“جرم کلی زمین” و مسائل وابسته به آن

401 – “جرم کلی زمین” و مسائل وابسته به آن

401-1- پیشگفتار

مقاومت یک الکترود زمین، مقاومت ان نسبت به “جرم کلی زمین” (general mass of earth) است.

اکتفا به این نکته بدون توضیحات لازم، چیزی را روشن نمی سازد ولازم است در این مورد بیشتر بررسی می شود.

1-ابتدا باید یاد آور شد که برای بیان مقاومت (اکتیو، القایی ] راکتیو ] یا ظاهری ]امپدانس[) در دست داشتن دو نقطه لازم می باشد و وجود مقاومت برای یک نقطه مفهوم ندارد. پس در مورد الکترود زمین که تنها یک نقطه از آن در دسترس است، این مسئله چگونه توجیه می شود و بعبارت دیگر نقطه دوم مقاومت الکترود زمین، در کجا واقع شده است؟

2-برای بیان مقاومت الکترود مفهوم “جرم کلی زمین” ارائه شده است که طبق ان مقاومت الکترود بین نقطه ای که در دسترس است (سر آزاد) و نقطه ای که در دسترس نبوده ولی به جایی به نام “جرم کلی زمین” ختم شده و به آن متصل می باشد قرار گرفته است.

3-با استناد به گفته های بالا لازم خواهد بود که این “جرم کلی زمین” دارای خواصی مهم باشد.

الف- آزمایش نشان می دهد که می توان قبول کرد که بین نقاط مختلف”جرم کلی زمین” ،مقاومت در حد صفر است که مهمترین خاصیت وجودی این مفهوم است.

ب- “جرم کلی زمین” مبنای اندازه گیری مقاومت زمین است و مقاومت زمین اندازه گیری شده مقاومتی است که بین سر آزاد الکترود و “جرم کلی زمین” وجود دارد.

ج- “جرم کلی زمین” محدوده فیزیکی مشخصی ندارد و از لحاظ نظری، تمام زمینهای اطراف الکترود و در واقع کره زمین در تشکیل ان شرکت دارند.

401-2- مفهوم “جرم کلی زمین” چگونه بوجود آمد

       برای فهم مطالب مربوط به “جرم کلی زمین” یک آزمون فرضی به شرح زیر انجام می شود:

یاداوری- “خیالی” بودن آزمون فقط تا این حد است که زمین محل آزمون یکدست و همگن فرض می شود و در حالی که در عمل بعلت لایه ای بودن زمینها نا هماهنگی هایی در نتیجه اندازه گیریها ایجاد می شود و نظر به اینکه در اینجا هدف فقط پی بردن به اصول و مفاهیم است و به نتایج عملی بعداً پرداخته خواهد شد، آزمون در عالم خیال در زمینی همگن انجام می شود.

زمینی بزرگ که تا عمق زیاد و مسافتهای طولانی در همه جهات از هر نظر همگن و یکنواخت است در نظر گرفته می شود. با این فرض، اگر تعدادی الکترود مشابه از نظر طول و جنس و سایر مشخصات در نقاط مختلف ان کوبیده شوند، با توجه به اصل تشابه هیچ فرقی بین آنها وجود نخواهد داشت.

با توجه به گفته های بالا، دو الکترود مشابه انتخاب می شوند.یکی از الکترود ها در نقطه ای از زمین مورد بحث کوبیده شده و در طول آزمایش بی حرکت باقی می ماند که الکترود ثابت نامیده میشود. الکترود دوم در نقاط مختلف کوبیده خواهد شد و الکترود متحرک نامیده می شود. نقطه شروع نصب الکترود متحرک، چسبیده به الکترود ثابت است. از ان پس، الکترود متحرک، بتدریج دورترر از الکترود ثابت در فواصلی معین و در راستایی غیر مشخص، نصب می شود.

برای هر موقعیت از الکترود متحرک، مقاومت مجموعه دو الکترود با استفاده از یک اهم متر، اندازه گیری می شود. الکترود متحرک در هر تغییر محل، کاملا مشابه الکترود ثابت نصب می شود.

درباره ماهیت مقاومت های اندازه گیری شده بحث خواهد شد ولی قبل از آن ، می توان گفت که با توجه به اصل تشابه از مقاومت اندازه گیری شده در هر انتقال الکترود متحرک سهم هر یک از دو الکترود خواهد بود.

