הארקה

מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית

סימון של הארקה

הארקה היא חיבור חשמלי מלאכותי בין גוף מוליך, שבאופן טבעי מבודד חשמלית מכדור הארץ, לבין כדור הארץ. החיבור מבוצע באמצעות תווך מוליך, והוא גורם לכך שמטען חשמלי ינוע בחופשיות בין הגוף לבין כדור הארץ. מכיוון שהפרש פוטנציאלים חשמליים גורם למטענים חשמליים לנוע כל עוד התווך ביניהם מאפשר זאת (בדומה לחוק כלים שלובים הגורם לנוזלים להשוות את לחציהם דרך צינור המקשר ביניהם), תוצאת ההארקה היא כי הגוף המוארק יימצא באותו פוטנציאל חשמלי בו נמצא כדור הארץ באזור ההארקה.

מקור המילה "הארקה" מארמית אַרְקָא - ארץ, מאכדית ersitu, באנגלית Earth ומשמעותו "חיבור לארץ" או "חיבור לאדמה".

הצורך בהארקה נובע מכך שבמקרים רבים מצטבר או עלול להצטבר מטען חשמלי משמעותי על פני גוף המבודד מכדור הארץ. הדבר מסוכן ואף יכול להיות קטלני לאדם הנוגע בגוף שכזה, מכיוון שבמקרה זה הפרש הפוטנציאלים החשמלי שבין הגוף לבין כדור הארץ יגרום לתנועה של מטען חשמלי (כלומר יווצר זרם חשמלי) דרך גופו של האדם.

הסיכוי להצטברות מטען חשמלי סטטי הוא לא הסיבה היחידה לחיבור הארקה. עיקר הצורך נובע מכך שכדור הארץ משמש באופן יזום ומתוכנן לסגירת המעגל החשמלי, ובאמצעותו מסופק זרם חשמלי אל רשת החשמל הביתית. כדי להפעיל מכשיר חשמלי יש לחברו אל שני הקטבים של מקור הזרם החשמלי, באמצעות שני מוליכים חשמליים. כאשר מדובר ברשת חשמל אזורית או ארצית, מחייב הדבר למתוח שני מוליכים חשמליים בין מחוללי הזרם של ספק החשמל (בישראל - חברת החשמל) לבין בתי הצרכנים. מכיוון שהמרחקים בין תחנות הכח המייצרות את החשמל לבין תחנות ההשנאה מהן הוא מחולק לבתי הצרכנים מגיעים לעשרות ואף מאות קילומטרים, משתמשים בגוף כדור הארץ כאחד משני המוליכים ביניהן, ובכך חוסכים כמחצית מכמות המוליכים הדרושה. חיסכון זה מחייב חיבורו להארקה של כל מכשיר חשמלי בעל מעטפת מתכתית כאמצעי ביטחון. אמנם במצב פעולה תקין אין גופו המתכתי של מכשיר כזה אמור להיות בעל פוטנציאל חשמלי, ואין בו סכנה. אולם, אם כתוצאה מתקלה פנימית יווצר מגע בין מוליך חשמלי כלשהו בתוך המכשיר לבין מעטפת המכשיר, תקבל המעטפת את הפוטנציאל החשמלי של אותו מוליך, ובמידה שפוטנציאל זה שונה מפוטנציאל כדור הארץ, שכאמור משמש כאחד משני המוליכים ההכרחיים, יגרום הדבר לזרם חשמלי אל כדור הארץ, דרך גופו של אדם הנוגע במכשיר, כלומר ל"התחשמלות".

בשקע חשמלי תקני, הנקב השלישי, התחתון, אמור להיות מחובר להארקה דרך צינורות מתכת במבנה עצמו, אשר מובילים עד לקרקע, ודרכו אמור המכשיר החשמלי המחובר לו להיות מוארק. עם זאת, אין זה אומר שמותר לגעת במגעים החשמליים שמעבר לנקב זה בבטחה, מכיוון שעלולות להיות טעויות בחיבור השקע. עם המעבר מצינורות מתכת לצנרת מחומרים פלסטיים יש להקפיד ולבדוק שהחלפת צינור מתכת בצינור מחומר מבודד לא פגעה בחיבור ההארקה.

