Pytanie:
Ptaki siedzące na przewodach elektrycznych: różnica potencjałów między nogami
Tea is life
2014-04-20 00:25:14 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Widzieliśmy ptaki siedzące na nieizolowanych przewodach elektrycznych linii przesyłowych wysokiego napięcia nad głową, bez odniesienia obrażeń, ponieważ siedzenie tylko na jednym przewodzie nie zamyka żadnego obwodu.

Ale co z potencjalną różnicą między ich nogami? Czy to nie jest mały kompletny obwód? Ponieważ drut ma gradient potencjału, między stopami ptaka powinna występować różnica potencjałów. Czy ta różnica potencjałów jest tak mała, że ​​można powiedzieć, że ptak siedzi w jednym miejscu na drucie? Jeśli ptak o dostatecznie dużych rozmiarach, z dużą przerwą między stopami, siedzi na jednym drucie, czy nie powinien on zostać poddany wstrząsowi, jeśli różnica potencjałów jest wystarczająca?

Yakshesmash!Widzimy, że ptaki nie umierają, gdy obie nogi są na tym samym drucie i nie ma połączenia z ziemią.Dlatego rozsądne jest stwierdzenie, że różnica potencjałów między ich nogami wynosi zero lub jest „bardzo” mała.Chenqui.
Komentarz do pytania (wer. 6): W takich rodzajach pytań domowych OP jest zachęcany do wykonania przybliżonych obliczeń [z tyłu koperty] (http://en.wikipedia.org/wiki/Back-of-the-envelope_calculation)jako test poczytalności i prawdopodobnie dołącz go do wiadomości.
Cztery odpowiedzi:
Superbest
2014-04-20 04:55:17 UTC
view on stackexchange narkive permalink

enter image description here

Oto obwód reprezentujący system. $ R_ {wire} $ to opór odcinka drutu między nogami ptaka. $ R_ {ptak} $ to rezystancja ptaka (którą można zmierzyć, przyklejając dwie sondy multimetru do stóp ptaka - jeśli kabel jest izolowany, należy dodać również rezystancję izolacji) .

Kiedy ptak ląduje, czy światła wszystkich są przygaszone? (czy ptak wpływa na przepływ prądu)

Kiedy ptak ląduje, opór między dwoma punktami (gdzie jego stopy dotykają drutu) zmienia się, więc najpierw musimy określić, czy prąd płynie z transformator na początku zmiany linii energetycznej. Opór wzrósłby z $ R_ {wire} $ do:

$$ R_T = \ frac {1} {\ frac {1} {R_ {wire}} + \ frac {1} {R_ { ptak}}} = \ frac {R_ {wire} \ cdot R_ {ptak}} {R_ {wire} + R_ {ptak}} $$

O czym świadczy fakt, że używamy metalowych kabli, a nie ptaki, do przesyłania energii elektrycznej, $ R_ {wire} << R_ {ptak} $:

$$ R_ {wire} + R_ {ptak} \ około R_ {ptak} \ Rightarrow R_T \ ok \ frac {R_ {wire} \ cdot R_ {ptak}} {R_ {ptak}} = R_ {wire} $$

Dlatego opór nie zmienia się zbytnio, a prąd powinien również pozostać mniej więcej to samo, ponieważ $ I = V / R $. (W rzeczywistości prąd nieznacznie wzrośnie, ponieważ opór ptaka będzie równoległy z oporem drutu, a to bardzo nieznacznie zmniejszy ogólną rezystancję linii energetycznej - dzięki Nate'owi Eldredge i Maxowi)

Czy ptak doświadcza ekstremalnego napięcia?

Potencjalna różnica między dwoma punktami wynosi $ V_0 = I \ cdot R $. $ I $ tutaj to całkowity prąd przepływający przez drut, który już ustaliliśmy, nie różni się zbytnio od ptaka lub bez. A więc:

  • Bez ptaka mamy $ V_0 = I \ cdot R_ {wire} $.
  • Z ptakiem mamy $ V_ {bird} = I \ cdot R_T \ ok. I \ cdot R_ {wire} $ (patrz poprzednia sekcja).

Dlatego napięcie doświadczane przez ptaka można przybliżyć za pomocą $ I \ cdot R_ {wire} $. Ponownie, drut jest bardzo przewodzący, więc $ R_ {wire} $ będzie mały; $ I $ może być duże, ale niezbyt duże. $ V_0 $ będzie prawdopodobnie woltem lub mniejszym, podobnie jak $ V_ {bird} $.

