Потенциал земли равен 0 — что это значит

Электрическое поле Земли

Принято считать, что земля обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается в полмиллиона кулонов.  Положительный заряд, соответствующий отрицательному заряду Земли, находится на высоте нескольких десятков километров в слое положительно заряженных (ионизованных) молекул. Линии земного электрического поля идут от этого слоя к поверхности Земли. Напряженность вблизи земной поверхности имеет значение около 130 В/м. По мере подъема электрическое поле Земли ослабевает.

Судя по первой теории, поверхность Земли никак не может обладать нулевым потенциалом. Соответственно отрицательный потенциал земли в электротехнике берется как условная точка отсчета.

Есть также и теория, по которой потенциал на поверхности земли должен быть равен нулю, а все кулоновские силы, в любом удалении от нее, должны быть скомпенсированы. Тогда часть мантии планеты (верхний слой земли) должна содержать отрицательные заряды, а часть — положительные.

Ломать голову над вопросом, какая из этих теорий верная, мы не будем. Это не принципиально, и неважно какой именно потенциал у поверхности земли. Важно лишь то, что все на поверхности земли находится в его поле. И если даже потенциал не равен нулю, то в вопросах электротехники Землю можно брать как условную точку отсчета с нулевым потенциалом.

Потенциал земли равен 0 — примеры из электротехники

Рассмотрим примеры использования нулевого потенциала земли в электротехнике. А для наглядности воспользуемся интерактивным эмулятором Multisim, позволяющим моделировать и тестировать электрические схемы.

Схема будет состоять из источника переменного напряжения (однофазного генератора), заземления и нагрузки. В качестве нагрузки используем 10 резисторов по 1 Ом, соединенных последовательно. А так как провод — это тоже нагрузка, то представим, что каждый резистор — это отдельный участок провода.

Особенностью программы Multisim является то, что моделирование без заземления не работает. А так как нас интересуют потенциалы в цепи до и после подключения заземления, то выходом из ситуации является внесение в схему гальванической развязки (трансформатора).

Упрощенно напряжение — это разность потенциалов. Однофазный генератор при вращении ротора индуцирует на фазной обмотке синусоидальную ЭДС. То есть на выводах генератора (начале и конце фазной обмотки) появляется напряженность, изменяющаяся со временем. Так как действующее значение напряжение генератора из примера 220 Вольт, то амплитудное значение должно быть 220×√2 ≈ 310 Вольт. При этом амплитуда напряженности каждого вывода генератора должна быть 310/2 = 155 Вольт. Все это мы можем увидеть, подключив к рассматриваемой цепи осциллограф.

Мы уже отмечали, что программа не будет работать, если в цепи не будет хотя бы одной заземленной точки. Поэтому для анализа потенциалов выводов генератора без заземления рассмотрим точки после гальванической развязки — выводы вторичной обмотки трансформатора. К этим выводам подключены каналы C и D осциллографа. Рассмотрим момент времени, когда напряженность на выводах будет максимальной (амплитудное значение). Потенциал на одном выводе трансформатора будет +155 Вольт (канал C, красный график), а на другом -155 Вольт (канал D, бирюзовый график). Заземлив один из выводов генератора, мы создаем в этой точке нулевой потенциал (канал B, зеленый график). С учетом этого нулевого потенциала, потенциал на оставшемся выводе меняется с +155 до +310 Вольт (канал A, фиолетовый график). У такой трансформации есть интересные особенности, которые многие просто не знают или не понимают. Далее постараемся разобраться в этом интересном вопросе.

Первое, что нужно знать и понимать, — каким образом образуется электрическое поле при замыкании цепи. Для этого удобнее перейти с переменного на постоянный ток. К сожалению заменить генератор переменного тока на генератор постоянного тока у нас не получится, так как трансформатор в цепи с постоянным током не работает. Поэтому мы будем работать с амплитудным значением переменного напряжения, рассматривать конкретный момент времени — точку на пике графике и анализировать этот момент как постоянный ток.

