Куди тече струм, коли він «іде в землю»?

Ланцюжок дурних питань №4 · Електрика

Заземлення «відводить небезпечний струм у землю». Цю фразу легко запам’ятати, але вона створює дивну картину: електрони входять у ґрунт біля будинку, а далі ніби просто зникають у величезній планеті.

Та струм має текти замкненим колом. Якщо він пішов у землю, куди він тече далі?

І як рух зарядів біля будинку може спричинити рух інших зарядів біля трансформатора, особливо якщо між ними багато землі з великим опором?

Щоб відповісти, спочатку треба розібрати найпростіше коло з батарейкою. Без заземлення й навіть без змінного струму.

Звідки в колі береться електричне поле

Уявімо батарейку, лампочку й два мідні проводи:

один полюс батарейки
→ провід
→ лампочка
→ другий провід
→ другий полюс батарейки

Струм — це впорядкований рух електричного заряду. Частинки, рух яких створює струм, називають носіями заряду. У металі цю роль виконують вільні електрони, якими мідні проводи заповнені ще до підключення батарейки.

Батарейка не повинна спочатку надіслати новий електрон через увесь провід до лампочки. Її робота інша: хімічні реакції розділяють заряди й підтримують між полюсами напругу. Напруга показує, наскільки сильно джерело може рухати заряд між двома точками. Точніше її називають різницею електричних потенціалів.

Напруга створює електричне поле. Поле — не потік електронів. Воно показує, у який бік і наскільки сильно джерело штовхатиме заряд у кожній точці кола. Саме батарейка підтримує це поле. Замикання кола не створює його з нічого.

Поки між полюсами немає суцільного провідного шляху, поле існує, але не може підтримувати безперервний струм через лампочку. Після замикання дроти, лампочка й сама батарейка утворюють повну петлю. Уздовж неї поле рухає електрони, які вже є в кожній ділянці, а батарейка постійно підтримує напругу, витрачаючи хімічну енергію.

Це можна уявити як замкнений ланцюг, натягнутий на дві шестерні. Одна шестерня приводна: коли вона починає обертатися, ланцюг рухається по всій петлі. Окрема ланка не повинна спочатку пройти весь шлях до другої шестерні, щоб та почала рухатися. Зміна натягу поширюється ланцюгом значно швидше, ніж самі ланки обходять коло.

У проводі роль цієї переданої дії виконує електричне поле. Після замикання зміна поля швидко поширюється вздовж усього кола й починає рухати електрони, які вже є біля лампочки. Тому лампочка загоряється майже одразу, хоча кожен окремий електрон зміщується повільно.

Що змінюється в розетці

Батарейка підтримує поле одного напрямку. Електрони в зовнішньому колі повільно зміщуються переважно в один бік. Це постійний струм.

У розетці напруга змінна: джерело 50 разів за секунду повторює повний цикл. Приблизно кожні 10 мілісекунд напрямок електричного поля змінюється, тому електрони в проводах не проходять шлях від електростанції до чайника й назад. Вони рухаються трохи в один бік, потім трохи у зворотний.

Повернімося до замкненого ланцюга. Для постійного струму приводна шестерня весь час обертається в один бік, і ланцюг безперервно обходить петлю. Для змінного струму привод не робить повного оберту: він тягне ланцюг трохи вперед, потім назад — і повторює це знову.

Ланки нікуди далеко не їдуть, але рух від цього не стає марним. До такого ланцюга можна приєднати механізм, якому саме й потрібен рух туди-сюди: наприклад, пилку або поршень. Джерело виконує роботу над ланцюгом, ланцюг передає її механізму, а кожна ланка лише коливається біля свого місця. Так само електрони в мережі коливаються, але електричне поле передає енергію приладу.

Дроти при цьому не є порожніми каналами, якими електростанція щоразу надсилає нову порцію електронів. Електрони вже є вздовж усього кола, а поле рухає їх і передає енергію приладу.

У побутовій мережі для нормальної роботи використовують два проводи. Фазний провід з’єднує прилад із джерелом, а нейтральний є звичайним шляхом назад. Тому спрощено кажуть, що струм «іде фазою й повертається нейтраллю».

