Если Земля является хорошим проводником электричества, почему людей не бьет током каждый раз, когда они касаются Земли?

Question

Если Земля является хорошим проводником электричества, почему людей не бьет током каждый раз, когда они касаются Земли?

Свами

Поскольку Земля является хорошим проводником электричества, можно ли с уверенностью предположить, что любой заряд, стекающий на Землю, должен перераспределяться в Земле по всем направлениям и вдоль них?

Означает ли это также, что если я выпущу на Землю ток в миллион ампер, все живые существа, ходящие босиком, должны немедленно умереть?

Сенсебе

Подумайте о молнии.

Хаген фон Эйцен

Прогулка босиком по сильно заряженной планете скорее заставит вас взять на себя часть заряда и уплыть.

Шверн

@HagenvonEitzen Я думаю, вы путаете электрический заряд и магнитную полярность.

пользователь541686

Вас бьет током каждый раз, когда вы берете в руки провод?

ЭйДжейМэнсфилд

Я бы сказал, что причина, по которой вы не испытываете шока, на самом деле в том, что земля является хорошим проводником, за исключением того, что на самом деле она не является хорошим проводником, по крайней мере, не на поверхности.

Эрик Липперт

Есть разница между плаванием в лодке по реке и плаванием в лодке по реке прямо под огромным водопадом . Почему в первом случае мы остаемся сухими, а во втором погибаем под тяжестью падающей воды? Предположим, мы плывем в лодке, и кто-то добавляет в реку еще воды где-то в другом месте реки . Значит, нас убивает падающая вода?

CoffeDeveloper

На самом деле каждый раз, когда я иду на рынок в резиновых кроссовках или открываю холодильник, меня бьет током. Может, у нас какое-то естественное сопротивление (несколько Ом?)??

Ответы (5)

Если Земля является хорошим проводником электричества, почему людей не бьет током каждый раз, когда они касаются Земли?

Прогулка босиком по сильно заряженной планете скорее заставит вас взять на себя часть заряда и уплыть.
@HagenvonEitzen Я думаю, вы путаете электрический заряд и магнитную полярность.
Вас бьет током каждый раз, когда вы берете в руки провод?
Я бы сказал, что причина, по которой вы не испытываете шока, на самом деле в том, что земля является хорошим проводником, за исключением того, что на самом деле она не является хорошим проводником, по крайней мере, не на поверхности.
Есть разница между плаванием в лодке по реке и плаванием в лодке по реке прямо под огромным водопадом . Почему в первом случае мы остаемся сухими, а во втором погибаем под тяжестью падающей воды? Предположим, мы плывем в лодке, и кто-то добавляет в реку еще воды где-то в другом месте реки . Значит, нас убивает падающая вода?
На самом деле каждый раз, когда я иду на рынок в резиновых кроссовках или открываю холодильник, меня бьет током. Может, у нас какое-то естественное сопротивление (несколько Ом?)??

Зелдридж · Answer 1

Зелдридж

Электричество — это не газ, который расширяется и поражает все, что с ним соприкасается. Электричество представляет собой поток от высокого напряжения к низкому напряжению. Прикосновение к заряженному объекту опасно только в том случае, если вы становитесь текущим путем — если он использует вас, чтобы куда-то добраться. Даже если бы у Земли был чистый заряд, вы никуда его не денете, так что вы не будете поражены током. Это как птица на линии электропередач.

Свами

Можете ли вы дать развернутый ответ, что-нибудь с учетом размеров земли или других конкретных свойств?

Дэн Шеппард

Размеры Земли значения не имеют. Токи текут из-за напряжения /разности/, что приводит к электрическим полям, которые воздействуют на носители заряда. Практически всю свою жизнь мы проводим на потенциале земли. Вы можете добавить десять тысяч ко всем напряжениям на планете, и это будет иметь такое же значение, как если бы вы упали насмерть с бесконечного плато высотой в десять тысяч футов. Емкость любого обычно встречающегося тела слишком мала, чтобы привести к опасному удару током от однократной передачи заряда при соединении разных потенциалов (статический разряд).

