Ochrona przed elektrycznością - uziemienie, piorunochron i klatka Faradaya

1.Przewodnik

Substancja, w której ładunki elektryczne mogą się swobodnie przemieszczać. W metalach są to elektrony swobodne, a w roztworach soli - jony. Przewodnikami są np. metale, grafit, woda z solą, wilgotna ziemia i ciało człowieka.

2.Izolator

Substancja, w której ładunki elektryczne praktycznie nie mogą się swobodnie przemieszczać, np. guma, szkło, porcelana, plastik, suche drewno i suche powietrze. Izolator łatwo naelektryzować przez pocieranie, a ładunek zostaje w miejscu potarcia.

3.Ładunek na powierzchni przewodnika

Ładunek nadany przewodnikowi gromadzi się na jego zewnętrznej powierzchni. Ładunki jednoimienne odpychają się, więc odsuwają się od siebie jak najdalej. Najwięcej ładunku zbiera się na ostrzach i wypukłościach.

4.Uziemienie

Połączenie przewodnika z ziemią za pomocą przewodu. Ładunek spływa wtedy do ziemi (albo z ziemi) i ciało przestaje być naelektryzowane. Ziemia jest ogromnym przewodnikiem, więc przyjmie każdy taki ładunek.

5.Ciało człowieka jako przewodnik

Ciało człowieka zawiera wodę z rozpuszczonymi solami, więc przewodzi prąd. Gdy dotkniesz naelektryzowanego elektroskopu, ładunek spłynie przez ciebie do ziemi i listki opadną. Mokra skóra przewodzi lepiej niż sucha, dlatego mokre ręce zwiększają ryzyko porażenia.

6.Elektryzowanie przez pocieranie

Podczas pocierania elektrony przechodzą z jednego ciała na drugie. Ciało, które zyskało elektrony, jest naelektryzowane ujemnie, a to, które je straciło - dodatnio.

7.Iskry i trzaski przy zdejmowaniu swetra

Sweter ociera się o włosy i inne ubrania, więc elektryzują się przez tarcie. Ładunki wyrównują się małymi wyładowaniami iskrowymi, które słychać jako trzaski, a w ciemności widać jako iskierki. Dlatego też włosy unoszą się i przyklejają do swetra.

8.„Kopnięcie” przy dotknięciu klamki

Gdy chodzisz w butach po dywanie z tworzywa sztucznego, twoje ciało elektryzuje się przez tarcie. Po dotknięciu metalowej klamki ładunek gwałtownie przez nią spływa i czujesz krótkie ukłucie z iskrą.

9.Suche powietrze a elektryzowanie

Ciała elektryzują się najsilniej, gdy powietrze jest suche, np. zimą w ogrzewanych pomieszczeniach. W wilgotnym powietrzu na przedmiotach osiada cienka warstwa wody, po której ładunek spływa.

10.Elektryzowanie przy tankowaniu paliwa

Ciało kierowcy może się naelektryzować, np. przez tarcie ubrania o fotel. Iskra przy pistolecie mogłaby zapalić opary paliwa. Dlatego przed tankowaniem dotyka się metalowej części samochodu, a podczas tankowania nie wsiada się do auta.

11.Uziemianie cysterny z paliwem

Paliwo przelewane przez węże elektryzuje się przez tarcie. Przed rozładunkiem cysternę łączy się przewodem z ziemią, aby ładunek spłynął i nie powstała iskra, która zapaliłaby paliwo.

12.Iskra przy wysiadaniu z samochodu

Gdy wysiadasz, ubranie ociera się o fotel i twoje ciało się elektryzuje. Po dotknięciu metalowych drzwi ładunek spływa iskrą. Pomaga trzymanie metalowej części drzwi podczas wysiadania.

13.Jak ograniczyć elektryzowanie się w domu

Nawilżać powietrze, nosić ubrania z włókien naturalnych (np. z bawełny), używać środków antystatycznych i rozładowywać się przez dotknięcie uziemionego metalu.

14.Chmura burzowa

W chmurze burzowej silne prądy powietrza unoszą krople wody i kryształki lodu, które ocierają się o siebie i się elektryzują. Zwykle dolna część chmury jest naładowana ujemnie, a górna - dodatnio.

15.Piorun

Potężne wyładowanie elektryczne w atmosferze między chmurą burzową a ziemią albo między chmurami. Trwa ułamek sekundy, ale płynie w nim ogromny prąd.

16.Błyskawica i grzmot

Błyskawica to światło wyładowania. Grzmot to dźwięk: powietrze wokół pioruna gwałtownie się nagrzewa i rozpręża. Najpierw widzimy błysk, bo światło rozchodzi się dużo szybciej niż dźwięk.

17.Jak obliczyć odległość od burzy

Policz sekundy od błysku do grzmotu i pomnóż je przez prędkość dźwięku w powietrzu, około $340~\mathrm{m/s}$: $s = v \cdot t$. W przybliżeniu 3 sekundy to około 1 km.

