הארקה

הסימון המקובל של הארקה

תיבת חיבורי הארקה

הַאֲרָקָה היא חיבור חשמלי מלאכותי בין גוף מוליך, שמבודד חשמלית מכדור הארץ, לבין כדור הארץ. תוצאת ההארקה היא כי הגוף המוארק יימצא באותו פוטנציאל חשמלי בו נמצא כדור הארץ באזור ההארקה, ובחלק ממקרי התקלה הזרם החשמלי יזרום דרך ההארקה ולא דרך גופים אחרים בסביבה. לעיתים תפעיל הארקה אמצעי הגנה אחרים, אם קיימים, במערכת.

מקור המונח הארקה מהמילה הארמית אַרְקָא – הארץ, ומשמעותו "חיבור לארץ" או "חיבור לאדמה". על-פי האקדמיה ללשון המילה הַאֲרָקָה משמשת כשם פעולה, ואילו אַרְקָה כשם עצם.

מונחים

• אבזר – פריט של ציוד חשמלי המשמש לתמסורת או לחלוקה של אנרגיה חשמלית.
• אלקטרודת הארקה – מוליך הנמצא במגע טוב עם המסה הכללית של האדמה, במישרין או דרך בטון של יסוד המבנה, בין שהוא בודד ובין שהוא מורכב ממספר גופים המחוברים ביניהם.
• אלקטרודת הארקת יסוד – אלקטרודה המורכבת מחלקי פלדה הטמונים ביסוד של מבנה והמחוברים ביניהם.
• בידוד – חומר שמוליכותו היא זניחה למעשה.
• גוף מתכת – חלק מתכתי נגיש של ציוד חשמלי שלא נועד לשמש כמוליך (למשל דפנות של מקרר).
• חי – מצב של מוליך או אבזר המחובר למקור של מתח חשמלי באופן גלווני או השראתי, או כשהוא טעון חשמל.
• מוליך – גוף המיועד להעברת זרם חשמלי.
• ציוד – פריטים המהווים חלק ממתקן.
• קצר – חיבור בעל עכבה נמוכה, יחסית, הנגרם בשל תקלה בין שתי נקודות שקיים ביניהן הפרש פוטנציאלים במצב תקין.

מטרות מערכת הארקה

מטרות מערכת הארקה הן:

1. בטיחות חשמלית. מניעת עליית מתחי מגע, מתחי צעד והפרשי פוטנציאלים בין חלקים מתכתיים בזמן קצר, מעל הערכים הבטיחותיים.
2. יצירת מסלול בעל התנגדות נמוכה לזרמי תקלה כדי להבטיח ניתוק אוטומטי על ידי מבטח של מעגל שיש בו תקלה.
3. חלק ממערכת הגנה בפני ברקים. ביצוע מעגל לזרם הברק עם מוליכות טובה בין מערכת קולטי ברקים לבין האדמה.
4. הגנה על ציוד אלקטרוני רגיש על ידי חיבור הסיכוך.

עקרון פעולה

חיבור הארקה לקרקע

הארקה היא חיבור חשמלי בין גוף מוליך לכדור הארץ באמצעות מוליך חשמלי בעל התנגדות נמוכה. טיב ההארקה נמדד בהתנגדות הכוללת שבין הגוף לאדמה, וככל שזו קטנה יותר, ההארקה נחשבת לטובה יותר. העוצמה של זרם חשמלי העובר ביותר מנתיב אחד במקביל תלויה בהתנגדות של כל אחד מהנתיבים, כשעוצמת הזרם הגבוהה ביותר מתקבלת בנתיב ההתנגדות הנמוך ביותר ביחס הפוך להתנגדות הנתיב. לכן, אם זרם עובר דרך הארקה וגם דרך תווך בעל התנגדות גבוהה יותר (כמו גוף האדם למשל) אז רוב הזרם יעבור בהארקה ולא בתווך בעל ההתנגדות הגבוהה יותר.