технофил

Я немного расширю комментарий @Dan Sheppard. Представьте, что вы стоите на огромной равнине на поверхности Земли. Земля имеет диаметр около 7900 миль, поэтому вы находитесь на расстоянии 3950 миль от ее центра. Высота равнины не проблема.

usr

Если выпустить огромное количество заряда в землю, то земля будет иметь более высокий потенциал, чем тела на ней. Это создает ток в эти тела, который может их убить. В этом смысле заряд подобен газу, который расширяется в тела, стоящие на земле. Мой представитель слишком низок, чтобы понизить голос, но этот ответ неверен.

Шверн

@usr Нет, ток не похож на газ. Это больше похоже на то, как вода течет по трубе. Человек, стоящий на Земле, подобен трубе, которая идет в никуда, току некуда течь. Дифференциал должен быть достаточно высоким, чтобы ионизировать воздух и создать токопроводящий путь, вот что такое молния .

usr

@Schwern, чтобы остаться с вашей аналогией: человек-труба - это пустая труба (вакуум), и в нее будет течь вода. Однако аналогия ошибочна, потому что плотность воды почти постоянна. Электронный "газ" - нет. Электроны распространяются, чтобы заполнить доступное пространство. Поскольку мы предполагаем, что люди связаны с Землей, они составляют один объем, и электроны также распространяются на людей. Если вы предполагаете, что электроны распространяются в теле Земли, вы должны также предположить, что они распространяются и на людей. Не знаю, как можно утверждать обратное.

usr

Возможно, вас смущает крошечное количество тока, которое генерирует этот процесс. Хотя ток не нулевой.

Шверн

@usr Течение воды не является идеальной аналогией электричества, не пытайтесь его растянуть. Если человек находится в контакте с Землей, в то время как напряжение Земли медленно увеличивается, напряжение человека также будет медленно меняться, и большого перепада никогда не будет. Это похоже на то, как если бы земля медленно поднималась или опускалась под вами, пока это происходит постепенно, вы не заметите, и не имеет значения, насколько сильно оно изменится. Если бы вы изменили напряжение Земли достаточно быстро, чтобы ударить человека током, это потребовало бы столько энергии, что все просто расплавилось бы.

Шверн

@usr OTOH, если вы не контактируете с Землей, это может быть проблемой. Например, вращающиеся лопасти вертолета могут генерировать огромные заряды. Это рассеивается, когда они приземляются, но если вы повиснете на вертолете и коснетесь металлического предмета, вы можете получить очень сильный удар. Это точно показано в «Охоте на Красный Октябрь» .

usr

@Schwern, так почему дополнительные электроны не будут финансировать свой путь к людям, если они действительно найдут свой путь на остальную землю?

Шверн

Продолжим обсуждение в чате .

Свами

@Zeldredge: Итак, если я каким-то образом подключу Землю к Луне (предположительно, с другим потенциалом) через провод с высокой проводимостью, должен быть исключительно большой ток?

Свами

Я также не понимаю аналогию с газом, так как некоторые другие комментарии спутали мое восприятие.

Зелдридж

@Swami: Если вы соедините Землю с Луной проводом с высокой проводимостью, ток будет течь в соответствии с законом Ома.

V = I R

$V = IR$ пока они не будут иметь одинаковый потенциал. Аналогия с газом заключалась в том, что я указал на то, что, как правило, вы не можете ударить себя током, просто прикоснувшись (только) к проводящему или заряженному объекту. Если он очень, очень заряжен, часть заряда перетечет на вас, но в целом вы не можете удерживать много заряда, так что это не будет очень много. Людей бьет током, потому что через них проходит заряд, но в данном случае они не накапливаются. Здесь я бы отбросил аналогию.

usr

@zeldredge, ты сам себе противоречишь. Вы говорите, что не можете ударить себя током, прикоснувшись к заряженному предмету, но затем вы говорите, что можете испытать ток. Последнее верно: есть (небольшой) ток. Вас смущает тот факт, что этот ток крайне мал. В вашей интуиции кажется, что это ноль, но это не так.

Зелдридж

На самом деле я прекрасно это понимаю. Если ваша точка зрения полностью состоит в том, что ток какой-то крошечный

ϵ

$\epsilon$ который длится какое-то крошечное количество времени вместо того же 0, я полностью согласен.