18.Piorunochron

Instalacja, która przejmuje uderzenie pioruna i bezpiecznie odprowadza jego ładunek po metalowych przewodach do ziemi, z pominięciem ścian i wnętrza budynku. Chroni budynek przed pożarem i zniszczeniem, a ludzi w środku - przed porażeniem.

19.Części piorunochronu

Zwód - metalowy pręt lub przewody w najwyższym miejscu dachu, w które uderza piorun. Przewód odprowadzający - metalowy przewód biegnący po ścianie. Uziom - metalowy element zakopany w ziemi, przez który ładunek spływa do gruntu.

20.Bezpieczne schronienie w czasie burzy

Najbezpieczniej jest w budynku z piorunochronem albo w samochodzie z metalową karoserią przy zamkniętych oknach. W samochodzie nie dotykaj metalowych części karoserii.

21.Zachowanie podczas burzy na otwartej przestrzeni

Piorun uderza najczęściej w wysokie, wystające obiekty. Unikaj samotnych drzew, otwartych łąk, szczytów, kąpieli w wodzie i metalowych ogrodzeń. Nie trzymaj w górze metalowych przedmiotów. Na otwartej przestrzeni nie ma bezpiecznego miejsca, więc jak najszybciej schroń się w budynku albo samochodzie. Jeśli nie zdążysz, przykucnij ze złączonymi stopami - to tylko zmniejsza ryzyko porażenia.

22.Odłączanie urządzeń w czasie burzy

Uderzenie pioruna w linię energetyczną może wywołać nagły skok napięcia w sieci domowej i zniszczyć urządzenia. Dlatego podczas burzy wyjmuje się wtyczki z gniazdek, np. komputera i telewizora.

23.Klatka Faradaya

Zamknięta osłona z przewodnika, np. z blachy albo metalowej siatki. Ładunki z zewnątrz rozkładają się na jej powierzchni, więc nie działają na ciała we wnętrzu. Nazwa pochodzi od angielskiego fizyka Michaela Faradaya.

24.Samochód jako klatka Faradaya

Metalowa karoseria działa jak klatka Faradaya: prąd pioruna płynie po jej powierzchni i przez powietrze oraz opony do ziemi, omijając wnętrze. Chroni metalowa karoseria, a nie gumowe opony. Auto z plastikowym dachem albo kabriolet nie chronią.

25.Ekranowanie

Osłanianie przewodów lub urządzeń warstwą przewodnika (np. metalowym oplotem albo blachą), aby chronić je przed zakłóceniami elektrycznymi i falami elektromagnetycznymi z zewnątrz. Przykładem jest kabel antenowy z metalowym oplotem pod izolacją.

26.Metalowa siatka w kuchence mikrofalowej

Metalowe ściany kuchenki i siatka w drzwiczkach działają jak klatka Faradaya. Zatrzymują mikrofale wewnątrz, bo otworki siatki są dużo mniejsze od długości mikrofal, ale przepuszczają światło, więc widać jedzenie.

27.Brak zasięgu telefonu w windzie

Metalowa kabina windy działa jak klatka Faradaya i silnie osłabia fale radiowe, którymi telefon łączy się z siecią. Dlatego w windzie zasięg często spada albo znika.

28.Izolacja przewodów

Warstwa izolatora (plastiku lub gumy) na przewodach i obudowach urządzeń. Chroni przed dotknięciem części pod napięciem i przed zwarciem. Przewodu z uszkodzoną izolacją nie wolno używać.

29.Bezpiecznik w instalacji domowej

Element, który przerywa obwód, gdy płynie w nim za duży prąd, np. przy przeciążeniu lub zwarciu. Chroni przewody przed przegrzaniem i pożarem.

30.Przewód ochronny (uziemiający)

Żółto-zielony przewód, który łączy metalową obudowę urządzenia z ziemią przez bolec w gniazdku. Gdy przewód pod napięciem dotknie obudowy, przez przewód ochronny płynie do ziemi duży prąd i bezpiecznik wyłącza obwód. Bez tego połączenia obudowa zostałaby pod napięciem.

31.Zasady bezpiecznego korzystania z urządzeń elektrycznych

Nie dotykaj urządzeń mokrymi rękami i nie używaj ich przy wodzie. Nie wkładaj przedmiotów do gniazdka. Wyjmuj wtyczkę, trzymając za wtyczkę, a nie za kabel. Nie używaj uszkodzonych przewodów i nie przeciążaj rozgałęźników.

32.Pomoc przy porażeniu prądem

Najpierw odłącz prąd (wyłącz bezpiecznik albo wyjmij wtyczkę) lub odsuń przewód suchym przedmiotem z izolatora, np. drewnianym kijem. Nie dotykaj porażonego gołymi rękami, dopóki płynie prąd. Wezwij pomoc pod numerem 112.