Замкнений шлях однаково потрібен: він не створює поле, а дає джерелу можливість безперервно рухати заряди через прилад і назад до себе.

Земля справді може бути другим проводом

У простому телеграфному колі потрібні були прямий і зворотний шляхи. Спочатку для них використовували два металеві дроти: одним струм ішов до приймача, другим повертався до батареї. У 1838 році Карл Август фон Штайнгайль показав, що зворотний дріт можна прибрати. На обох кінцях лінії встановлювали металеві електроди — пластини або стрижні з великим контактом із ґрунтом. Зворотна частина кола проходила через землю. Такий електрод називають заземлювачем.

Землю справді використовували замість другого дроту. Вона не поглинала струм, а замикала шлях між двома заземлювачами.

Тому питання «чому не повертати струм через землю замість нейтралі?» зовсім не наївне. У телеграфі саме так і робили. Питання не в тому, чи може ґрунт бути частиною кола, — може. Питання в тому, наскільки добре, стабільно й безпечно він проводить струм порівняно з мідним проводом.

У такому ранньому вживанні слово ground було буквальним: фізичний ґрунт справді був частиною кола. Потім одну точку електричних систем почали з’єднувати із землею й умовно вважати її нулем вольт (0 V). Відносно неї вимірювали всі інші напруги. Назва поступово перейшла з фізичного ґрунту на саму роль опорного нуля.

Згодом ground почали називати спільну опорну точку навіть у схемах, які взагалі не торкаються ґрунту. Свій ground має автомобіль, де цю роль виконує кузов. Він є в телефоні й навіть у космічному апараті.

фізичний ґрунт як частина кола
→ точка, з’єднана з ґрунтом і прийнята за нуль
→ будь-яка спільна опорна точка схеми

Те, що ґрунт може замикати коло, було відомо задовго до масової електрифікації будинків. Але як захисний механізм його почали використовувати пізніше.

Як з’явилося захисне заземлення

Спочатку були два проводи й запобіжник. Наприкінці XIX століття електрика в будинках означала переважно освітлення. Два проводи живили лампу. Запобіжник вимикав живлення, якщо струм ставав великим і проводка могла загорітися. Перші британські правила електропроводки 1882 року теж з’явилися насамперед через пожежі в освітлювальних установках.

Потім з’явилася нова проблема. До мережі почали підключати праски, тостери й інші прилади з металевими корпусами. Якщо пошкоджений фазний провід торкався корпуса, той опинявся під напругою. Але великого струму ще не було, тому запобіжник не спрацьовував. Коло могла замкнути людина, яка торкнулася корпуса й водопровідної труби або вологої підлоги.

Корпусу дали окремий шлях до джерела. Одну точку трансформатора з’єднали із землею. Металевий корпус приладу під’єднали до захисного проводу PE (protective earth) або місцевого заземлювача. У схемі з місцевим заземлювачем так з’явилися два контакти із землею: біля приладу й біля джерела. Без другого контакту ґрунт не замикав би аварійне коло.

Струмом витоку називають частину струму, яка залишила нормальний шлях «фаза → прилад → нейтраль» і повертається іншим маршрутом. Якщо фаза торкається заземленого корпуса, такий струм виникає відразу, ще до того, як корпуса торкнеться людина. У схемі із місцевим заземлювачем він проходить через корпус, захисний провід, заземлювач будинку, ґрунт і заземлювач джерела назад до трансформатора. У мережах із металевим PE основна частина цього шляху проходить захисним проводом, а не ґрунтом.

Заземлення не вимикає живлення саме. Воно лише дає струму витоку підготовлений шлях. ПЗВ — це пристрій захисного вимкнення, який реагує на такий витік. Диференційний автомат працює за тим самим принципом і додатково вимикає коло, коли сам струм стає небезпечно великим.

Обидва пристрої порівнюють струм у фазному й нейтральному проводах. Якщо частина струму повертається через захисний шлях, нейтраллю приходить менше. Захист бачить різницю й розриває коло.