минут

« Электричество — это поток от высокого напряжения к низкому »: с физической точки зрения электроны циркулируют в металле в другом направлении, а электричество в более общем смысле создается ионами, которые циркулируют в электролитах в обоих направлениях .

Шверн · Answer 2

Я отвечу на конкретный вопрос, потому что это один из тех забавных вопросов, где все единицы измерения неверны, а масштабы просто абсурдны.

Означает ли это также, что если я выпущу в землю ток в миллион ампер, все живые существа, ходящие босиком, должны немедленно умереть?

Это зависит от того, как долго вы это делаете и с какой силой. И (удивительно) не все умирает в огне! Они просто погибнут в следующей глобальной экологической катастрофе.

Миллион ампер кажется много. Это то, сколько тока используется в типичном рельсотроне . Но это всего около 10 ударов молнии . В Землю часто бьет молния, а мы все еще живы. Отчасти это связано с тем, что Земля настолько огромна, что ей требуется огромное количество энергии, чтобы изменить свой заряд, но также это связано с тем, что молния очень коротка.

Первоначальный вопрос бессмыслен, потому что Amp является мерой потока , а не количества. Это все равно, что спросить, можете ли вы затопить Землю давлением воды в миллион фунтов . Это большое давление (в амперах), но оно ничего не значит, если вы не знаете, сколько воды (в вольтах) и как долго вы ее применяете (время).

Я приведу вам еще один пример того, как легко можно неправильно понять электрические единицы.

Амперы не являются мерой энергии. Они просто мера скорости электрического потока. Вы также должны знать, как долго сохраняется этот поток. Кулон измеряет потенциальный общий поток заряда с течением времени . 1 кулон равен 1 ампер за 1 секунду. 1 миллион ампер за 1 секунду будет 1 миллион кулонов. 1 миллион кулонов вдвое больше заряда Земли. 1 миллион кулонов звучит много и опасно, верно? Не так быстро.

1 ампер за 1 миллион секунд также равен 1 миллиону кулонов. То есть 1000 ампер за 1000 секунд (около 18 минут). Что еще имеет 1 миллион кулонов? Автомобильный аккумулятор. Да, автомобильный аккумулятор может вас убить, но он не убьет человечество, если вы уроните его на землю. Более знакомый термин для заряда — это ампер-час, который точно говорит о том, сколько часов вещь может обеспечивать 1 ампер. 1 ампер-час это 3600 кулонов. 300 ампер-часов это 1 миллион кулонов.

Это как разница между 1 миллионом литров воды, вылитой на вас сразу, и 1 миллионом литров воды, медленно вылитой на вас. Это по-прежнему миллион литров воды, но в одном вы утонете, а в другом просто промокнете и разозлитесь.

Последней частью головоломки является разность электрических потенциалов или вольт . Чтобы узнать, сколько энергии доставляется с какой скоростью, вам нужно знать амперы и вольты и как долго. Короче говоря, 1 ампер за 1 секунду (что составляет 1 кулон) при 1 вольте составляет 1 ватт-секунду, что составляет 1 джоуль , стандартную единицу энергии.

Итак, чтобы узнать, сколько энергии доставляется, нам нужно знать амперы, вольты и секунды.

Давайте воспользуемся подходом Разрушителей мифов и создадим нужный вам эффект. Что нужно, чтобы шокировать всех людей? Я собираюсь пойти с нижней границей 300 мА постоянного тока при 110 вольтах, необходимых для того, чтобы заставить сердце начать трепетать (переменный ток более смертоносен, но Земля не генератор переменного тока). И скажем всего 100 миллисекунд (мой источник говорит только «доли секунды»). Я использую нижнюю границу, чтобы дать максимальные шансы на работу.

Чтобы потрясти человечество до смерти, нам нужно очень быстро изменить заряд Земли на 300 мА. Если делать это медленно, заряд человечества будет медленно меняться вместе с ним и заметного эффекта не будет.

Как всегда, при проведении такого рода крупномасштабных расчетов полезно выяснить, какая основная энергия задействована. 300 мА при 110 вольтах это 33 ватта . 100 миллисекунд — это 3,3 джоуля. Нам нужно убить 7 миллиардов человек, это минимум 21 миллиард джоулей. Примерно столько энергии требуется для обогрева дома в течение года. Вполне выполнимо.