Распространение электрического поля после замыкания цепи происходит со скоростью близкой к скорости света. Но не это важно. Важная особенность заключается в том, что электрическое поле в проводнике с током создают поверхностные заряды. Плотность поверхностного заряда постепенно уменьшается по мере удаления от источника тока. Именно этот заряд создает электрическое поле, существующее внутри и вне проводника, на всем его протяжении. Вдоль проводника, по которому течет постоянный электрический ток, потенциал уменьшается от максимального значения на одном конце проводника до минимального — на другом.

Теперь понятно, для чего нам нужны были резисторы — мы условно разделили проводник на 10 частей. Сопротивление каждого участка 1 Ом. Посмотрим, как изменяются потенциалы на границах этих участков:

Для удобства восприятия перенесем значения потенциалов в точках из осциллографов на схему:

Как видно, после образования стационарного электрического поля потенциал вдоль провода от плюса к минусу плавно изменился. Изменяется он за счет разной плотности поверхностных зарядов. При этом количество положительных и отрицательных зарядов в каждом сечении не меняется. Меняется только баланс их размещения, что в совокупности с изначальным полем на выводах генератора создает такую разность потенциалов на поверхности проводника. Важно отметить, что несмотря на кажущуюся компактность нашей схемы, нужно учитывать реальный масштаб измерений. Ведь в реальности участок с сопротивлением 1 Ом — это провод длинной в сотни метров (зависит от материала и сечения). Также стоит отметить, что с учетом сопротивления цепи 10 Ом потенциалы в точках, разделенных участками в 1 Ом, будут отличаться от соседних точек на величину равную ± 31 Вольт.

Заземлим произвольную точку цепи и посмотрим, что получится:

Для удобства восприятия также перенесем значения потенциалов в точках из осциллографов на схему:

Напряжение между какой-нибудь точкой электрической цепи и землей называют потенциалом этой точки. Очевидно, что потенциал заземленной точки равен нулю, и это мы видим из показаний осциллографа. То есть точка с нулевым потенциалом на проводе сместилась в место соединения с землей, и с учетом этого потенциалы остальных точек изменились. Но важно понимать, что ничего кардинального не произошло. В цепи как протекал ток, так и протекает. Пропорция поверхностного заряд в цепи также не изменилась. Изменилась только напряженность различных участков за счет внесения в цепь напряженности земли в 0 Вольт. Также при соединении с землей одной точки цепи ток в землю не ответвляется, если вся остальная часть цепи имеет достаточно хорошую изоляцию.

Другое дело, если заземляются одновременно две точки электрической цепи. В этом случае создается параллельная цепь и распределение токов может измениться. Смоделируем такую ситуации. Для лучшего восприятия и понимания примем, что резисторы (R4+R5+R6+R7) — это условная нагрузка (электрочайник), (R1+R2+R3) и (R10+R9+R8) — это провода, соединяющие выводы генератора с нагрузкой. Один вывод заземлен (сопротивление заземлителя 30 Ом), а провод от незаземленного вывода повредился (произошло замыкание на землю, сопротивление растеканию 60 Ом).

Перенесем значения потенциалов в точках из осциллографов на схему:

Как видно, заземлив одновременно две точки электрической цепи, мы создали параллельную цепь. В связи с этим потенциалы в точках опять изменились. Здесь хочется отметить, что так как через землю по параллельной замкнутой цепи также протекает ток, то поверхностный заряд (его плотность) во всей цепи также изменился.

Так как параллельная цепь через землю — это все равно электрическая цепь, то возникает логичный вопрос, можно ли убрать в схеме заземление, а резисторы R11 и R12 просто соединить между собой? Можно. Сила тока и напряжения в участках цепи не изменятся. Изменится только распределение потенциалов в точках цепи. А это в электротехнических расчетах особой роли не играет.

Покажем, как распределяться потенциалы при добавлении параллельной незаземленной цепи:

Перенесем значения потенциалов в точках из осциллографов на схему: