بخشی از مقاله
بار دار شدن اجسام
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 بنتونيت در احداث اتصال زمين
در هدايت الكتريكي و انتقال جريان به درون زمين دو عامل اساسي نقش دارند :
1- اندازه و شكل الكترودهايي كه در منطقه استفاده مي شود ( اعم از ميله اي يا صفحه اي)
2- مقاومت خاك منطقه كه خود بستگي به عوامل زير دارد :
- نوع خاك
- تركيب شيميايي نمك هاي حل شده در آب هاي درون خاك
- درصد رطوبت خاك
- دماي خاك به طوري كه خاك هاي يخ زده داراي مقاومت بالايي هستند
- اندازه دانه ها و توزيع دانه در خاك
- تراكم خاك و فشار وارد بر آن
لازم به ذكر است كه به جز موارد فوق پارامترهاي ديگري نيز در مسئله قابليت هدايت الكتريكي زمين نقش دارند مانند عمق نصب الكترودها ، خواص شيميايي خاك مانند PH ، تغييرات عمق لايه بندي و توزيع دانه ها.
با توجه به نتايج تحقيقات و تجربيات در سيستم هاي توزيع برق در خصوص روش هاي بهينه سازي اتصال زمين ، افزودن نمك به خاك ها از ساده ترين و رايج ترين روش ها بوده و اگر چه در كوتاه مدت مشكل مقاومت زمين را رفع مي كند ولي به دليل خاصيت خورندگي بسيار بالاي نمك ، پس از مدت كوتاهي الكترودها و اتصالات مربوطه به طور كامل از بين رفته و بايستي با صرف هزينه هاي اضافي مكرر اقدام به تعويض الكترودها نمود. از طرفي بر اثر بارندگي هاي ساليانه پس از مدتي اين نمك ها نيز شسته شده و به لايه هاي زيرين منتقل گشته و مقاومت زمين مجدداً افزايش مي يابد. در نتيجه حداكثر كارايي با مخلوطهاي نمكي بين 5 تا 7 سال است.
با توجه به مقاومت بالا، زمينهايي كه خاك و بستر آن سنگي ، سنگلاخي و سخت بوده ، از لحاظ هدايت الكتريكي از نظر موارد اشاره شده در مقاومت خاك ، داراي مشكلات بسياري جهت احداث اتصال زمين مي باشند ، باعث شده تا استفاده از مواد كاهش دهنده مقاومت زمين ، متداول شده و اين مواد داراي تنوع زيادي باشند. از جملة اين مواد : Ground Enhanced Material (GEM ) ، ماركونيت ، بنتونيت سديم ، پليمرهاي جاذب رطوبت و Ultra Fill را مي توان نام برد.به لحاظ فراواني و قيمت مناسب خاك طبيعي بنتونيت سديم (Sodium Bentonite ) ، استفاده از اين ماده جهت ايجاد اتصال زمين به عنوان يك روش مؤثر و نوين متداول تر شده است. بنتونيت سديم داراي اندازه ذرات بسيار ريز ( كمتر از 0.02 ميكرون ) كه
داراي سطح تماس بسيار بالا ( 800 متر مربع به گرم ) هستند بوده و قابليت جذب آب تا 5 برابر وزن اوليه خود افزايش حجم تا 13 برابر حجم خشك اوليه را دارد. همچنين اين ماده وقتي به 6 برابر حجم اولية خود مي رسد بصورت لزج و غليظ در آمده و نه تنها شكل خود را نگه مي دارد بلكه در صورت تماس با هر سطحي به آن مي چسبد و در نتيجه مي تواند هم مشكل تراكم خاك و هم چسبندگي و اتصال لازم را حل كند.
خاك بنتونيت زماني كه هيدراته مي شود بصورت شيميايي مي تواند آب را داخل خود نگه داشته و به عنوان يك عامل خشك كننده ، آب و رطوبت اطراف را با خاصيت مكشي خود جذب كند. در اثر تماس بنتونيت با نور خورشيد سطح بيروني آن خشك شده و از خروج رطوبت از قسمت هاي داخلي آن جلوگيري مي كند. اين ماده رسي نياز به مواد افزودني ندارد ( صرفاً بنتونيت نوع سديم اينگونه است ) و فاقد خاصيت خورندگي بوده و خواص آن براي ساليان متمادي ثابت مي ماند.
مقاومت بنتونيت سديم در 300% رطوبت ( وزن آب به وزن بنتونيت ) حدود 2 اهم بوده كه به دليل تشكيل الكتروليت ناشي از افزودن آب است. آبي كه به صورت شيميايي در بنتونيت نگهداري مي شود اجازه مي دهد تا سود وپتاس آهك (Ca O ) ، اكسيد منيزيم (Mg O ) و ديگر نمك هاي معدني موجود در آن يونيزه شده و با PH حدود 5/8 تا 5/10 تشكيل يك الكتروليت قوي را بدهد.
بنتونيت با توجه به خواص فوق به عنوان يك الكتروليت بهينه انتخاب مي شود گرچه مواد ديگري چون GEM ، ماركونيت و ... قابليتهايي دارند ليكن به علت رعايت مسائل ايمني هنگام مصرف در كار و قيمت بالا در قياس با بنتونيت در جايگاه پايين تري قرار دارند.
اتصال زمين يكي از اجزاي مهم در شبكه، به خصوص در شبكه هاي توزيع مي باشد. ايجاد زمين مناسب و بسط و توسعه و نگهداري آن در سطح شبكه شهر و روستا از نيازهاي اصلي شبكه است. مقاومت زمين بايد به حداقل ممكن كاهش يافته تا در صورت بروز اتصال كوتاه از خسارت ديدن تأسيسات جلوگيري شود و پتانسيل سيم نول در كليه شرايط عملكرد شبكه حدود صفر باقي بماند. در شبكه هاي توزيع موجود و يا در حال احداث عموماً اتصال زمين پس از حفر چاه و تعبيه صفحه مسي يا گالوانيزه در آن و يا كوبيدن ميله كاپرولد در زمين ايجاد
مي شود. جهت متصل نمودن سيم نول شبكه به زمين از سيم مسي و يا كابل و يا تسمه گالوانيزه استفاده مي گردد كه به دليل كمبود بعضي از لوازم مانند فشنگ و ميخ تامپون اين ارتباط ناقص برقرار مي شود (اتصال ميخ تامپون به تير سيماني به هيچ وجه صحيح نيست ولي در گذشته اين كار انجام مي شد) به اين شكل كه كابل و يا سيم ارتباطي به وسيله رشته هاي سيم و يا تسمه نازك به كنار تير بسته مي شود كه بعد از مدت كوتاهي رشته هاي سيم و يا تسمه كنده شده و از بين مي روند كه اين مسئله براي عابرين و شبكه
خطرناك خواهد بود. از طرف ديگر با توجه به افزايش قيمت مس در بازار، افراد سودجو سيم و يا كابل ارتباطي كنار تير را كنده تا از آن استفاده كنند. لذا اتصال زمين بايد به صورت مطمئن ايجاد شود تا در آينده از بروز مشكل و مزاحمت براي شبكه و عابرين جلوگيري به عمل آيد و در عين حال از لحاظ اقتصادي مقرون به صرفه باشد. در اين مقاله روشي جهت ايجاد زمين در شبكه هاي توزيع و ارتباط آن با سيم نول شبكه هوايي پيشنهاد شده است. اين روش از نظر اقتصادي و سهولت اجرا با روشهاي موجود مقايسه و مزايا و معايب هر كدام 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.