ОБНОВЛЕНИЕ В этот момент я сделал ошибку и использовал уравнения объема вместо поверхностного заряда и вообще все понял неправильно. @Floris правильно понял свой ответ , но я оставлю свои неправильные каракули здесь по историческим причинам.

300 мА за 100 миллисекунд — это 0,3 ампер за 0,1 секунды или 0,03 кулона. Чтобы достичь всех, нам нужно поднять плотность заряда (кулонов на кубический метр) всей Земли всего на 0,03. Насколько это сложно? Объем Земли составляет 1e21 м^3, умножьте это на 0,03 Кл/м^3 и вы получите 3,25e19 Кл . Вроде много, и так оно и есть, но без учета напряжения бессмысленно.

Чтобы определить, сколько энергии это займет, нам нужно подключить напряжение: 110 вольт. 3,25e19 кулонов при 110 вольтах составляет 3,5e21 джоулей , что примерно равно количеству солнечной энергии, достигающей Земли за шесть часов, или половине наших предполагаемых запасов нефти. Это МНОГО энергии, доставляемой за 100 мс.

Это вызовет огромный взрыв порядка величины самого крупного известного извержения в истории Земли . Как 5000 наших самых больших атомных бомб взорвались одновременно. Гораздо меньше, чем удар, убивший динозавров, но, вероятно, достаточный, чтобы уничтожить все, скажем, в Колорадо и, вероятно, убить всех в соседнем районе.

И это для идеальной передачи энергии. Скорее всего, будет много неэффективности и потерь, поэтому вам, вероятно, потребуется в 5-10 раз больше энергии. Все еще недостаточно, чтобы расплавить поверхность Земли.

Поздравляем! Если бы вы могли получить в свои руки 3,5e21 Джоуля, превратить его в электрический заряд и каким-то образом доставить все это на Землю за 100 мс, вы могли бы довести всех на планете до сердечного приступа! И при этом вы уничтожите только одно или два крупных штата США. Любой, кто выживает, вероятно, погибает в результате глобальной экологической катастрофы. Веселиться!

ОБНОВЛЕНИЕ Опять же, мои расчеты для всего заряда Земли неверны. @Floris правильно понимает свой ответ . Я оставляю свою ошибку на обратной стороне конверта по историческим причинам.

Ваше описание кулонов как «полного потока заряда с течением времени» звучит странно; по крайней мере, это чрезмерное упрощение. Кулоны измеряют заряд, неотъемлемое свойство материи, очень похожее на массу. Единственный способ получить «поток» - это если они движутся, но вы можете иметь ненулевые кулоны без движения.
@ jpmc26 Да, это точнее описать как потенциальный общий поток заряда с течением времени. Я отредактирую.
xkcd Что если? уже ответил; просто нужно вставить фигурки Рэндалла :-)
@MarkHurd Какой комплимент! :) Я подумал, что некоторые из моих ответов здесь могли бы стать хорошим блогом в стиле «Что, если».
Для начала позвольте мне сказать, что мне нравится ваш подход. Но я считаю, что это неправильно. Обратите внимание, что вы совершаете существенную ошибку, предполагая, что вам нужно поднять заряд на единицу объема земли - вы должны сделать это как поверхностный заряд. Либо вы предполагаете, что у земли достаточно проводимости, чтобы осуществить это, либо нет. Если это произойдет, весь заряд появится на поверхности. Для того, чтобы генерировать ток в каждом теле нужно смотреть на требуемое $\frac{dE}{dt}$ у поверхности - совсем другой расчет.
@Floris Да, я подумал, что играю немного быстро и свободно. С нетерпением жду изучения правильной техники в вашем ответе!
@Schwern - у тебя есть желание. Приятного чтения.
"Да, автомобильный аккумулятор может тебя убить" Может, если его уронить тебе на голову...

