导体接地问题探析(李美芬)

1大学物理与中学物理学院物电学院专业教育硕士年级2010级授课教师徐晓梅姓名李美芬学号Z09420105001时间2012年7月2导体接地问题探析*李美芬（云南师范大学物理与电子信息学院，云南，昆明650092）摘要：地球物理研究表明，地球可视为一个带负电且电势稳定的导体球，以地球作为电势参考点且取U地=0非常方便，带电导体接地，提供了导体与“地”交换电荷的可能性，因此导体接地在生产、生活中是必不可少的。但许多人对导体接地问题存在一些误解，有些初学者甚至认为“地”就是实实在在的地球，带电导体一旦接地，导体上的电荷就会“流光”等等，这显然是欠妥的。本文就对上述问题进行讨论，并依据接地的作用，把接地分为四种类型。同时结合具体实例浅析导体接地问题。关键词：导体；接地；大地；公共地；电荷交换导体接地在生产、生活中应用非常广泛，在研究静电场中的导体时，也经常遇到导体接地问题。在电子技术中，“地”是一个非常重要的概念，但电子技术中的“地”往往与大地毫无关系，它只是电路中的一个公共等电位系统，例如：收音机、电视机中的“地”只是接收线路里的一个电位基准点。因此，许多初学者对导体接地中的诸多问题，甚至在对接地概念的认识都存在许多误解。据此，本文对导体接地的内涵、种类及作用进行归纳和概述，对人们容易困惑、误解的问题作简要讨论和分析[1-3]。1导体接地的内涵1.1导体与地球间的电荷交换当带电导体接地时，通常认为只提供了导体与大地交换电荷的可能性，而二者间是否交换电荷，不能一概而论，必须具体问题具体分析。例如：一带正电导体，其电势高于大地，若将导体接地，则导体上的正电荷在电场力作用下就会“流入”大地，或者说，大地的负电荷“流入”导体，与正电荷中和。此时导体与大地交换了电荷，但这种交换不是任意的，受静电平衡规律的支配[4]。如图1所示，空间有三块平行放置的金属平板A，B，C，三块板的长宽分别相等，且都比板间距大得多，板外无带电体和导体。令A、B两板各带电Aq和Bq，根据静电平衡条件和电荷守衡定律，可求出各个板面上的电荷密度：16()/2ABqqS，2345()/2ABqqS*作者简介：李美芬，女，汉族，云南师范大学物理教育硕士研究生，联系电话：[phone]，电子邮箱：[e-mail]3若让图1中的B板接地（如图2所示），则接地提供了B板与大地交换电荷的通道。由于B板必须和大地等电位，B板上的电荷必须向大地“移动”，使60，同时A、C两板的面电荷密度重新分布，根据静电平衡条件和电荷守衡定律，其电荷分布为：160，2345/AqS。再拆去B板接地线而将A板接地（如图3所示）。由于拆去B板接地线后，B板上的电荷分布不变，所以当A板接地后使10，可推出A、C两板的面电荷密度分布与B板接地的结果相同。这说明电荷分布不因改换A板接地而改变，导体板的电荷也没有通过A板接地线和大地进行交换。事实上B板接地时ABUUU地，拆去B板接地线后，电荷分布不变，电位关系也不变。从以上的例子可以看出，接地不一定交换电荷，接地仅为带电导体与大地在等电位的条件下提供了交换电荷的“通道”。1.2接地过程中地球的地位与作用电场中各点的电势与电势零点的选择有关，但两点间的电势差与电势零点的选择无关。在具体工作中，有意义的正是两点间的电势差。因此在工程技术中，对电势零点的选择既要依据一定原则，又要考虑处理问题的方便。在理论上计算一个有限大小的带电体所图1A,B两板带电电荷分布Fig.1DistributionofchargesofboardAandBCσ3AB图2B板接地电荷分布Fig.2DistributionofchargesofboardBCσ4σ3σ5σ6σ1σ2AB图3A板接地电荷分布Fig.3DistributionofchargesofboardACσ4σ3σ5σ6σ1σ2ABσ2σ4σ5σ1σ64产生的电场中各点的电势时，通常选取无限远出作为电势的零点，但在实际问题中，如电器设备、仪器等，则往往选取地球作为电势的零点，即0U地，凡是接地的导体电势皆为零。