導體接地問題_導體接地還會有電荷嗎?導體接地的種類和作用?

導體接地問題_導體接地還會有電荷嗎？導體接地的種類和作用？

佚名 發表於 2017-07-28 11:01:36

　　以地球作為電勢參考點且取U地=0非常方便，帶電導體接地，提供了導體與「地」交換電荷的可能性，因此導體接地在生產、生活中是必不可少的。

　　導體接地在生產、生活中應用非常廣泛，在研究靜電場中的導體時，也經常遇到導體接地問題。在電子技術中，「地」是一個非常重要的概念，但電子技術中的「地」往往與大地毫無關係，它只是電路中的一個公共等電位系統，例如：收音機、電視機中的「地」只是接收線路裡的一個電位基準點。因此，許多初學者對導體接地中的諸多問題，甚至在對接地概念的認識都存在許多誤解。據此，本文對導體接地的內涵、種類及作用進行歸納和概述，對人們容易困惑、誤解的問題作簡要討論和分析。

　　導體接地的內涵

　　導體與地球間的電荷交換

　　當帶電導體接地時，通常認為只提供了導體與大地交換電荷的可能性，而二者間是否交換電荷，不能一概而論，必須具體問題具體分析。

　　例如：一帶正電導體，其電勢高於大地，若將導體接地，則導體上的正電荷在電場力作用下就會「流入」大地，或者說，大地的負電荷「流入」導體，與正電荷中和。此時導體與大地交換了電荷，但這種交換不是任意的，受靜電平衡規律的支配。

　　

　　圖一、二

　　如圖1所示，空間有三塊平行放置的金屬平板A，B，C，三塊板的長寬分別相等，且都比板間距大得多，板外無帶電體和導體。

　　令A、B兩板各帶電Aq和Bq，根據靜電平衡條件和電荷守衡定律，可求出各個板面上的電荷密度：

　　

　　若讓圖1中的B板接地（如圖2所示），則接地提供了B板與大地交換電荷的通道。由於B板必須和大地等電位，B板上的電荷必須向大地「移動」，使60??，同時A、C兩板的面電荷密度重新分布，根據靜電平衡條件和電荷守衡定律，其電荷分布為：

　　

　　

　　再拆去B板接地線而將A板接地（如圖3所示）。由於拆去B板接地線後，B板上的電荷分布不變，所以當A板接地後使10??，可推出A、C兩板的面電荷密度分布與B板接地的結果相同。這說明電荷分布不因改換A板接地而改變，導體板的電荷也沒有通過A板接地線和大地進行交換。事實上B板接地時ABUUU??地，拆去B板接地線後，電荷分布不變，電位關係也不變。

　　從以上的例子可以看出，接地不一定交換電荷，接地僅為帶電導體與大地在等電位的條件下提供了交換電荷的「通道」。

　　接地過程中地球的地位與作用

　　電場中各點的電勢與電勢零點的選擇有關，但兩點間的電勢差與電勢零點的選擇無關。在具體工作中，有意義的正是兩點間的電勢差。因此在工程技術中，對電勢零點的選擇既要依據一定原則，又要考慮處理問題的方便。在理論上計算一個有限大小的帶電體所產生的電場中各點的電勢時，通常選取無限遠出作為電勢的零點，但在實際問題中，如電器設備、儀器等，則往往選取地球作為電勢的零點，即0U?地，凡是接地的導體電勢皆為零。地球物理研究表明，通常情況下，大氣相對與地球表面來說是帶正電的，而地球可視為一個帶負電的導體球，且對通常的帶電體來說是無限大的。一般帶電體與地球接通，可能流入或流出電荷量q?，引起地球電勢的變化0/（4）UqR?????地地，因為q?很小，R地極大，所以U?地可忽略不計。

　　另外，導體所帶電量與地球的帶電量相比是很小的，因此地面附近的帶電體由於靜電感應而引起的地球電荷分布的變化也是極小的，同樣可以忽略不計。所以地球是一個電勢穩定的大導體，以地球作為電勢的參考，並規定地球的電勢為零是很方便的。嚴格地說，地球相對於無窮遠的電勢並不等於零。但靜電實驗可以證明，取0U?地與取0U??是等效的。因為地球上的一切實驗都是在實驗室或廠房裡進行的，其尺寸遠小於地球，實驗中的帶電體激發的電場所充滿的空間，只是地面的一個局部小區域，此區域的邊緣對實驗室來說就是物理上的無限遠。對實際的帶電體來說，無限遠只是地面上的部分地區，該地區由地面上的各種建築物構成，它們與大地是等電勢的。因此，對通常的實驗，取無限遠處電勢為零，與取大地的電勢為零是等效的。

　　導體接地的種類和作用

　　保護型接地

　　保護型接地是為了防止絕緣損壞設備帶電而危及人身安全而設置的保護裝置，它有接地與接零兩種方式。接地時電器外殼與地球具有相同的電勢，若由於某種原因（如漏電）而使電器外殼帶電時，外殼、人、地球為同一等勢體，不會有電流流過人體。按電力規定，凡採用三相四線供電的系統，由於是中性線接地，應採用接零方式，把設備的金屬外殼通過導體接至零線上，而不允許將設備外殼直接接地。採用三相五線制的最好在家庭中安置漏電保護器。以生活和工作角度來分，保護型接地有可分為生活保護接地和工作保護接地。例如：洗衣機、電冰箱等家用電器的機殼後有接地線，大功率電器三角插頭的中心插片都屬於生活保護接地，而靜電除塵器外殼接地，三相交流電星型接法中的中性線接地，電流電壓互感器的外殼和副線圈接地，配電系統中性點接地等則屬於工作接地。

