от разряда статического электричества. Разряд этот носит кратковременный характер (до выравнивания потенциалов), и поэтому не опасен. 

Поражение электрическим током наступает тогда, когда тело соприкасается с электрической цепью в двух точках (есть точка входа и точка выхода). Именно поэтому птицы могут безопасно отдыхать на высоковольтных линиях электропередач, не опасаясь поражения током: они соприкасаются с цепью только в одной точке.

Чтобы в каком-либо проводнике создать поток электронов, к нему нужно приложить напряжение. Напряжение-же, как вы помните, всегда взаимосвязано с двумя точками цепи. Не существует такого понятия, как напряжение "на" или "в" одной точке цепи. Поэтому на птице, соприкасающейся с одной точкой вышеприведенной схемы, нет никакого напряжения, которое могло-бы мотивировать поток электронов через ее тело. Здесь вы можете возразить, что птица опирается на провод двумя ногами, а поэтому соприкасается с цепью в двух точках. Ответ на это возражение прост: обе ноги птицы соприкасаются с одним и тем же проводом, что делает их электрически общими по отношению друг к другу, а следовательно между ними нет никакого напряжения.

Все это может навести на мысль, что мы не получим удара током, если прикоснемся рукой только к одному проводу. К сожалению, это не так. Человек, в отличие от птиц, прикасаясь к проводу стоит на "земле". А так как электрическая сеть общего пользования также соединена с землей (заземлена), то человек, прикасающийся к одному проводу, фактически вступает в контакт с двумя точками цепи (проводом и землей):

В левом нижнем углу этой схемы, а также на ноге человека вы можете увидеть условное обозначение заземления, которое представляет собой набор из трех горизонтальных полос, сужающихся к низу. В реальности заземление представляет собой металлический проводник, закопанный глубоко в землю с целью создания максимального контакта с ней. Этот проводник подключается к соответствующей точке схемы, а заземление человека происходит через его ноги, которые стоят на земле. 

К этому моменту в вашем сознании могут возникнуть следующие вопросы:

• Почему большинство схем заземляются, если существует высокая опасность поражения электрическим током? Не будет-ли незаземленная схема безопаснее?
• Пораженный током человек наверняка не стоял босиком на земле, а был во что-то обут. Тогда почему подошва обуви, сделанная из резины или другого изоляционного материала, не защитила его от поражения?
• Насколько хорошим проводником является земля? Если она является хорошим проводником, то почему бы ее не использовать в наших схемах? 

В ответ на первый вопрос можно сказать следующее: преднамеренное "заземление" схемы гарантирует безопасность при соприкосновении с одной ее стороной. Если бы человек в вышеупомянутой схеме коснулся нижней стороны резистора, то ничего бы не произошло даже при том, что его ноги стоят на земле:

Нижняя сторона вышеприведенной схемы надежно заземлена через точку в ее левом нижнем углу, а это значит, что весь нижний провод будет электрически общим с землей (его еще называют общим проводом). Поскольку между электрически общими точками не может быть никакого напряжения, то его не будет и на теле человека, прикоснувшегося к нижнему проводу схемы (человек не будет поражен электрическим током). По этой же причине провод, соединяющий схему с заземляющим стержнем, обычно не имеет изоляции, и любой металлический предмет, с которым он соприкасается, становится электрически общим с землей.

Таким образом, заземленная схема гарантирует вам безопасное прикосновение хотя бы к одной ее точке. А что будет, если схему вообще не заземлять? Разве это не повысит безопасность человека при прикосновении к одному из проводов схемы? В идеале - да, на практике - нет. Давайте посмотрим, как поведет себя незаземленная схема:

Несмотря на то, что ноги человека находятся на земле, прикосновение к любой одной точке этой схемы будет безопасно. В данном случае не сформирована полная схема от верхнего до нижнего контактов источника напряжения через тело человека, а соответственно нет потока электронов по этому пути. Однако такая ситуация может измениться с появлением случайного заземления. Случайным заземлением может стать, например, ветка дерева, коснувшаяся линии электропередач:

Случайный контакт между проводником системы электроснабжения и землей называется замыканием на землю. Причинами этих замыканий могут послужить такие факторы, как скопление грязи на изоляторах линии электропередач (во время дождя она намокает и создает путь для тока от проводника до столба и на землю), проникновение грунтовых вод в подземные линии электропередач и т.д.. Учитывая вышесказанное можно сделать вывод, что замыкания на землю непредсказуемы. В случае с деревом, никто не сможет предсказать, какого провода коснутся его ветви. Если они коснутся верхнего провода схемы, то прикосновение к нему будет безопасным, а прикосновение к нижнему проводу может вызвать поражение электрическим током (этот сценарий противоположен предыдущему, где дерево соприкоснулось с нижним проводом):