Квантовый Человек · Answer 3

Во-первых, мы не лучшие проводники, поэтому току может быть относительно трудно проходить через нас.
Но я считаю, что настоящая причина в том, что вам также нужна высокая разность потенциалов, чтобы ток протекал через вас.
Подобно молнии, которая нуждается в огромной разности потенциалов между облаками и землей (настолько большой, что в большинстве случаев нейтральная земля не дает такой большой разности, но нуждается в некотором накоплении заряда, противоположного заряду на облаке). Так что без этой разности потенциалов ничего не происходит. .
(Примечание: Земля на самом деле вызывает разность напряжений около 200 В на метр, так что у нас действительно есть такая большая разность потенциалов, но Земля стремится сделать каждый объект, с которым она соприкасается, нейтральным — иметь тот же потенциал, что и его поверхность — так что мы искажать эквипотенциальные линии, создаваемые землей.Подробнее об этом читайте в Лекциях Фейнмана, том 2)

« Возможно, ток относительно плохо проходит через нас »: полное сопротивление рукопашного боя при напряжении 220 В/50 Гц составляет 1,3 кОм (среднее значение). Наиболее распространенной причиной поражения молнией или смерти является не попадание молнии в тело жертвы. На самом деле ток исходит от болта, ударяющегося о землю поблизости , создавая градиент потенциала над поверхностью земли. Если в этом градиенте кто-то расставит ноги, то параллельно через тело пострадавшего будет течь ток . Так что не так уж плохие проводники в зависимости от предпочтения болтов, и лучше, если ноги будут близко друг к другу.

Флорис · Answer 4

Контрапункт к ответу Шверна (который был поучительным, но я считаю неправильным по некоторым ключевым моментам - но я позаимствую из него пару цифр).

Я думаю, что правильно поставить вопрос:

Если ток 300 мА в течение 100 мс убьет человека, какой должна быть скорость изменения электрического поля вокруг тела, чтобы вызвать этот ток?

Рассматривая Землю как проводящую сферу радиуса R с зарядом Q, поле на поверхности равно

Е знак равно \frac{Вопрос}{4 π ϵ_{0} р^{2}}

$E = \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 R^2}$

Итак, скорость изменения электрического поля равна

\begin{matrix} (1) & \frac{г Е}{г т} знак равно \frac{г Вопрос / г т}{4 π ϵ_{0} р^{2}} знак равно \frac{я}{4 π ϵ_{0} р^{2}} \end{matrix}

$\frac{dE}{dt} = \frac{dQ/dt}{4\pi \epsilon_0 R^2} = \frac{I}{4 \pi \epsilon_0 R^2}\tag1$

Теперь нам нужна оценка тока, индуцируемого при изменении электрического поля. Мы можем использовать Максвелла:

\begin{matrix} (2) & Дж знак равно ϵ_{0} ϵ_{р} \frac{дельта Е}{дельта т} \end{matrix}

$J = \epsilon_0 \epsilon_r \frac{\delta E}{\delta t}\tag2$

Объединяя (1) и (2), получаем

\begin{matrix} (3) & Дж знак равно \frac{ϵ_{р} я}{4 π р^{2}} \end{matrix}

$J = \frac{\epsilon_r I}{4 \pi R^2}\tag3$

Относительная диэлектрическая проницаемость тела сильно зависит от ткани и частоты — см., например, эту статью. В целях оценки я буду использовать круглое число для диэлектрической проницаемости воды — 100 — что намного ниже, чем у многих тканей, и, таким образом, дает нам более легкую цель для поражения.

Нам нужно преобразовать ток смещения в средний ток в теле, умножив его на поперечное сечение тела. Если окружность талии среднего человека составляет 38 дюймов (источник — www.cc.gov/nchs/fastats/body-measurements.htm), то это площадь около 1/7 м2. $^2$ так

{Дж}_{с р я т} знак равно 7 я_{с р я т} \approx 2 А / м^{2}

$J_{crit} = 7 I_{crit} \approx 2 A/m^2$

Решение (3) для $I$ (ток, который нам понадобился бы для питания «земного шара»), получаем

я знак равно \frac{4 π р^{2} Дж}{ϵ_{р}} \approx 10^{13} А

$I =\frac{4\pi R^2 J}{\epsilon_r}\approx 10^{13} A$

Это большой ток для источника ... помните, что это представляет собой чистый заряд, который мы должны подавать на землю (он должен поступать откуда-то «не с земли»). Чтобы поместить такой чистый заряд на землю, мы должны были бы поместить эквивалентное количество чистого заряда в ракету и отправить ее в космос. Но ради прикола мы согласимся, что можем это сделать — возможно, между Землей и Луной есть проводник, и мы поместим между ними большую батарею. Итак, какая мощность необходима для перемещения такого количества заряда?