фаза торкнулася корпуса
→ струм витоку відразу пішов через PE або заземлювач і ґрунт
→ нейтраллю повернулося менше струму, ніж пішло фазою
→ ПЗВ або диференційний автомат побачив різницю
→ живлення вимкнулося

Отже, людину захищає весь механізм разом: заземлення створює аварійний шлях, а диференційний захист швидко вимикає напругу. Заземлення саме по собі не є «зливом для електрики» й не гарантує безпеки без справного захисного пристрою.

Як струм проходить через землю з великим опором

Тепер розглянемо варіант, у якому цей аварійний шлях проходить саме через ґрунт. Корпус приладу з’єднаний із місцевим заземлювачем, а нейтральна точка трансформатора — контакт, від якого починається нейтральний провід, — з іншим. Якщо фаза торкнеться корпуса, коло виглядатиме так:

трансформатор
→ фаза
→ пошкоджений корпус
→ заземлювач будинку
→ земля
→ заземлювач нейтралі трансформатора
→ трансформатор

В інших схемах основна частина аварійного струму повертається металевим захисним провідником і майже не проходить через ґрунт. Тут нас цікавить саме випадок, у якому ґрунт справді є частиною замкненого шляху.

Тут легко уявити неправильну картину: електрон входить у землю біля будинку, проштовхується крізь вузький тунель ґрунту на багато кілометрів і нарешті доходить до трансформатора.

Насправді того самого електрона біля трансформатора чекати не потрібно.

Трансформатор уже підтримує напругу між фазою та заземленою нейтральною точкою. Коли пошкодження замикає показаний шлях, ця напруга прикладається до всього аварійного кола, зокрема до ґрунту між двома заземлювачами. Саме джерело створює там електричне поле; замкнений шлях лише дає полю можливість підтримувати струм.

Електрон біля будинку не повинен механічно проштовхнути ланцюжок електронів аж до трансформатора. Поле діє на носії заряду, які вже перебувають у кожній локальній ділянці ґрунту.

У мідному проводі носіями струму є переважно електрони. У вологому ґрунті струм проходить здебільшого через воду в порах. У ній рухаються іони — атоми або молекули з електричним зарядом. Електрони не перетворюються на іони. На поверхні металевого заземлювача заряд передається від носіїв у металі до носіїв у ґрунті, а біля другого заземлювача — назад. Це відбувається через процеси на межі металу й води в ґрунті.

Тому вислів «струм пішов від будинку до трансформатора» не означає, що всі носії заряду рухаються туди однією колоною. Позитивні й негативні іони можуть рухатися в протилежні боки, а в змінному полі їхній напрямок регулярно змінюється. Струмом називається спільний результат цього локального руху зарядів.

І струм не йде крізь землю вузьким циліндром завтовшки із заземлювач. Від металевого стрижня він розходиться в усі боки. Що далі від стрижня, то більша площа ґрунту одночасно бере участь у проведенні струму.

Уявімо двері, що ведуть із вузького коридору на величезну площу. Найбільша тиснява виникає біля дверей. Далі люди розходяться ширшим фронтом, і кожен наступний метр площі додає дедалі менше опору руху.

Так само найбільша частина опору заземлення зазвичай зосереджена поблизу електродів, де струм проходить через малу площу. Далі шляхи розширюються, їх стає дуже багато паралельно, і додатковий опір від далеких шарів землі швидко зменшується. Тому інтуїція «ґрунт погано проводить, а до трансформатора далеко» тут не працює: площа шляху не залишається сталою.

Як струм і електричне поле проходять крізь ґрунт між заземлювачами будинку та трансформатора

Показано один півперіод змінного струму; у наступному напрямок змінюється.

Великий опір ґрунту все одно нікуди не зникає. У сухому кам’янистому ґрунті аварійний струм може бути набагато меншим, ніж у вологій глині. Саме тому заземлювачі проєктують і вимірюють, а захист не завжди може покладатися лише на великий аварійний струм.

Чому повітря не замикає коло так само

Електричне поле існує і в повітрі. Але саме поле — ще не струм. Для струму потрібні заряди, які можуть вільно рухатися крізь середовище.

У мідному проводі є вільні електрони. У вологому ґрунті є рухомі іони у воді між частинками. А звичайне повітря складається переважно з нейтральних молекул. Поле може трохи змістити зв’язані в них заряди, але переносити заряд крізь повітря майже нікому. Тому за звичайних умов воно працює як ізолятор.