　　放電型接地

　　放電型接地亦稱過壓保護接地，是為了防止雷擊時損壞建築物、電器設備、通訊輸電器材等而進行的接地。利用尖端放電的原理把雷擊時的強大電流瀉到地下，以削弱雷電的威力，達到安全保護的目的。防雷裝置最廣泛使用的是避雷針和避雷器。避雷針通過鐵塔或建築物的鋼筋入地，避雷器則通過專用地線入地。此外，油罐車用一條拖在地上的鐵鏈把靜電導入地下；飛機輪上的搭地線，可將機身的靜電在著陸時導入地下。其目的是為了使產生的靜電荷儘快導走，以避免火花放電等危害事故的發生。

　　通路型接地

　　通路型接地亦稱屏蔽地，它是利用大地作為電路迴路的接地，例如無線電技術中將地線作為一個高頻電路的迴路。農村家庭中的直線廣播，為了儘可能地節約資金，同時又不嚴重影響收聽效果，也利用大地作為回線，即在擴音機輸出端將接地旋鈕直接接地，同時將喇叭的一個接線柱接地。

　　示零型接地

　　

　　示零型接地往往出現在電路的理論分析和計算中，如圖4所示的電路。該種電路中的接地線中並無電流通過，電荷只在電源兩端電壓的作用下沿導體迴路移動。

　　導體接地問題的某些誤解

　　理論接地與設備接地問題

　　「接地」分為理論應用上的接地概念和實際應用中的接地概念，實際應用中的接地概念又分為用電系統接地、高頻通信系統接地等。理論應用中的接地是指把導體和遙遠的電荷源接起來。不能把「地」 理解為我們生活居住的這個實實在在的地球，更不能把「地」理解為地面或牆面。

　　從靜電理論可知：帶正電荷的孤立體系的電場院線終止於無窮遠處，帶負電荷的孤立體系的電場線來自於無窮遠處。由此可知：所謂遙遠的電荷源是存在的，它帶無限多的正電荷，又帶無限多的負電荷，即電場線發出或終止的帶電體。在具體問題研究中只要某個帶電體相對於所研究的帶電體帶非常多的電荷，且離被研究的帶電體非常遠，則該帶電體即可視為「地」。用導線把該帶電體與被研究的帶電體連接起來的過程就稱為「接地」。例如，在安置避雷針時用一塊較大的金屬塊接地體埋在較深的地下，在金屬塊周圍加上食鹽、碎鐵屑，再加上水。其目的是使這塊區域可視為「地」。

　　綜上所述，理論研究中的「地」是指很遙遠的電荷源，這個電荷源帶很多正負電荷。一個物體是否可視為「地」處理要看它是否近似滿足可視為很遙遠的電荷源這一條件。實際用電中三眼插座及三插片插頭的「接地」是一種安全保護措施。接地線接到哪裡能起到用電安全保護作用哪裡就可視為「地」。把接地中的「地」理解為我們生活居住的這個實實在在的地球是不對的。

　　無限大接地導體平板模型探析

　　許多教材在討論鏡象法時，都用到「無限大接地導體平板」這一模型。仔細推敲， 「接地」二字是多餘的。去掉這兩個字，對解決該問題的物理條件並無實質性影響。

　　鏡象法最簡單的應用，就是對解如圖5的帶電體系的空間電場分布，其條件為：

　　

　　假若不接地，圖5體系是否具備上述邊界條件是問題之關鍵。

　　關於的討論：取無窮遠為零電勢的先決條件是電荷分布在有限區域中。對於圖5體系，點電荷q與導體板上感應的異號電荷顯然是在有限區域中，而與q同號的感應電荷相當於是「均分」在無限大導體面上，其面電荷密度為：，因此，自然可取，而與導體平板是否接地無關。

　　關於的討論：因為無窮遠處為零電勢，導體板本身又無限大，相當於與無窮遠處相連通，所以板上電勢自然為零，與其是否接地無關。當然，這裡還有導體板另外帶電的問題：假設板上原來帶有淨電量Q，且Q為有限值，則必然均分到無窮大面積上，電效應等於零，與不帶電幾乎無異。若Q為無限值，則可根據疊加原理將其與「純」鏡象法問題分開解決，然後再疊加起來。在這種情況下，「接地」同樣是沒有用處的。因為無限大導體平板在理論上比地球還大，靠「接地」既不能使板上電荷消失，也不能使其從無限變為有限。

　　無限大導體板只是一種理想物理模型。實際存在的導體板不可能無限大，在處理實際問題時，如果點電荷到導體板的距離遠小於導體板的線度，則可近似地將後者視為無限大，這種無限大只是相對而言的，比起地球來仍小得多，為確保其電勢穩定，才必須接「地」。在此種情況下，雖然接地是必要的，但無限大並非真實。所以「無限大接地導體平板」改為「無限大導體平板」或「接地大導體平板」可以避免一些不必要的困惑。

　　導體接地的總結

　　在日常生產和生活中，隨處可見導體接地問題。接地在電力和電子技術中既簡單又複雜，而且還必不可少。同時在物理教學中，也要碰到導體接地問題。在各種刊物上和網絡中有不少關於導體接地問題的文章，這些文章大多只是就其中的某個問題進行了討論，而且個別問題還討論得不完備。本文就是在對大量文獻資料進行綜合的基礎上，以《電磁學》、《電工學》、《電動力學》作為根本理論依據，對相關重點、難點問題進行歸納和分類整理，對部分文獻中討論得不夠完善、不夠妥當的問題加以完善，力圖對導體接地問題有一個相對全面的闡述，給初學者或非物理專業的人帶來閱讀和查閱上的方便。

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