تنها نقطه ای که درباره مقاومت آن می توان با قاطعیت اظهارنظر نمود، اولین نقطه اندازه گیری که در آن دو الکترود ثابت و متحرک، چسبیده به هم بوده و فاصله انها صفر است. در این مورد مقاومتی که اهم متر نشان می دهد صفر خواهد بود. اما مقاومت سایر نقاط اندازه گیری شده نسبت به فاصله به چه نحو خواهد بود؟

اگر منحنی تغییرات مقاومت یک الکترود (نصف مقدار اندازه گیری شده) نسبت به فاصله دو الکترود از یکدیگر بر روی محورهای مختصات رسم شود، ملاحظه خواهد شد که از نقطه صفر به بعد (الکترودها دورتر از همدیگر)، مقاومت به سرعت رو به ازدیاد رفته و سپس رفته رفته، با زیاد شدن بیشتر فاصله، از آهنگ رشد آن کاسته می شود تا جایی که رشد مقاومت نسبت به فاصله بقدری کم می شود که می توان آنرا نزدیک به صفر فرض کرد و ، به تعبیر ریاضی، منحنی تغییرات مقاومت الکترود نسبت به فاصله با خطی به موازات محور طولها تقریبا مجانب می شود.

مقدار مقاومتی که درآن خط مجانب محور عرضها را تلاقی می کند، همان مقدار مقاومت الکترود نسبت به “جرم کلی زمین” است.

شکل 401-1 تغییرات مقاومت دو الکترود نسبت به فاصله

اگر مسئله با دیدی کاملاً نظری بررسی شود. انتهای دوم مقاومت زمین که “به جرم کلی زمین” وصل

است در بی نهایت قرار دارد ولی در اغلب موارد عملی و برای الکترود های ساده مانند یک الکترود میله ای سر دوم مقاومت یا “بی نهایت” را میتوان در فاصله ای در حدود 10-15 متری از ان انتهای که در دسترس استفرض کرد،زیرا عملاً 98% مقاومت الکترود در این محدوده قرار دارد. بخش 49 دیده شود.

با توجه به تغییرات مقاومت را نسبت به فاصله نشان می دهد و شکل 401-2 که لایه های فرضی استوانه ای و کروی تشکیل دهنده مقاومت در اطراف الکترود را نشان می دهد، می توان به نتایج زیر دست یافت:

  • بیشترین افت ولتاژ در محدوده ای از خاک که شعاع ان در اطراف الکترود یکی دو متر بیشتر نیست، اتفاق می افتد (شیب زیاد منخنی در اطراف الکترود در شکل) در اینجا است که سطح مقطع “هادی” جرین (شعاع استوانه ها و کره های هم مرکز خاک در اطراف الکترود) کوچکتر از همه است.
  • با دورتر شدن از الکترود و بزرگتر شدن سطح مقطع “هادی” اطراف الکترود (بزرگتر شدن شعاع استوانه ها و کره های هم مرکز)، مقاومت خاک نسبت به فاصله ای مشابه در نزدیکی الکترود کمتر می شود و به همین سبب از شیب منحنی کاسته شده و حالت کوژی شکل بخود می گیرد.
  • با دورتر شدن باز هم بیشتر از الکترود، سطح مقطع “هادی” (لایه اطراف الکترود) آنقدر بزرگ می شود که مقاومت آن نسبت به طول خیلی خیلی کم می شود و در اینجاست که منحنی به سمت خطی که بموازات محور طولها است میل کرده و با آن مجانب می شود که همان مقاومت کل الکترود است. در واقع از آن پس سطح مقطع بقدری بزرگ است که ازدیاد فاصله در مقاومت تقریباً بی تاثیر است.
  • فاصله ای را که از نقطه استقرار الکترود ثابت تا محلی که در ان منحنی تغییرات مقاومت با خطی افقی مقاومت مجانب می شود”حوزه ولتاژ” الکترود می نامند. در مورد زمین همگن فرضی، این حوزه در روی سطح زمین یک دایره کامل و در عمق بشکل یک استوان با قاعده دایراه ای که در ته ان به یک نیم کره ختم میگردد، فرض می شود ولی در مورد زمینهای واقعی، شکل سطح زمینی و عمقی آن کاملاً بستگی به مقاومتهای ویژه زمین در جهات مختلف خواهد داشت که مشخص کردن دقیق آن غیر ممکن است، ولی در هر حال بشکل دایره می شود.

شکل 401-2 لایه های استوانه ای /مخروطی و کروی تشکیل دهنده مقاومت خاک در اطراف الکترود

از محل الکترود ثابت تا محدوده حوزه ولتاژ، پتانسیل بتدریج زیاد شده و در محدوده حوزه به حداکثر خود می رسد و در واقع نشان دهنده افت کل ولتاژ در الکترود زمین است. اگر فاصله دو الکترود از حد حوزه ولتاژ الکترود ها خارج باشد، دو الکترود را می توان مستقل فرض نمود ولی اگر فاصله الکترود ها از شعاع حوزه کمتر باشد، و به اصطلاح الکترودها ” در حوزه ولتاژ” یکدیگر قرار گرفته باشند، الکترودها را نمی توان مستقل فرض کرد. فاصله ای که در آن الکترودها خارج از حوزه یکدیگر خواهند بود، بستگی به مشخصات الکتریکی خاک دارد و در عمل این مقدار را 10 تا 25 متر انتخاب می کنند.