地球物理研究表明，通常情况下，大气相对与地球表面来说是带正电的，而地球可视为一个带负电的导体球，且对通常的带电体来说是无限大的。一般带电体与地球接通，可能流入或流出电荷量q，引起地球电势的变化0/(4)UqR地地，因为q很小，R地极大，所以U地可忽略不计。另外，导体所带电量与地球的带电量相比是很小的，因此地面附近的带电体由于静电感应而引起的地球电荷分布的变化也是极小的，同样可以忽略不计。所以地球是一个电势稳定的大导体，以地球作为电势的参考，并规定地球的电势为零是很方便的。严格地说，地球相对于无穷远的电势并不等于零。但静电实验可以证明，取0U地与取0U是等效的。因为地球上的一切实验都是在实验室或厂房里进行的，其尺寸远小于地球，实验中的带电体激发的电场所充满的空间，只是地面的一个局部小区域，此区域的边缘对实验室来说就是物理上的无限远。对实际的带电体来说，无限远只是地面上的部分地区，该地区由地面上的各种建筑物构成，它们与大地是等电势的。因此，对通常的实验，取无限远处电势为零，与取大地的电势为零是等效的。2导体接地的种类和作用2.1保护型接地保护型接地是为了防止绝缘损坏设备带电而危及人身安全而设置的保护装置，它有接地与接零两种方式。接地时电器外壳与地球具有相同的电势，若由于某种原因（如漏电）而使电器外壳带电时，外壳、人、地球为同一等势体，不会有电流流过人体。按电力规定，凡采用三相四线供电的系统，由于是中性线接地，应采用接零方式，把设备的金属外壳通过导体接至零线上，而不允许将设备外壳直接接地。采用三相五线制的最好在家庭中安置漏电保护器。以生活和工作角度来分，保护型接地有可分为生活保护接地和工作保护接地。例如：洗衣机、电冰箱等家用电器的机壳后有接地线，大功率电器三角插头的中心插片都属于生活保护接地，而静电除尘器外壳接地，三相交流电星型接法中的中性线接地，电流电压互感器的外壳和副线圈接地，配电系统中性点接地等则属于工作接地[5]。2.2放电型接地放电型接地亦称过压保护接地，是为了防止雷击时损坏建筑物、电器设备、通讯输电器材等而进行的接地。利用尖端放电的原理把雷击时的强大电流泻到地下，以削弱雷电的威力，达到安全保护的目的。防雷装置最广泛使用的是避雷针和避雷器。避雷针通过铁塔或建筑物的钢筋入地，避雷器则通过专用地线入地。此外，油罐车用一条拖在地上的铁链把静电导入地下；飞机轮上的搭地线，可将机身的静电在着陆时导入地下。其目的是为了使产生的静电荷尽快导走，以避免火花放电等危害事故的发生。2.3通路型接地5通路型接地亦称屏蔽地，它是利用大地作为电路回路的接地，例如无线电技术中将地线作为一个高频电路的回路。农村家庭中的直线广播，为了尽可能地节约资金，同时又不严重影响收听效果，也利用大地作为回线，即在扩音机输出端将接地旋钮直接接地，同时将喇叭的一个接线柱接地。2.4示零型接地示零型接地往往出现在电路的理论分析和计算中，如图4所示的电路。该种电路中的接地线中并无电流通过，电荷只在电源两端电压的作用下沿导体回路移动。3导体接地问题的某些误解3.1理论接地与设备接地问题“接地”分为理论应用上的接地概念和实际应用中的接地概念，实际应用中的接地概念又分为用电系统接地、高频通信系统接地等。理论应用中的接地是指把导体和遥远的电荷源接起来。不能把“地”理解为我们生活居住的这个实实在在的地球，更不能把“地”理解为地面或墙面。从静电理论可知：带正电荷的孤立体系的电场院线终止于无穷远处，带负电荷的孤立体系的电场线来自于无穷远处。由此可知：所谓遥远的电荷源是存在的，它带无限多的正电荷，又带无限多的负电荷，即电场线发出或终止的带电体。在具体问题研究中只要某个带电体相对于所研究的带电体带非常多的电荷，且离被研究的带电体非常远，则该带电体即可视为“地”。