Jesteś tutaj

Dlaczego ptaka nie razi prąd?

  • ptaki na drucie
    Czyżby ptakom prąd nie szkodził? (fot. Gustavo Gomes)

Ptaki uwielbiają siadać na gałęzi albo na jakimś drucie. Często tym drutem jest linia wysokiego napięcia, przy czym zazwyczaj statystyczny ptak owo napięcie ma w głębokim poważaniu. No właśnie, dlaczego ptaka nie razi prąd? Jeżeli myślisz, że znasz odpowiedź na to pytanie, to trzymaj się mocno, bo prawdopodobnie ta odpowiedź jest zła.

Na początku sprawdźmy co na ten temat mówią Internety. Zdecydowana większość stron w języku polskim jest zgodna i proponuje mniej więcej takie wyjaśnienie:

„Prąd nie razi ptaków, bo przez nie nie przepływa. Prąd ma to do siebie, że wybiera nośnik, który stawia najmniejszy opór. W tym przypadku opór jest znacznie mniejszy w metalowym przewodzie niż w ciele ptaka.”

http://www.crazynauka.pl/dlaczego-prad-nie-razi-ptakow/

Jest to duże uproszczenie rzeczywistości. Po pierwsze, wytłumaczenie owo zapomina, że w liniach wysokiego napięcia płynie prąd przemienny, a nie stały. Ponieważ zaś ptak posiada pewną pojemność elektryczną, to będzie on cały czas ładował się i rozładowywał jak kondensator, a przez jego nogę jak najbardziej popłynie prąd.

Po drugie, nawet gdyby drut linii przesyłowej był idealnym nadprzewodnikiem (miał opór równy zero), to i tak pomiędzy nogami ptaka istniałoby napięcie. Pojawi się ono na skutek występowania przesunięcia fazowego pomiędzy różnymi miejscami na drucie. To zjawisko powodować będzie dodatkowy przepływ prądu.

Szczegółowej analizy powyższych zjawisk podjął się ostatnio brazylijski fizyk Jose Arnaldo Redinz, a swoje przemyślenia opublikował w czasopiśmie American Journal of Physics. Jest to pierwsza tak dogłębna analiza tego zagadnienia i poświęcamy jej następną część fiztaszka (uwaga, dla odważnych!). Jeżeli zaś nie jesteś zainteresowany fizycznymi subtelnościami, zapraszamy od razu na koniec artykułu, do sekcji “Więc jak to w końcu jest?”, gdzie ostatecznie odpowiadamy na tytułowe pytanie.

Załóżmy, że ptak jest idealną kulą…

Na początku rozważmy najprostszy przypadek, kiedy ptaszyna drapie się jedną nogą w głowę i dotyka linii wysokiego napięcia tylko jedną kończyną. Ponieważ ptak jest (dosyć słabym, ale jednak) przewodnikiem, to całe jego ciało powinno szybko osiągnąć taki sam potencjał elektryczny jak potencjał miejsca, którego dotyka. Oznacza to, że przez nogę ptaka powinien popłynąć prąd, który będzie dążył do wyrównania potencjałów ptaszyny i drutu. Gdyby te potencjały się wyrównały, prąd ten powinien zaniknąć.

I tak by było w przypadku prądu stałego. Nie zapominajmy jednak, że w liniach wysokiego napięcia mamy prąd przemienny, co oznacza, że w miejscu przycupnięcia ptaszyny potencjał elektryczny nieustannie się zmienia. Dodatkowo nasz ptak posiada pojemność elektryczną. W konsekwencji nasz uskrzydlony kondensator cały czas będzie się na zmianę ładował i rozładowywał, a przez nogę ptaka płynąć będzie cały czas prąd sinusoidalnie zmienny.

Aby obliczyć wartość tego prądu, potrzebna nam jest wiedza na temat pojemności elektrycznej ptaka. Ponieważ trudno jest złapać ptaka i zmierzyć jego pojemność, spróbujemy ją oszacować. Załóżmy zatem radośnie, że ptak jest przewodzącą sferą (tak, tak, już słyszymy ten chichot), wypełnioną li tylko powietrzem. Wtedy też wartość skuteczna natężenia prądu płynącego przez nogę ptaka będzie dana wzorem (po szczegółowe przekształcenia odsyłamy tutaj)

Wzór może na pierwszy rzut oka wyglądać strasznie, ale straszny nie jest. ε to przenikalność elektryczna powietrza, która jest wartością dostępną w każdych tablicach fizycznych i wynosi mniej więcej 8,85∙10-12 F/m, r to promień ptaka, f to częstotliwość prądu, która w Polsce jest równa 50 Hz, a U0 to maksymalna wartość napięcia pomiędzy drutem a ziemią. Dla linii wysokiego napięcia w Polsce wynosi ona najczęściej 110 kV.

Jeżeli przyjmiemy, że średniej wielkości ptak ma promień 10 cm, to z powyższego otrzymamy, że wartość skuteczna natężenia prądu wynosi około 0,2 mA. Gdybyśmy założyli, że ptak stoi na deszczu, to ze względu na wzrost przenikalności elektrycznej otoczenia, wartość natężenia prądu wzrosłaby do około 10 mA. W praktyce pewnie kształtuje się ona w okolicach 1 mA. Dużo to, czy mało? Pytanie jak najbardziej zasadne, ale zostawmy je póki co na boku, bo powyżej oszacowany prąd nie jest jedynym, który płynie przez ciało ptaka.