[עריכה] הארקת גוף

כאשר יש הפרש פוטנציאלים משמעותי במטען החשמלי בין שני גופים המבודדים זה מזה מבחינה חשמלית, לדוגמה בגלל הצטברות חשמל סטטי, עלולה להתרחש פריצת מתח דרך האוויר בצורת ניצוץ. הדוגמה המוכרת לכל היא ברק, הנובע מהתפרקותו של מטען חשמלי סטטי שהצטבר בין שני עננים או בין ענן לבין כדור הארץ. ככלל, כאשר נוצר שדה חשמלי גדול דיו בין שני גופים, הוא יפרוץ דרך התווך שביניהם במרחק הקצר ביותר האפשרי. כדי למנוע מברק להשתמש במבנים או במתקנים אחרים הבולטים מעל פני הקרקע ולפרוץ דרכם אל כדור הארץ, משתמשים בכליא ברק, התקן הגנה המיועד כביכול ל"כליאת" הברק. כליא הברק עשוי הוא גוף מתכתי מוארך הבולט מטרים ספורים מעל המתקן שעליו הוא מיועד להגן, וקצהו התחתון מוארק או טמון בעומק האדמה. ברק שיפגע במבנה או במתקן יקצר את דרכו לאדמה בדרך ה"נוחה" יותר מבחינה חשמלית, ויעביר את מטענו דרך כליא הברק, מבלי לגרום נזק למבנה המוגן על ידו. לעומת זאת אדם הנמצא בשדה חשוף בשעת סערת ברקים עלול להיפגע, בהיותו המקצר את דרכו של הברק אל האדמה.

חיכוך בין צמיגים של כלי-רכב לבין כביש יבש מביא להצטברות של מטען חשמלי בכלי הרכב. ניתן לעתים להרגיש זאת ביציאה ממכונית, כאשר נוגעים בדלת או בידית הדלת בימים יבשים במיוחד, והמטען החשמלי שהצטבר פורק את עצמו אל כדור הארץ דרך גופו של הנוגע. הדבר איננו נעים כלל וכלל, אך התופעה כשלעצמה מסוכנת מאוד כאשר מדובר בכלי רכב הנושא מטען רגיש כגון חומרי דלק או חומר נפץ. פריקת המטען החשמלי עלולה להתרחש באופן ספונטני תוך כדי נסיעה, ולגרום לדליקה ולפיצוץ. כלי רכב בעלי סיכון מחויבים בסידורי בטיחות מיוחדים על פי תקני-בטיחות שנקבעו לכך, אשר בדרך כלל כוללים בין היתר שרשרת מתכתית או רצועה מחומר מוליך המחוברת בקצה האחד אל גוף כלי הרכב ובקצה השני נגררת על הכביש ובכך מונעת הצטברות מטען חשמלי בגוף כלי הרכב.

מטענים חשמליים אלקטרוסטטיים עלולים להצטבר גם בגופו של אדם כתוצאה מחיכוך בין חלקי לבוש שונים, או בינם לבין הסביבה. בדרך כלל אין סכנה ישירה במטענים כאלה, אך פריקתם עלולה לגרום כאב או אי-נוחות, ועלולה לפגוע ברכיבי אלקטרוניקה עדינים הנמצאים בקרבת מקום.

קיימים פתרונות שונים למניעת נזקי פריצה של מטען חשמלי לפי העניין -

סרטים מוליכים המחברים חשמלית בין פרקי הידיים לחפצים מתכתיים גדולים ולרצפה. אלו משמשים בעיקר עובדי אלקטרוניקה, המטפלים ברכיבים אלקטרונים עדינים הרגישים לפריצות מתח קטנות.
נעליים מוארקות - נעליים שבקרקעיתן חלקי מתכת.
אביזרים המצמידים חוטי מתכת בין הקרסול והרצפה.
שימוש בריהוט, ריפוד, כלי עבודה, בגדים ונעליים המכילים סיבי פחם ואבקת פחם לשם הולכת המטענים לריצפה מוליכה מיוחדת נגד חשמל סטטי.
מד הולכה - לאחר ההצטיידות באמצעי הארקה אפשר לעלות על מד הולכה, אשר מודד את הולכת הגוף בסיוע האביזרים השונים. מד ההולכה מוודא שהאביזרים מחוברים נכון ותקינים.

ישנן חברות מיוחדות המספקות ציוד, ריהוט בגדים, אביזרים, כלים וחומרים שכל יעודם הוא מלחמה בחשמל הסטטי.