用导线把该带电体与被研究的带电体连接起来的过程就称为“接地”。例如，在安置避雷针时用一块较大的金属块接地体埋在较深的地下，在金属块周围加上食盐、碎铁屑，再加上水。其目的是使这块区域可视为“地”。综上所述，理论研究中的“地”是指很遥远的电荷源，这个电荷源带很多正负电荷。一个物体是否可视为“地”处理要看它是否近似满足可视为很遥远的电荷源这一条件。实际用电中三眼插座及三插片插头的“接地”是一种安全保护措施。接地线接到哪里能起到用电安全保护作用哪里就可视为“地”。把接地中的“地”理解为我们生活居住的这个实实在在的地球是不对的。3.2无限大接地导体平板模型探析许多教材在讨论镜象法时，都用到“无限大接地导体平板”这一模型。仔细推敲，“接地”二字是多余的。去掉这两个字，对解决该问题的物理条件并无实质性影响。镜象法最简单的应用，就是对解如图5的带电体系的空间电场分布，其条件为：①0；②0导体板。假若不接地，图5体系是否具备上述边界条件是问题之关键[6]。图4示零型接地Fig.4EarthedindemonstrationR1R2R3R4Er图5无限大导体板Fig.5Infiniteconductorplateq6（1）关于0的讨论：取无穷远为零电势的先决条件是电荷分布在有限区域中。对于图5体系，点电荷q与导体板上感应的异号电荷显然是在有限区域中，而与q同号的感应电荷相当于是“均分”在无限大导体面上，其面电荷密度为：lim/0SqS，因此，自然可取0，而与导体平板是否接地无关。（2）关于0导体板的讨论：因为无穷远处为零电势，导体板本身又无限大，相当于与无穷远处相连通，所以板上电势自然为零，与其是否接地无关。当然，这里还有导体板另外带电的问题：假设板上原来带有净电量Q，且Q为有限值，则必然均分到无穷大面积上，电效应等于零，与不带电几乎无异。若Q为无限值，则可根据叠加原理将其与“纯”镜象法问题分开解决，然后再叠加起来。在这种情况下，“接地”同样是没有用处的。因为无限大导体平板在理论上比地球还大，靠“接地”既不能使板上电荷消失，也不能使其从无限变为有限。无限大导体板只是一种理想物理模型。实际存在的导体板不可能无限大，在处理实际问题时，如果点电荷到导体板的距离远小于导体板的线度，则可近似地将后者视为无限大，这种无限大只是相对而言的，比起地球来仍小得多，为确保其电势稳定，才必须接“地”。在此种情况下，虽然接地是必要的，但无限大并非真实。所以“无限大接地导体平板”改为“无限大导体平板”或“接地大导体平板”可以避免一些不必要的困惑。4结束语在日常生产和生活中，随处可见导体接地问题。接地在电力和电子技术中既简单又复杂，而且还必不可少。同时在物理教学中，也要碰到导体接地问题。在各种刊物上和网络中有不少关于导体接地问题的文章，这些文章大多只是就其中的某个问题进行了讨论，而且个别问题还讨论得不完备。本文就是在对大量文献资料进行综合的基础上，以《电磁学》、《电工学》、《电动力学》作为根本理论依据，对相关重点、难点问题进行归纳和分类整理，对部分文献中讨论得不够完善、不够妥当的问题加以完善，力图对导体接地问题有一个相对全面的阐述，给初学者或非物理专业的人带来阅读和查阅上的方便。参考文献：[1]赵凯华，陈熙谋.电磁学(上册)[M].北京：人民教育出版社，1978.[2]郭硕鸿.电动力学[M].北京：高等教育出版社（第二版）,1999.[3]秦曾煌.电工学(上册)[M].高等教育出版社（第五版）,1999.[4]张思运，王玉英.关于导体接地问题的思考[J].山东大学学报(工学版)，2002，32(4):393-395.[5]张玉成.对导体接地中几个问题的理解[J].物理通报，2003,（7）:13-14.[6]秦秋田.无限大导体何需接地[J].大学物理,1991，10(12):44-45.7AStudyoftheProblemRelatedwithGroundedConductorsLiMeifenzhe