Как мы уже выяснили, чтобы электричество могло постоянно перемещаться по цепи, эта цепь должна быть замкнутой. Вот почему удар статическим электричеством такой короткий – так обычно происходит, когда электрический заряд просто выравнивается между двумя объектами. Такие короткие электрические удары, как правило, неопасны.
Соответственно, если у тела нет точек входа и выхода электричества, электрический удар опасности представлять не будет. Вот почему птицы могут спокойно сидеть на высоковольтных проводах – они контактируют с электрической цепью только в одном месте.
Чтобы ток мог перемещаться по проводнику, в нём должно быть напряжение. А напряжение, как вы помните, является величиной, рассчитываемой относительно двух точек. Не бывает такого, чтобы напряжение было только в одной точке цепи, поэтому тело птицы (см. картинку выше) не находится под действием напряжения, которое позволило бы пустить через эту птицу электрический ток. Ведь она контактирует с проводом только в одной точке. Да, птица касается провод двумя лапками, но они касаются одного и того же провода, что делает их «электрически общими». То есть, обе лапки птицы касаются одной и той же точки, что не создаёт напряжения, которое необходимо для того, чтобы по телу птицы прошёл электрический ток.
Исходя из этого, можно подумать, что если просто дотронуться до одного провода, то удара током это не вызовет. Если мы, как птицы, просто дотронемся до одного провода, то с нами ничего не случится, верно? К несчастью, случится. В отличие от птиц, люди, как правило, стоят на земле, когда трогают провода, находящиеся под напряжением. И часто одна часть электросистемы намеренна заземлена, поэтому человек, дотронувшийся до одного провода, по сути, контактирует с двумя точками цепи (проводом и заземлённой поверхностью).
На картинке выше заземление обозначено символом из трёх горизонтальных линий разной длины (верхняя – самая длинная, средняя – средней длины, нижняя – самая короткая). Это символ можно найти в левой нижней части цепи и под ногами человека, испытывающего удар током. В реальной жизни заземление представляет собой глубоко закапанный металлический проводник – чтобы иметь максимальный контакт с землей. Этот проводник при помощи толстого провода подключен к соответствующей точке цепи. В итоге жертва «подключается» к заземлённой поверхности через свои ступни, которые касаются земли.
В уме студента на этом моменте обычно возникают три вопроса:
Если из-за наличия заземления потенциальной жертве так легко получить удар током, то зачем вообще использовать заземление? Не будет ли безопаснее делать цепи без заземления?
Человек, которого бьёт током, как правило, не стоит босиком. Если резина и ткань – это изоляторы, почему обувь не защищает человека и не препятствует созданию цепи?
Насколько хорошим проводником является земля? Если человека может ударить током через землю, почему бы не использовать её в электрических цепях?
Что касается первого вопроса, то заземление необходимо для того, чтобы одна сторона электрической цепи была безопасна для прикосновения. Обратите внимание, что если бы жертва с картинки выше дотронулась бы до нижней части резистора, то ничего бы не случилось – даже несмотря на то, что её ноги соприкасаются с землей.
Поскольку нижняя часть цепи надёжно соединена с землей через заземляющую точку в левой нижней части цепи, нижний провод цепи является электрически общим с заземлением. Поскольку между электрически общими точками напряжения нет, человек, коснувшийся нижнего провода, тоже не подвергнется воздействию напряжения и, следовательно, не получит удара током. По этой причине провод, подключающий цепь к заземляющему пруту/пластине, обычно не имеет изоляции, чтобы любой металлический объект, который его касается, точно так же был электрически общим с землей.
Таким образом, заземление гарантирует то, что хотя бы одна сторона цепи будет безопасна для прикосновения. Но что, если вообще не заземлять цепь? Не получится ли так, что любой человек, коснувшийся одного провода цепи, останется цел и невредим. В идеале – да. На практике – нет. Взгляните на цепь, где нет вообще никакого заземления:
Несмотря на тот факт, что ноги человека по-прежнему касаются земли, он всё равно может абсолютно безопасно коснуться любого места цепи. Поскольку тело человека не создаёт собой цепь между нижней и верхней частями источника напряжения, то и никакой ток через него тоже не пройдёт. Однако всё может измениться при возникновении случайного заземления – например, если ветка дерева вдруг коснётся линии электропередач и тем самым сформирует соединение между цепью и землей:
Такое случайное соединение между электрической цепью и землей называется «замыканием на землю».
Замыкание на землю
Замыкание на землю может быть вызвано разными причинами, включая скопление грязи на изоляторе линии электроснабжения (при дожде это может создать для тока проводниковую «дорожку» из грязной воды от кондуктора к опоре, а от неё – к земле), проникновением грунтовых вод в подземную линию электропередач или то, что птица может приземлиться на провод, взмахнуть крылом, коснуться опоры и тем самым стать «мостиком» между ней и проводником. То есть замыкание на землю может быть вызвано множеством разных причин и часто непредсказуемо. Например, в случае с деревьями никто не может заранее знать, какого провода может коснуться ветка. Если она коснётся верхнего провода цепи, то он станет безопасным для прикосновения, а нижний – опасным, что переворачивает с ног на голову предыдущую ситуацию, когда дерево касается нижнего провода.