Alternatywnie możemy zauważyć, że opór jest proporcjonalny do długości, a więc napięcie: $$ \ frac {R_ {wire}} {R_ {line}} = \ frac {L_ {wire}} {L_ {line}} = \ frac {V_ {wire}} { V_ {line}} $$

Tutaj:

  • $ R_ {line} $ to opór między dwoma punktami końcowymi całej linii
  • $ V_ {line} $ to potencjał między dwoma punktami końcowymi całej linii (zwykle dziesiątki kV)
  • $ L_ {line} $ to długość całej linii energetycznej (zwykle kilka kilometrów)
  • $ L_ {wire} $ to długość drutu rozpiętego przez nogi ptaka (zwykle kilka centymetrów)

Dlatego możesz docenić, że prawa strona równania jest bardzo małą liczbą, więc podobnie $ V_ {wire} $ musi być mniejsze niż wolt - a ptak doświadcza również około $ V_ {wire} $ różnicy potencjałów.

Czy ptak doświadcza ekstremalnej różnicy prąd?

Pomimo niskiego napięcia, wysoki prąd może st będą niebezpieczne dla zwierząt. Jak wskazano wcześniej, ilość prądu przepływającego przez blok drutu dla ptaków wynosi $ I_T = V / R_T \ w przybliżeniu V / R_ {wire} $.

Na jednej z łap ptaka prąd będzie podziel na $ I_ {wire} $ (który przechodzi przez drut) i $ I_ {ptak} $ (który przechodzi przez ptaka), a następnie połącz na drugiej stopie. Ponieważ $ V_T = V_ {bird} = V_ {wire} $, możemy wywnioskować, że $ I_ {bird} = V_T / R_ {bird} $ i $ I_ {wire} = V_T / R_ {wire} $, a zatem aktualne i rezystancja którejkolwiek ze składowych jest odwrotnie proporcjonalna:

$$ \ frac {I_ {bird}} {I_ {wire}} = \ frac {V_T / R_ {bird}} {V_T / R_ {wire}} = \ frac {R_ {wire}} {R_ {bird}} $$

Wcześniej ustaliliśmy, że $ R_ {wire} << R_ {bird} $, więc $ I_ {wire} >> I_ {bird} $. Prąd musi być zachowany (w przeciwnym razie ptak musi kraść elektrony), aby $ I_ {wire} + I_ {bird} = I_T > I_ {wire} >> I_ {bird} $.

$ I_T $ może być dość duży jak na linie o większej przepustowości, ale nie jest taki duży - jest rzędu setek amperów. Nawet jeśli nawet 0,1 A jest uważane za śmiertelne dla ludzi, ptak doświadczy obecnego $ I_ {bird} $, które jest dużo mniejsze niż to.

Przypomnij sobie odwrotną proporcję między prądem a rezystancją: Zazwyczaj ciała zwierząt mają opór rzędu kilku $ M \ Omega $ lub kilkuset $ k \ Omega $ (oryginalne badania), podczas gdy dobre metalowe druty o długości kilku centymetrów będą miały mniej (często znacznie mniej) niż 1 $ \ Omega $. Więc prąd przepływający przez ptaka będzie wynosić co najwyżej kilka $ \ mu A $ - nieszkodliwy.

Czy otwarcie nóg ptaka jest niebezpieczne?

Czynnik krytyczny jest stosunkiem oporu ciała ptaka $ R_ {ptak} $ do oporu odcinka drutu pomiędzy jego 2 nogami $ R_ {drut} $. Najpierw rozważmy wpływ otwarcia nóg na całkowity prąd.

enter image description here

Przy zamkniętych nóżkach otrzymujemy całkowity opór linii energetycznej $ R_ {zamknięty} = R_ { line} + R_1 + \ frac {1} {\ frac {1} {R_2} + \ frac {1} {R_ {bird}}} $. Z otwartymi nogami, $ R_ {open} = R_ {line} + \ frac {1} {\ frac {1} {R_1 + R_2} + \ frac {1} {R_ {bird}}} $. $ R_ {zamknięty} > R_ {otwarty} $ (intuicyjnie, zastępujesz więcej przewodu na bardziej przewodzący moduł kompozytowy typu ptak / drut). Odpowiednio, całkowity prąd płynący przez całą linię energetyczną będzie wyższy, gdy nogi są otwarte $ I_ {zamknięte} < I_ {open} $.

Ponadto, jak wskazał Ilmari Karonen, wzrost $ R_ {wire} $ zwiększa zarówno potencjał doświadczany przez ptaka, jak i to, jak duża część (teraz wyższego) całkowitego prądu „rozdziela się” na ptasią część obwodu.

Jeśli ptak stukrotnie zwiększy odległość między nogami, wzrost całkowitego prądu na linii będzie znikomy. $ V_ {wire} = V_ {ptak} $ wzrośnie stokrotnie i odpowiednio, ptak doświadczy stukrotnie silniejszego prądu. Jednak w przypadku normalnego ptaka, jeśli powtórzymy naszą pierwotną analizę, okaże się, że nawet 100 cm kabla ma nadal znikomą rezystancję w porównaniu z ptakiem, więc wątpię, czy prawdziwe ptaki zauważyłyby różnicę.


