تحقیق مقاله الکتروسکوپ

الکتروسکوپ

هر گاه الکتروسکوپ باردار به زمین متصل شود، به کلی از بار الکتریکی تخلیه می شود و برگه هایش فرو می افتند. همین امر درباره هر جسم رسانای دیگر نیز پیش می آید برای اینکه بتوان جسمی را باردار کرد، باید آنرا از زمین جدا کنیم. بر عکس بعد از اینکه رسانای باردار به زمین وصل شد، در فضای پیرامون هیچ اثر الکتریکی مشاهده نمی شود. یعنی آن جسم از نظر بار الکتریکی خنثی می شود. اکنون در وضعیتی هستیم که می توانیم درباره فرایند هایی که رخ می دهند به تفصیل سخن بگوییم.

الکتروسکوپ در اتصال زمین

در الکتروسکوپ نقش محفظه را اشیای پیرامون آن ، دیوارها ، سقف و غیره بازی می کنند، که معمولا به زمین اتصال دارند. به این معنا که خطوط میدان الکتریکی که منشا آنها برگه های باردار الکتروسکوپ است به رساناهای اطراف الکتروسکوپ که متصل به زمین هستند ختم می شود.

هر گاه الکتروسکوپ به زمین متصل شود بارها بین الکتروسکوپ و زمین به حرکت در می آیند، تا اینکه اختلاف پتاسیل الکتریکی بین الکتروسکوپ و زمین و بالاخره هر جسم متصل به زمین، که درپیرامون الکتروسکوپ هست صفر شود. سپس میدان الکتریکی دورنگه دارنده برگه ها نیز می شود و آنها فرو می افتند.

همین پدیده در طول اتصال زمین الکترو متری که محفظه آن متصل به زمین باشد رخ می دهد ولی اگر محفظه عایق بندی شده باشد، اتصال زمینی میله آن لزوما فرو افتادن برگه ها را همراه ندارد. برای هر جسمی که به زمین متصل شود همین وضع حکم فرماست.

اتصال اجسام باردار به زمین:

ما درباره بار الکتریکی جسم از روی اثرهای الکتریکی که بار بوجود می آورد، مثل جاذبه یا دافعه الکتریکی یعنی توسط میدان الکتریکی که اطراف جسم ایجاد می شود، داوری می کنیم.

هر گاه رسانای بارداری به زمین متصل شود، دیگر اثرهای الکتریکی مشاهده نمی شود. زیرا اختلاف پتاسیل بین جسم و زمین و همین طور شدت میدان الکتریکی پیرامون صفر می شود. از بین رفتن میدان الکتریکی به معنی بدون بار شدن جسم است. در واقع بار الکتریکی از بین نمی رود بلکه توزیع آن بین زمین و جسم عوض می شود.

اتصال مدار به زمین:

در مدارات الکتریکی برای اینکه یک پتاسیل مرجعی جهت سنجش پتاسیل ، از روی اختلافش با پتاسیل زمین داشته باشیم، که پتاسیل زمین را به غلط معرف پتاسیل الکتریکی بینهایت می دانیم، و آنرا صفر می گیریم. اما جای نگرانی نیست زیرا پتاسیل کمیتی اسکالر است و تعریف مبدا پتاسیل یک عمل نسبی است و محاسبات و اندازه گیری ها را تحت تاثیر قرار نمی دهد.

بنابر این در سنجش های جریان الکتریکی و ولتاژ ، پتاسیل زمین را صفر گرفته و آنجا را مبدا پتاسیل معرفی می کنیم. و جهت یافتن اختلاف پتاسیل ، پتانسیل الکتریکی نقاط مختلف مدار همان اختلاف پتاسیل آن نقطه با زمین می باشد که این اتصال مدار به زمین یک پایداری کلی بر سیستم مداری و محاسبات ما که نسبت به مبدا ثابتی صورت می گیرد، اعمال می کند.

استفاده از بنتونیت در احداث اتصال زمین

در هدایت الکتریکی و انتقال جریان به درون زمین دو عامل اساسی نقش دارند :
1- اندازه و شکل الکترودهایی که در منطقه استفاده می شود ( اعم از میله ای یا صفحه ای)
2- مقاومت خاک منطقه که خود بستگی به عوامل زیر دارد :

- نوع خاک

- ترکیب شیمیایی نمک های حل شده در آب های درون خاک

- درصد رطوبت خاک

- دمای خاک به طوری که خاک های یخ زده دارای مقاومت بالایی هستند

- اندازه دانه ها و توزیع دانه در خاک

- تراکم خاک و فشار وارد بر آن

لازم به ذکر است که به جز موارد فوق پارامترهای دیگری نیز در مسئله قابلیت هدایت الکتریکی زمین نقش دارند مانند عمق نصب الکترودها ، خواص شیمیایی خاک مانند PH ، تغییرات عمق لایه بندی و توزیع دانه ها.

با توجه به نتایج تحقیقات و تجربیات در سیستم های توزیع برق در خصوص روش های بهینه سازی اتصال زمین ، افزودن نمک به خاک ها از ساده ترین و رایج ترین روش ها بوده و اگر چه در کوتاه مدت مشکل مقاومت زمین را رفع می کند ولی به دلیل خاصیت خورندگی بسیار بالای نمک ، پس از مدت کوتاهی الکترودها و اتصالات مربوطه به طور کامل از بین رفته و بایستی با صرف هزینه های اضافی مکرر اقدام به تعویض الکترودها نمود. از طرفی بر اثر بارندگی های سالیانه پس از مدتی این نمک ها نیز شسته شده و به لایه های زیرین منتقل گشته و مقاومت زمین مجدداً افزایش می یابد. در نتیجه حداکثر کارایی با مخلوطهای نمکی بین 5 تا 7 سال است.

با توجه به مقاومت بالا، زمینهایی که خاک و بستر آن سنگی ، سنگلاخی و سخت بوده ، از لحاظ هدایت الکتریکی از نظر موارد اشاره شده در مقاومت خاک ، دارای مشکلات بسیاری جهت احداث اتصال زمین می باشند ، باعث شده تا استفاده از مواد کاهش دهنده مقاومت زمین ، متداول شده و این مواد دارای تنوع زیادی باشند. از جمله این مواد : Ground Enhanced Material (GEM ) ، مارکونیت ، بنتونیت سدیم ، پلیمرهای جاذب رطوبت و Ultra Fill را می توان نام برد.به لحاظ فراوانی و قیمت مناسب خاک طبیعی بنتونیت سدیم (Sodium Bentonite ) ، استفاده از این ماده جهت ایجاد اتصال زمین به عنوان یک روش مؤثر و نوین متداول تر شده است. بنتونیت سدیم دارای اندازه ذرات بسیار ریز ( کمتر از 0.02 میکرون ) که دارای سطح تماس بسیار بالا ( 800 متر مربع به گرم ) هستند بوده و قابلیت جذب آب تا 5 برابر وزن اولیه خود افزایش حجم تا 13 برابر حجم خشک اولیه را دارد. همچنین این ماده وقتی به 6 برابر حجم اولیه خود می رسد بصورت لزج و غلیظ در آمده و نه تنها شکل خود را نگه می دارد بلکه در صورت تماس با هر سطحی به آن می چسبد و در نتیجه می تواند هم مشکل تراکم خاک و هم چسبندگی و اتصال لازم را حل کند.

خاک بنتونیت زمانی که هیدراته می شود بصورت شیمیایی می تواند آب را داخل خود نگه داشته و به عنوان یک عامل خشک کننده ، آب و رطوبت اطراف را با خاصیت مکشی خود جذب کند. در اثر تماس بنتونیت با نور خورشید سطح بیرونی آن خشک شده و از خروج رطوبت از قسمت های داخلی آن جلوگیری می کند. این ماده رسی نیاز به مواد افزودنی ندارد ( صرفاً بنتونیت نوع سدیم اینگونه است ) و فاقد خاصیت خورندگی بوده و خواص آن برای سالیان متمادی ثابت می ماند.

مقاومت بنتونیت سدیم در 300% رطوبت ( وزن آب به وزن بنتونیت ) حدود 2 اهم بوده که به دلیل تشکیل الکترولیت ناشی از افزودن آب است. آبی که به صورت شیمیایی در بنتونیت نگهداری می شود اجازه می دهد تا سود وپتاس آهک (Ca O ) ، اکسید منیزیم (Mg O ) و دیگر نمک های معدنی موجود در آن یونیزه شده و با PH حدود 5/8 تا 5/10 تشکیل یک الکترولیت قوی را بدهد.

بنتونیت با توجه به خواص فوق به عنوان یک الکترولیت بهینه انتخاب می شود گرچه مواد دیگری چون GEM ، مارکونیت و ... قابلیتهایی دارند لیکن به علت رعایت مسائل ایمنی هنگام مصرف در کار و قیمت بالا در قیاس با بنتونیت در جایگاه پایین تری قرار دارند.

اتصال زمین یکی از اجزای مهم در شبکه، به خصوص در شبکه های توزیع می باشد. ایجاد زمین مناسب و بسط و توسعه و نگهداری آن در سطح شبکه شهر و روستا از نیازهای اصلی شبکه است. مقاومت زمین باید به حداقل ممکن کاهش یافته تا در صورت بروز اتصال کوتاه از خسارت دیدن تأسیسات جلوگیری شود و پتانسیل سیم نول در کلیه شرایط عملکرد شبکه حدود صفر باقی بماند. در شبکه های توزیع موجود و یا در حال احداث عموماً اتصال زمین پس از حفر چاه و تعبیه صفحه مسی یا گالوانیزه در آن و یا کوبیدن میله کاپرولد در زمین ایجاد می شود. جهت متصل نمودن سیم نول شبکه به زمین از سیم مسی و یا کابل و یا تسمه گالوانیزه استفاده می گردد که به دلیل کمبود بعضی از لوازم مانند فشنگ و میخ تامپون این ارتباط ناقص برقرار می شود (اتصال میخ تامپون به تیر سیمانی به هیچ وجه صحیح نیست ولی در گذشته این کار انجام می شد) به این شکل که کابل و یا سیم ارتباطی به وسیله رشته های سیم و یا تسمه نازک به کنار تیر بسته می شود که بعد از مدت کوتاهی رشته های سیم و یا تسمه کنده شده و از بین می روند که این مسئله برای عابرین و شبکه خطرناک خواهد بود. از طرف دیگر با توجه به افزایش قیمت مس در بازار، افراد سودجو سیم و یا کابل ارتباطی کنار تیر را کنده تا از آن استفاده کنند. لذا اتصال زمین باید به صورت مطمئن ایجاد شود تا در آینده از بروز مشکل و مزاحمت برای شبکه و عابرین جلوگیری به عمل آید و در عین حال از لحاظ اقتصادی مقرون به صرفه باشد. در این مقاله روشی جهت ایجاد زمین در شبکه های توزیع و ارتباط آن با سیم نول شبکه هوایی پیشنهاد شده است. این روش از نظر اقتصادی و سهولت اجرا با روشهای موجود مقایسه و مزایا و معایب هر کدام به طور مختصر شرح داده شده است.

در مهندسی برق، واژه زمین یا ارت با توجه به کاربردهای آن دارای معانی متفاوتی است. زمین در یک مدار الکتریکی می‌تواند نقش یک نقطه مبدا را داشته باشد که بر طبق آن بقیه ولتاژهای الکتریکی را اندازگیری می‌کنند. واژه زمین همچنین به مسیری کلی برای بازگشت جریان به منبع نیز اطلاق می‌شود. این واژه در مورد یک اتصال مستقیم به زمین نیز مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یک مدار الکتریکی ممکن است به دلایل مختلفی به زمین متصل شده باشد. در مدارهای قدرت این اتصال‌ها معمولا برای بالا بردن ایمنی و محافظت افراد یا دستگاه‌ها از تاثیرات معیوب بودن عایقکاری هادی‌ها ایجاد می‌شود. اتصال به زمین در مدارهای قدرت از آسیب دیدن عایق‌های مدار در اثر افزایش ولتاژ بین زمین و مدار جلوگیری کرده و این ولتاژ را در یک حد معین محدود می‌کند. از اتصال زمین برای جلوگیری از افزایش الکتریسیته ساکن در هنگام حمل مواد قابل اشتعال یا تعمیر تجهیزات الکترونیکی نیز استفاده می‌کنند. در برخی از انواع تلگراف‌ها و شبکه‌های انتقال زمین به تنهایی نقش یکی از هادی‌ها را ایفا می‌کند و به عنوان مسیر بازگشت جریان به منبع مورد استفاده قرار می‌گیرد با این کار در هزینه ایجاد یک خط جداگانه برای بازگشت جریان صرفه‌جویی می‌شود. در اندازگیری از زمین به عنوان یک پتانسیل الکتریکی ثابت استفاده می‌کنند که با توجه به اختلاف پتانسیل هر قسمت از مدار از زمین میزان پتانسیل آن قسمت را مشخص می‌کنند. یک زمین الکتریکی باید از ظرفیت انتقال جریان مناسبی برخوردار باشد تا بتوان از آن به عنوان مبدا صفر ولتاژ استفاده کرد.

معنی واژه زمین یا ارت در برق و الکترونیک بسیار گسترده‌است و حتی ممکن است در وسایل نقلیه‌ای مانند کشتی، هواپیما یا فضاپیما که عملا اتصال مشترکی با زمین ندارند نیز از این واژه به عنوان پتانسیل صفر استفاده شود.

سیستم الکترومغناطیسی تلگراف راه دور که از سال ۱۸۲۰ مورد استفاده قرار می‌گرفت از دو یا چند سیم برای انتقال پیام‌ها به صورت پالس‌های الکتریکی استفاده می‌کرد. سپس این موضوع روشن شد (احتمالا به وسیله دانشمند آلمانی استین‌هیل) که از زمین می‌توان به عنوان مسیر برگشت برای کامل کردن مدار پیام‌ها استفاده کرد؛ به این ترتیب نیازی به سیم بازگشت نخواهد بود اما این روش در طول مسیرهای درون‌قاره‌ای که در سال ۱۸۶۱ بین سنت ژوزف، میسوری و ساکرامنتو کالیفرنیا ایجاد شده بود یک مشکل داشت. در طول فصل‌های خشک سال به علت خشک بودن زمین مقاومت آن به شدت افزایش می‌یافت که باعث اختلال در کارکرد تلگراف می‌شد.

بعدها زمانی که تلفن می‌رفت تا جایگزین تلگراف شود این نکته روشن شد که جریانی که به وسیله شبکه‌های قدرت، خطوط راه‌آهن برقی و دیگر مدارهای تلفن و تلگراف ایجاد می‌وشد موجب ایجاد اختلال در سیگنال‌های فرستاده شده می‌شود و به این ترتیب استفاده از سیستم‌های دو سیمه دوباره جایگزین شد.