То есть, если ветка коснётся верхнего провода, то он станет заземлённым, т.е. электрически общим с заземленной поверхностью. Таким образом, напряжения между этим проводом и землей не будет, но оно будет между нижним проводом и землей. Как уже упоминалось ранее, ветки деревьев – не единственная возможная причина заземления на землю. Представьте, например, подземную электрическую цепь, которой не касаются никакие ветки, но зато в ней два человека касаются двух разных проводов:
Поскольку оба этих человека стоят на земле и касаются разных точек цепи, то путь для электротока получится следующим – сначала один человек, потом земля, потом другой человек. И хотя каждый человек отдельно думает, что в он в безопасности, т.к. касается только одного места цепи, их совместные действия приведут к летальному исходу. То есть один из этих людей становится причиной замыкания на землю, что в итоге создаёт опасную ситуацию для другого человека. Именно тем и опасны подземные линии электропередач: невозможно знать напряжение между землей и любым местом цепи, потому что замыкание на землю может произойти в любое время в любом месте цепи. Единственные, кому в этой ситуации точно не угрожает никакая опасность – это птицы, которые предпочитают находиться в воздухе, а не ходить по земле. Таким образом, подключив цепь земле (т.е. «заземлив» её), мы обезопасим хотя бы какую-то её часть. Так электрическая цепь будет более безопасной, чем если бы у неё не было никакого заземления вовсе.
Что касается второго вопроса, обувь на резиновой подошве действительно является изолятором и может обеспечить человека некоторой степенью защиты от электрического удара через ступни. Но обувь, как правило, не создаётся с прицелом на то, чтобы быть электрически безопасной – подошвы либо слишком тонкие, либо сделаны из непригодного для этих целей материала. Кроме того, любая влага, грязь или проводниковые соли из человеческого пота, попавшие на поверхность обуви или проникшие в её подошву, сводят на нет даже ту малую степень изоляции, которую имеет обувь. Конечно, есть обувь, созданная специально для опасной работы с электрическими цепями, а также толстые резиновые маты, на которых люди стоят, когда работают с цепями под напряжением, но они, чтобы обеспечивать хорошую защиту, должны быть абсолютно чистыми и сухими. Так что обычная обувь вряд ли сможет гарантировать защиту от удара, спровоцированного контактом с энергосетью.
Вот что показывает исследование о сопротивлении между разными частями человеческого тела и точками контакта с электрической цепью (например, с поверхностью, к которой подключено заземление). Источник этих данных смотрите в конце раздела.
Контакт с рукой или ступней, защищённой резиной – обычно 20 МОм
Контакт со ступней, защищённой обувью из кожи (сухой) – 100-500 кОм
Контакт со ступней, защищённой обувью из кожи (мокрой) – 5-20 кОм
Судя по этим цифрам, во-первых, резина лучше защищает от электричества, чем кожа, и во-вторых, вода на пористых материалах вроде кожи значительно снижает электрическое сопротивление.
Что касается третьего вопроса, земля – не самый хороший проводник (по крайней мере, пока не намокнет). Её проводниковых свойств не хватает на то, чтобы в достаточной мере обеспечивать что-либо электрическим током. Однако, как мы увидим в следующей главе, для того чтобы убить человека, необходимо совсем небольшая сила тока, поэтому даже слабой проводимости земли хватит на то, чтобы при достаточном напряжении (а в энергосетях оно как раз достаточное) создать электрическую «тропинку», способную привести к летальному исходу.
Некоторые типы земных поверхностей лучше изолируют электричество, чем другие. Асфальт, например, создаётся на основе нефти и поэтому является гораздо лучшим изолятором, чем многие виды земли или камня. Бетон, наоборот, обладает очень низким сопротивлением, т.к. создаётся из воды и электролитов (токопроводящих химических веществ).
Итого
Электрический удар может возникнуть из-за контакта с двумя точками цепи, поскольку в таком случае тело человека попадёт под воздействие напряжения.
В электрических цепях, как правило, есть «заземлённая» точка – она подключена к металлическому пруту или пластине, которые зарыты в землю, для того чтобы хотя бы одна часть цепи имела нулевой потенциал (т.е. нулевое напряжение между этой точкой цепи и землей).
Замыкание на землю – это случайно возникшее соединение между проводником цепи и землёй.
Защиту от электрического удара могут обеспечить специальные обувь и маты, обладающие изолирующими свойствами, но даже они, чтобы защищать человека как следует, должны быть абсолютно сухими и чистыми. Обычная обувь не обеспечивает должную защиту от электрического удара через землю.
Хотя земля – это плохой проводник, её проводимости всё же достаточно, чтобы пропустить через себя достаточную «дозу» электротока для летального исхода.