Для этого нам понадобится потенциал земной поверхности как функция заряда. Мы знаем, что это

В знак равно \frac{Вопрос}{4 π ϵ_{0} р}

$V = \frac{Q}{4\pi \epsilon_0 R}$

При протекании тока в течение 0,1 секунды у нас было бы всего $Q=10^{12}C$ а потенциал есть

В знак равно 1,4 \cdot 10^{15} В

$V = 1.4\cdot 10^{15}V$

Фактическая разность потенциалов от головы до ног будет 400 МВ (помните - это не "вы контактируете с проводниками", а "пока поле вокруг вас меняется, в вашем теле индуцируется ток").

Конечно, напряжение увеличивается по мере увеличения заряда, и общая работа будет равна

Е знак равно \frac{1}{2} Вопрос В знак равно 7 \cdot 10^{26} Дж

$E = \frac12 QV = 7\cdot 10^{26} J$

Чтобы сделать все это за 1/10 секунды, требуется мгновенная мощность $7 \cdot 10^{27} W$ что немного больше, чем выходная мощность солнца (которая $4\cdot 10^{26}W$ согласно Вольфрам Альфа

В таком случае, я думаю, мы в относительной безопасности. Единственный способ, которым Доктору Злу может сойти с рук этот план, - это сделать это в обратном порядке: сначала перекачать заряд с Земли на Луну (медленно), а затем позволить всему этому течь обратно в виде удара космической молнии. Я не совсем уверен, что Луна останется на орбите, пока мы ее заряжаем... электростатическое притяжение станет довольно сильным. Но это может стать темой для другого поста.

Спасибо! Ваш ответ имеет большие числа и более катастрофические последствия для Земли, поэтому интуитивно он более правильный. ;) Мне нравятся твои рассуждения в конце о лунной молнии. Тема для другого поста говоришь?
@Schwern - вызов принят! *grin*. Позже сегодня...
@AOrtiz Я так не думаю. Есть $\epsilon_0$ в числителе одного и знаменателе другого... Разве они не должны сокращаться?

Петерис · Answer 5

В энергетике существует понятие "напряжение ступени"* - если высоковольтная линия электропередач утекает в землю и не отключается, то вблизи этой точки перепад напряжения земли за один человеческий шаг (при ноги ближе, чем другой) может быть достаточно, чтобы убить человека; вот почему может быть опасно приближаться к упавшим проводам после грозы или чего-то подобного. В настоящее время это менее проблематично из-за более автоматизированных систем обнаружения и отключения, но несколько десятилетий назад это было серьезной опасностью.

Расстояние имеет значение для высоковольтных линий, например диапазон 30 кВ - 330 кВ, но даже для таких количеств это не большой диапазон - напряжение пропадает довольно быстро; и даже довольно близко вас не ударит током, если вы просто стоите там, не делая большого шага.

[*] возможно, в английском языке следует использовать другой термин, это происходит из других языков.

Это лучший ответ, чем выбранный. Чтобы поддержать вашу демонстрацию, хорошо помнить, что молния в основном (40%) убивает/наносит ущерб, потому что молния попадает в землю и создает потенциальный градиент над землей . Градиент достаточно силен, чтобы убить на коротком расстоянии, протекая через ноги.

Если Земля является хорошим проводником электричества, почему людей не бьет током каждый раз, когда они касаются Земли?

Свами

Сенсебе

Хаген фон Эйцен

Шверн

пользователь541686

ЭйДжейМэнсфилд

Эрик Липперт

CoffeDeveloper

Ответы (5)

Зелдридж

Свами

Дэн Шеппард

технофил

usr

Шверн

usr

usr

Шверн

Шверн

usr

Шверн

Свами

Свами

Зелдридж

usr

Зелдридж

минут

Шверн

jpmc26

Шверн

Марк Херд

Шверн

Флорис

Шверн

Флорис

эндолит

Квантовый Человек

минут

Флорис

Шверн

Флорис

Флорис

Петерис

минут