Когда ветка дерева касается верхнего провода схемы, этот провод становится заземленным, а следовательно, электрически общим с землей. Поэтому между ним и землей не будет никакого напряжения, но напряжение по отношению к земле будет присутствовать на нижнем проводе. Как упоминалось ранее, ветки деревьев - это только один из потенциальных источников замыканий на землю. Теперь давайте рассмотрим незаземленную схему без дерева, но с двумя людьми, которые касаются разных проводов:

В этом случае путь для тока создается по следующей цепочке: человек, касающийся одного провода - земля - человек, касающийся другого провода. Несмотря на то, что каждый человек думает, что он в безопасности, поскольку касается только одной точки незаземленной схемы, их совместные действия создают смертельный сценарий. По сути дела, здесь один человек выступает в качестве замыкания на землю, что делает его опасным для другого человека. Именно поэтому незаземленные системы электропитания очень опасны.  При использовании таких систем, напряжение между разными точками схемы и землей непредсказуемо, потому что замыкание на землю может появиться в любой точке схемы в любое время. Единственным персонажем, которому обеспечена безопасность во всех рассмотренных сценариях, является птица, которая вообще не контактирует с землей. Подключив определенную точку схемы к земле ("заземлив" цепь), вы гарантированно можете обезопасить эту точку, а это все же лучше, чем иметь незаземленную схему.

В ответ на второй вопрос можно сказать, что обувь на резиновой подошве действительно обеспечивает некоторую электрическую изоляцию, способную защитить человека от поражения электрическим током через его ноги. Однако, наиболее распространенная конструкция обуви не является электрически "безопасной", ее подошва слишком тонкая и не обеспечивает требуемую защиту. Кроме того, любая влага, грязь, впитанный в подошву пот человека (его проводящие соли) сводят на нет имеющиеся изначально изоляционные свойства обуви. Для проведения опасных электромонтажных работ существует специальная обувь и толстые резиновые коврики, которые в целях обеспечения надлежащей защиты должны быть в чистом, сухом состоянии. Короче говоря, обычная обувь не может гарантировать вам защиту от поражения электрическим током.

Исследования по замерам сопротивления контакта между различными частями тела человека и точкой соприкосновения (например землей) показывают широкий диапазон значений:

• контакт рук или ног в резиновых сапогах или перчатках - 20 МОм.
• контакт через сухую кожу подошвы босой ноги - от 100 КОм до 500 КОм.
• контакт через влажную кожу подошвы босой ноги - от 5 КОм до 20 КОм.

Как видите, резина намного лучший изоляционный материал чем кожа, сопротивление которой может значительно понизить присутствие воды в ее порах.

И наконец, ответим на третий вопрос. Земля не является хорошим проводником (по крайней мере в сухом состоянии!). Она обладает слишком низкой проводимостью и поэтому не может поддерживать необходимый для питания нагрузки поток электронов. Однако для того, чтобы ранить или убить человека требуется совсем небольшой ток, поэтому даже низкой проводимости земли будет достаточно чтобы обеспечить путь для смертельного тока при наличии высокого напряжения (которое обычно есть в электрических сетях).

Если брать разные поверхности земли, то одни из них будут лучшими изоляторами, чем другие. У асфальта, например, сопротивление будет больше чем у большинства видов земли и горных пород, потому что в его состав входит нефтяная основа. Бетон же, наоборот, будет иметь достаточно низкое сопротивление из за входящих в его состав проводящих химических компонентов.

Краткий обзор:

• Поражение электрическим током может произойти только при контакте с двумя точками схемы (когда к телу человека будет приложено напряжение).
• Силовые цепи обычно имеют подключенную к закопанному в землю металлическому стержню точку "заземления", которая гарантирует безопасность одной стороны этой цепи (она будет являться электрически общей с землей).
• Замыкание на землю - это случайный контакт проводника схемы с землей.
• Защитить человека от поражения током, через электропроводность земли, могут специальные резиновые сапоги и коврики, которые должны быть в чистом, сухом состоянии. Обычная обувь не способна обеспечить гарантированную изоляцию человека от земли.
• Земля не является хорошим проводником, но она в состоянии провести достаточное количество тока, чтобы травмировать или убить человека.