Проте повітря не є абсолютною забороною. Якщо поле стає достатньо сильним, воно вириває електрони з молекул. Вільні електрони розганяються, зіштовхуються з іншими молекулами й вибивають нові електрони. Виникає провідний канал з іонізованого повітря — іскра або блискавка. У цей момент повітря справді стає частиною замкненого кола.

Отже, одного поля недостатньо. Потрібні ще рухомі носії заряду. У ґрунті ними є переважно іони, у металі — електрони, а в неіонізованому повітрі їх майже немає.

Хіба струм не йде шляхом найменшого опору

Фраза «струм іде шляхом найменшого опору» неточна. Струм проходить усіма доступними провідними замкненими шляхами. Менший опір означає більший струм через цей шлях, а не повне зникнення струму в усіх інших.

Це схоже на кілька паралельних труб між насосом і резервуаром. Через широку трубу пройде більше води, через вузьку — менше, але вода не ігнорує вузьку трубу лише тому, що поруч є краща.

У ґрунті немає набору наперед намальованих маршрутів, серед яких струм обирає переможця. Електричне поле існує в усьому провідному об’ємі. У вологих і солоних ділянках воно створює більший струм, у сухих і кам’янистих — менший. Якщо поруч є металева труба, значна частина струму може піти нею. Усі ці внески складаються.

Саме тому струм у землі розтікається широким об’ємом. Усередині кожного шару ґрунту поруч існує багато локальних шляхів, і їхні струми складаються. Захисний шлях не гарантує, що через людину не піде жодного струму. Його завдання — створити витік відразу після пошкодження й дати захисту змогу швидко вимкнути живлення.

Чому землю не використовують замість нейтралі

Ґрунт справді може замкнути коло до трансформатора. Для телеграфу цього було достатньо: треба було передати слабкий сигнал. Чайник, праска або обігрівач споживають значно більший струм.

Ґрунт проводить його набагато гірше й менш передбачувано, ніж мідний провід. Його опір залежить від вологи, солей, температури, складу ґрунту та форми заземлювачів. Біля електродів виникають небезпечні перепади напруги, а частина струму може проходити через труби й арматуру.

Тому нейтральний провід є нормальною зворотною дорогою: короткою, мідною й передбачуваною. Ґрунт не використовують як штатний шлях робочого струму в побутовій мережі, хоча в деяких схемах він є частиною аварійного маршруту.

Захисний провід теж не замінює нейтраль. Нейтраллю робочий струм повертається щоразу, коли ввімкнений прилад. Захисний провід не повинен бути штатним шляхом цього струму. Його роль починається під час витоку або пошкодження.

Куди все-таки тече струм у землі

Він повертається до джерела — у нашому прикладі назад до трансформатора, — але не як колона тих самих електронів, що подолала всю відстань.

Джерело підтримує різницю потенціалів між місцем входу й виходу струму. Ця різниця створює електричне поле в матеріалі, що проводить струм. Поле змушує місцеві носії заряду рухатися в кожній частині шляху: електрони — у металі, іони — у вологому ґрунті.

Поле є і в повітрі, але без вільних носіїв воно не створює помітного провідного струму. А в ґрунті струм не шукає один-єдиний найкращий тунель: він розподіляється між усіма провідними шляхами, причому через ділянки з меншим опором проходить більша частина.

Замкнене коло не створює електричне поле — його створює джерело напруги. Коло лише дає полю безперервний провідний шлях, яким воно може рухати заряди через навантаження й назад до джерела. Заземлення не поглинає електрику: воно створює шлях для струму витоку.

У схемі з місцевим заземлювачем цей витік помічає ПЗВ або диференційний автомат і вимикає коло. Якщо корпус має металевий шлях до джерела через PE, аварійний струм може стати достатньо великим, щоб спрацював і звичайний автомат або запобіжник. В обох випадках людину захищає не земля сама по собі, а підготовлений аварійний шлях разом з автоматичним вимкненням живлення.

Джерела й фактчек

Струм, поле та змінна напруга

Ґрунт і захисні схеми

Історія

Дурні питання