שימושים

להארקה מספר רב של שימושים:

• השימוש המוכר ביותר הוא ניסיון לעקיפה חשמלית של גוף, בדרך כלל יצור חי, אשר נמצא קרוב למקור מתח חשמלי או זרם גבוה. במצב הרגיל, על הגוף האמור לא אמור להימצא מתח. אם כתוצאה מקצר חשמלי (למשל עקב תקלה או רטיבות) הגוף מקבל מתח ממקור המתח הסמוך אליו, עשוי להוצר זרם חשמלי דרכו. זרם אל האדמה. זרם זה יגרום להתחשמלות. הארקה טובה תיצור מתח חשמלי במעקף, ובכך תפנה חלק מהמתח והזרם, ורצוי שאת כל המתח והזרם, אל האדמה דרך המעקף החשמלי. וכך תקטן השפעתה של ההתחשמלות. ככל שהיכולת של המעקף להעביר מתח וזרם דרכו גדולים יותר, כך ההתנגדות החשמלית של חיבור ההארקה קטנה יותר. והוא טוב יותר.
• הארקה משמשת באופן דומה להגנה מברקים: ברק יוצר מתח וזרם גדולים מאוד, אשר שואפים להגיע לאדמה בדרך בעלת ההתנגדות הקטנה ביותר. התנגדות האוויר גבוהה מאוד, כך שברק נוטה לזרום דרך כל חומר אחר. ככל שהחומר האחר קרוב יותר למקום הוצרות הברק, אך גם מחובר לאדמה, הדרך החשמלית מתקצרת. ולכן הסיכוי למעבר הברק דרכו (כלומר מכת ברק בחומר האחר) גדולה יותר. הגנה נגד ברקים היא לכן מוט בעל מוליכות גבוהה שמוצב גבוה מעל הגופים שעליהם רוצים להגן. כך שזרם הברק נוטה תמיד להקלט בקצה הגבוה של המוט, במקום דרך כל גוף אחר בסביבה.
• הגנה אלקטרוסטטית (ESD): הארקה שמטרתה להגן על מכשיר אלקטרוני עדין מפני זרם חזק מדי. בדרך כלל ההגנה נדרשת מפני חשמל סטטי (ראו בהמשך), ולכן הארקה כזו תהיה מחוברת למשטחים שעליהם מוצב המכשיר (משטח אנטיסטטי, Antistatic mat), ולבני האדם אשר נוגעים במכשיר (רצועה אלקטרוסטטית, Antistatic wrist strap).
• השוואת מתח במעגל חשמלי: במעגלים מורכבים נדרש מתח ייחוס כלשהו, שביחס אליו נמדד המתח בכל הנקודות במעגל. הארקה היא שיטה שמאפשרת קביעת מתח כזה גם ללא מגע חשמלי בין החלקים השונים.
• הגבלת מתחי יתר: במעגל חשמלי, כאשר יש מספר מעגלים ללא מגע חשמלי ביניהם, עלול להיווצר בין האזורים השונים הפרש מתחים גדול. כאשר שני אזורים כאלו נמצאים במיקום סמוך זה לזה, עלולים להיווצר זרמים לא רצויים, ואף פריצה חשמלית. הארקה תשווה פוטנציאלים בנקודות מתוכננות כך שלא ייווצרו הפרשים כאלו.
• הפחתת מתח מושרה.

הצטברות חשמל סטטי

כאשר קיים הפרש פוטנציאלים משמעותי בין שני גופים המבודדים זה מזה מבחינה חשמלית, לדוגמה בגלל הצטברות חשמל סטטי, עלולה להתרחש פריצת מתח דרך האוויר בצורת ניצוץ. דוגמה לכך 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 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 לעיתים 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.

פתרונות

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 אלקטרוניים 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 לרצפה 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 ייעודם הוא פריקת החשמל הסטטי.

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".

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).

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

$v_{1}=v_{2}\to {\frac {q_{1}}{c_{1}}}={\frac {q_{2}}{c_{2}}}\to {\frac {q_{1}}{q_{2}}}={\frac {c_{1}}{c_{2}}}\to {\frac {q_{1}}{q_{2}}}={\frac {\left({\frac {r_{1}}{k}}\right)}{\left({\frac {r_{2}}{k}}\right)}}\to {\frac {q_{1}}{q_{2}}}={\frac {r_{1}}{r_{2}}}$

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.

ראו גם

• כלוב פאראדיי

קישורים חיצוניים

• הארקת שיטה
• הארקת הגנה
• הארקת יסוד

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

36986173הארקה