[עריכה] הסבר מתמטי

כאשר גוף גדול וגוף קטן טעונים במטענים חשמליים שונים, מטענו של הגוף הקטן אינו משפיע משמעותית על הפוטנציאל של הגוף הגדול כתוצאה מהשוואת המטענים ביניהם. הדבר דומה לחפירת בור על שפת הים. כשהבור מתמלא במים עד לגובה פני הים, גובה פני הים מושפע מכך במידה זניחה. לכן מתייחסים לפוטנציאל של הגוף הגדול ביותר שבנמצא (כדור הארץ, ברוב המקרים) כ"אדמה" או כ"פוטנציאל אפס".

[עריכה] הוכחה

הקיבול c של גוף כדורי בעל רדיוס r הוא: $\ c =\frac{r}{k}$ .

כמו כן, הפוטנציאל של גוף טעון במטען q ובעל קיבול c נתון לפי הנוסחה: $\ v =\frac{q}{c}$ .

נניח מספר הנחות:

הגוף המוארק הוא גוף כדורי והגוף השני הוא כדור הארץ.
הגוף הראשון הוא כדור הארץ בעל רדיוס $\ r_1$ וקיבול של $\ c_1$ ומטען של $q 1$ (לאחר שוויון הפוטנציאלים).
הגוף השני הוא הגוף המוארק בעל רדיוס r₂ וקיבול של c₂ ומטען של q₂ (לאחר שוויון הפוטנציאלים).

מכיוון שהפוטנציאלים משתווים לאחר חיבור הגופים (עד שלא יהיה שוויון פוטנציאלים תהיה תנועת מטענים), נוכל לומר כי:

$v_1 = v_2 \to \frac{q_1}{c_1} = \frac{q_2}{c_2} \to \frac{q_1}{q_2} = \frac{c_1}{c_2} \to \frac{q_1}{q_2} = \frac{\left( \frac{r_1}{k} \right)}{\left( \frac{r_2}{c_k} \right)} \to \frac{q_1}{q_2} = \frac{r_1}{r_2}$

כלומר, הגענו למסקנה כי יחס המטענים הוא כיחס הקיבולים ויחס הרדיוסים. לפי הנוסחה הראשונה אנו יודעים כי ככל שהרדיוס גדול יותר כך קיבול הגוף גדול יותר, ולכן הגוף בעל הרדיוס הגדול יותר יהיה בעל מטען גדול יותר לאחר החיבור.

אם ניקח את כדור הארץ כגוף גדול מאוד ונתייחס לרדיוסו $\ r_1$ כאל אינסופי, ונרצה לחשב את מטענו של הגוף השני שמוארק לאחר החיבור, נשתמש בנוסחת היחס האחרונה, ונקבל כי

$\ \frac{q_1}{q_2} = \frac{r_1}{r_2} \to q_2 = \frac{r_2 \cdot q_1}{r_1} \to q_2 = \frac{r_2 \cdot q_1}{\infty} \to 0$

מכאן הגענו בצורה מתמטית כי לגוף המוארק לכדור הארץ (לאדמה) יהיה מטען של 0, כלומר הוא יהיה חסר מטען. חשוב לציין שבמקרים אחרים, בהם על הגוף המוארק פועלים כוחות חשמליים אחרים, יש לבדוק את השפעתם של אלו על הגוף יחד עם ההארקה. במקרים אלו מטען הגוף המוארק לאחר החיבור לא בהכרח יתאפס.

חשמל
מושגי יסוד	שדה חשמלי • מתח חשמלי • זרם חשמלי • התנגדות ומוליכות • עכבה • הספק חשמלי • קיבול חשמלי • השראות • זרם ישר • זרם חילופין • חוק אוהם • מעגל חשמלי • אנרגיה חשמלית
רכיבים בסיסים	מוליך • מבודד • מקור מתח • מקור זרם • סוללה • נגד • קבל • משרן • שנאי • מתג
מכשירי מדידה	אוסצילוסקופ • אמפרמטר • אוהם-מטר • גלוונומטר • וולטמטר • רב מודד • מד השראות • מד קיבול
אלקטרוניקה	מוליך למחצה • דיודה • טרנזיסטור • טריודה • מעגל משולב • מעגל מודפס • שפופרת ריק • מיקרואלקטרוניקה
יחידות מידה	וולט • אמפר • פאראד • אוהם • ואט • קולון • הנרי • סימנס • ואט-שעה • ג'ול
זרם חזק	גנרטור חשמלי • מנוע חשמלי • תחנת כוח • מערכת חלוקה
בטיחות בחשמל	התחשמלות • לוח חשמל • ממסר פחת • מאמ"ת • נתיך • הארקה • קצר חשמלי