A co by było, gdybyś rozciągnął nogi ptaka tak bardzo, że mogłyby objąć całą linię energetyczną? Poza tym, że ptak wyglądałby śmiesznie, teraz doświadczyłby ogromnej potencjalnej różnicy. Ale rozciągając ptaka, sprawiłbyś, że byłby bardzo cienki (co zwiększa odporność) i bardzo długi (co również zwiększa odporność). Więc $ R_ {ptak} $ byłby również znacznie większy, a prąd nadal byłby bardzo mały. Ptak prawdopodobnie odczuwałby jakąś formę dyskomfortu, ale nie z powodu zjawisk elektrycznych.


Co by było, gdybyś miał gigantycznego ptaka, który jest tak duży, że jego dwie nogi mogłyby obejmować całą linię energetyczną, nawet bez rozciągania? Opór jest proporcjonalny do długości, ale odwrotnie proporcjonalny do grubości. Więc jeśli ptak byłby proporcjonalny, miałby taki sam opór jak mały ptak. Jednak teraz rezystancja $ R_ {wire} $ jest nietrywialna - wiele kilometrów nawet bardzo przewodzącego drutu może mieć znaczną rezystancję. Jak wspomniano wcześniej, jeśli 100 A przejdzie przez linię elektroenergetyczną, ptak potrzebuje tylko 0,1% tej wartości, aby być zagrożonym śmiercią, więc jeśli ptak jest wystarczająco długi, aby rozciągnąć się na tyle kilometrów linii, aby opór linii był co najmniej kilka $ k \ Omega $, przeżyje bardzo niebezpieczny szok. Chociaż tak duży ptak miałby również inne problemy, takie jak prawo sześcianu kwadratowego lub prąd przepływający przez jego głowę, powodujący błyskawice w górnych warstwach atmosfery.

Jeśli chodzi o twoje pierwsze pytanie, opór ptaka jest równoległy z oporem drutu, więc efektywny opór faktycznie spadnie (nieznacznie).Zdecydowanie nie powinniśmy oczekiwać, że nasze światła przygasną, gdy ptak wyląduje;jeśli już, to staną się jaśniejsze.
@NateEldredge Masz rację, ptak bardzo nieznacznie zmniejszyłby całkowity opór między tymi dwoma punktami, a tym samym zmniejszyłby opór całej linii energetycznej.Mój błąd.
Rozłożenie nóg ptaka spowoduje (bardzo nieznacznie) zwiększenie zarówno prądu, jak i napięcia płynącego przez ptaka (jak można by się intuicyjnie spodziewać), a nie ich zmniejszenie: zwiększenie $ R_ {wire} $ zwiększa zarówno $ I_ {ptak} = I_ {wire} \ dfrac {R_ {wire}} {R_ {ptak}} $ i $ V_ {ptak} = V_ {wire} $.
@IlmariKaronen Masz rację - poprawiłem swoją analizę.
Chociaż zawiera odpowiedź, zawiera również wiele niepotrzebnego bałaganu.Widzę, że podobało ci się pisanie tego, ale prawie wszystko jest zbędne.
Wybiegający z kontekstu komentarz roku: „gigantyczny ptak, który jest tak duży, że jego dwie nogi mogą obejmować całą linię energetyczną”
@kinokijuf trochę się zgodził, ale zdecydowanie warte mojego +1 za samą prezentację.
@RussellBorogove Cóż, dla pewności myślę, że „klasyczna” wersja tego pytania dotyczy gołych, nieizolowanych przewodów (które powinny być również bezpieczne dla ptaka).
Ten ptak ma błoniaste stopy!Nie ma mowy, żeby przylgnął do linii energetycznej!
@Superbest:, powinieneś edytować swoją odpowiedź, aby uwzględnić to, co powiedział Nate Eldredge (również zauważyłem ten błąd)
+1 za „Ptak prawdopodobnie odczuwałby jakąś formę dyskomfortu, ale nie z powodu zjawisk elektrycznych”
@NateEldredge Dodałem Twój komentarz do pierwszej części, dzięki!
@NickJohnson Znalazłem zdjęcie kormorana (ze stopami z błonami) siedzącego na drucie: http://www.geograph.org.uk/photo/617990
To tylko połowa odpowiedzi.Niebezpieczeństwo związane z liniami „przesyłowymi” wysokiego napięcia, które przebiegają między miastami, to prąd, który płynąłby z powodu pojemności ptaka, a nie z powodu oporu równoległego.Kiedy ptak ląduje, jego potencjał musi wyrównać napięcie linii energetycznej, co w przypadku linii 700 kV może oznaczać * duży * wstrząs.Zasadniczo jest to szok statyczny, ale trwa dłużej ze względu na dużą pojemność elektrowni.To [ogromne zagrożenie dla pracowników linii elektrycznych] (https://www.youtube.com/watch?v=9Lbmis-VUW0#t=4m50s).O ile mi wiadomo, ten szok powinien się wydarzyć i rzeczywiście może zabić ptaka.
+1 za „O czym świadczy fakt, że do przesyłania prądu używamy metalowych kabli, a nie ptaków”,
@BlueRaja-DannyPflughoeft Pytanie wydaje się tak sformułowane, że ptak już siedzi na drucie.
Urocza odpowiedź w stylu „Co jeśli?” Randalla Munroe, szczególnie w świetle tego awatara.
Haha, cieszę się, że podobało Ci się to, @Vandermonde.
hlouis
2014-04-20 01:02:59 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Potencjalna różnica między dwoma punktami na przewodzie przewodzącym prąd jest określona przez prawo Ohma, $ V = R \ cdot I $.

Ponieważ przewody używane do przenoszenia mocy na duże odległości mają, z założenia, bardzo niski opór na jednostkę długości, a odległość między dwoma kończynami dłoni jest bardzo mała (~ 10 cm), nawet w przypadku dużych prądy różnica potencjałów nie jest w ogóle niebezpieczna.

Na przykład, jeśli 10 cm drutu aluminiowego 4/0 (pole przekroju poprzecznego 1,07 $ \ mathrm {cm ^ 2} $) ma całkowitą rezystancję 2,63714 $ \ cdot 10 ^ {- 5} \ Omega $, więc jeśli przepływa przez niego duży prąd 300A (w rzeczywistości maksymalna wartość znamionowa dla tego przekroju kabla), to różnica potencjałów między końcami wyniesie V = 2,63714 \ cdot 10 ^ {- 5} \ Omega \ cdot 300 \ mathrm {A} = 0,0079 \ mathrm {V} $, czego nie widać na ludzkiej skórze.

To samo dotyczy stóp ptaków, które są oddzielone jeszcze mniejszą odległością.

Należy zauważyć, że w liniach prądu przemiennego (które obejmują niektóre, ale nie wszystkie linie „wysokiego napięcia”), różnica potencjałów między dwoma „bliskimi” punktami może być zdominowana przez oscylacje sygnału, a nie tłumienie omowe.Przy sygnałach 50 lub 60 Hz i standardowych ptakach to nie jest problem, ale to samo stwierdzenie mnie niepokoiło.
@dmckee Dla najgorszego przypadku 400 kV przy 60 Hz otrzymuję różnicę szczytową 71 mV na 10 cm z powodu oscylacji (zakładając idealną falę sinusoidalną poruszającą się w c).
Kvothe
2014-04-20 00:59:44 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Przypuszczam, że możesz postrzegać swoją sytuację jako obwód z dwoma równoległymi rezystorami; to jest część kabla i ptaka. Jednak rezystancja kabla jest o wiele rzędów wielkości mniejsza niż u ptaka (kabel jest w rzeczywistości zwarciem), więc nie będzie żadnego znacznego prądu płynącego przez ptaka.

Nawet jeśli ptak właśnie wykąpał się w słonej wodzie i kapie, jego opór będzie nadal znacznie wyższy niż drutu.Zarówno ten odcinek drutu, jak i ptak mają na sobie taki sam spadek napięcia, ale jest mało prawdopodobne, aby ptak zauważył przez niego niewygodny prąd.
Carl Witthoft
2014-04-20 00:37:25 UTC
view on stackexchange narkive permalink

Być może pomyłka dotyczy różnicy potencjałów, woltów i natężenia pola, woltów / metr. Jeśli człowiek po prostu wisi w powietrzu, siła pola jest stosunkowo niska, a głównym zagrożeniem są ptaki wydziobujące mu oczy.

Ale jeśli wisi blisko ziemi, nadal znajduje się w potencjale drutu, ale teraz zamiast może 50 metrów znajduje się 10 cm nad ziemią, więc siła pola jest bardzo duża. Gdy natężenie pola przekroczy wartość przebicia dielektryka dla powietrza (praca domowa: sprawdź to :-)), prąd będzie przez niego przepływał. To będzie źle.

przepraszam, że pytanie nie było jasne, zmodyfikowałem pytanie


To pytanie i odpowiedź zostało automatycznie przetłumaczone z języka angielskiego.Oryginalna treść jest dostępna na stackexchange, za co dziękujemy za licencję cc by-sa 3.0, w ramach której jest rozpowszechniana.
Loading...