Ptaki czują fazę

Załóżmy teraz, że nasz ptak skończył już drapać się w głowę i siedzi na drucie porządnie, czyli chwytając go dwiema nogami. Pomiędzy tymi nogami powstanie różnica potencjałów, czyli napięcie, które spowoduje przepływ dodatkowego prądu. Skąd się to napięcie bierze?

Już wiemy, że liniami wysokiego napięcia przesyłany jest prąd przemienny. Możemy to sobie z grubsza wyobrażać tak, że po drucie przemieszcza się długa, „napięciowa sinusoida”. Jeżeli byśmy zatrzymali czas, okazałoby się, że w różnych miejscach drutu ma ona inną wartość. Tu i ówdzie napięcie chwilowe będzie maksymalne, gdzie indziej zero, a jeszcze gdzie indziej osiągnie chwilową wartość minimalną. Fizycy i elektrycy powiedzieliby, że „pomiędzy różnymi fragmentami drutu istnieje przesunięcie fazowe”.

Skoro nasz ptak siedzi nie w jednym miejscu, ale dotyka drutu w dwóch różnych miejscach, między jego kończynami pojawi się różnica potencjałów, czyli napięcie elektryczne.

Gdybyśmy chcieli oszacować skuteczną wartość tego napięcia, należałoby się posłużyć wzorem (po szczegółowe przekształcenia ponownie odsyłamy do artykułu):

W powyższej formułce niektóre oznaczenia są już znane. Jeżeli zaś chodzi o nowe symbole, to d oznacza odległość między nogami ptaka, a L i C to odpowiednio indukcyjność i pojemność linii przesyłowej przypadająca na każdy metr jej długości. Żeby obliczyć wartość tego napięcia potrzebujemy zatem nieco większej wiedzy o parametrach elektrycznych linii przesyłowych. Z pomocą jednak przychodzi Internet, a konkretnie praca doktorska napisana przez dra Rafała Tarko z AGH w Krakowie: (http://winntbg.bg.agh.edu.pl/rozprawy/9905/full9905.pdf). Do obliczeń przyjmiemy również, że rozstaw nóg ptaka wynosi mniej więcej tyle ile jego promień, czyli 10 cm.

Po szybkich obliczeniach dochodzimy do wniosku, że wartość skuteczna tego napięcia wynosi około 5 mV. Odpowiadać ono będzie przepływowi prądu na poziomie kilkudziesięciu mikroamperów. Dużo? Raczej nie. Jest to około 100 razy mniej niż prąd ładowania ptaka-kondensatora, który omówiliśmy wcześniej. Efekt występowania różnicy faz pomiędzy nogami ptaka jest zatem znacznie mniej istotny.

Więc jak to w końcu jest?

Przez ptaka siedzącego na linii wysokiego napięcia jak najbardziej płynie prąd. Jest to prąd przemienny o natężeniu skutecznym wynoszącym około 1 mA. Wygląda jednak na to, że ptaki nie odczuwają takich prądów, lub też lekkie mrowienie im zupełnie nie przeszkadza. Prawidłowa odpowiedź na pytanie zadane na początku fiztaszka może zatem z grubsza brzmieć: „Ptaka nie razi prąd, bo wartość natężenia prądu, który przez niego przepływa, jest zbyt mała, aby mogła mu zaszkodzić”.

Przestrzegamy jednak przed bezpośrednim przekładaniem powyższych wniosków na człowieka. Człowiek jest znacznie większym zwierzęciem, co oznacza, że po pierwsze nasze ciało ma większą pojemność, a po drugie mamy większy rozstaw kończyn. Używając dwóch powyższych wzorów można oszacować, że gdybyśmy zawiśli dwoma dłońmi na linii wysokiego napięcia, to przez nasze ciało popłynąłby prąd o natężeniu skutecznym wynoszącym około 10 mA *. Taki prąd jest już zdecydowanie odczuwalny przez człowieka i powoduje mocny skurcz mięśni. Raz jeszcze potwierdza się zatem stara prawda znana od czasów Ikara: nie jest dane ludziom to, co mogą ptaki.

Więcej do poczytania:

*) Nasuwa się pytanie dlaczego ludzie dotykając linii wysokiego napięcia giną, skoro wg naszych wyliczeń powinien płynąć przez nich tylko prąd o natężeniu 10 mA? Odpowiedź na to pytanie zostawiamy czytelnikom, NIE zachęcając ich do eksperymentów na własną rękę :)

 

  • Obrazek użytkownika krupinski
    O autorze:

    Michał Krupiński

    Redaktor naczelny fiztaszki.pl, kierownik Fiztasz Research Center
    Fiztaszkowiec doświadczalny. Na co dzień nanosi cienkie warstwy metali na wszystko co popadnie. Po godzinach pasjami oddaje się eksperymentom kawiarniano-kuchennym.

Komentarze

Obrazek użytkownika Nelson

"Gdybyśmy założyli, że ptak wypełniony jest wodą, to ze względu na wzrost przenikalności elektrycznej, wartość natężenia prądu wzrosłaby do około 10 mA."
We wzorze na pojemność kondensatora płaskiego mamy przenikalność elektryczną pomiędzy okładkami, ale w przypadku kondensatora sferycznego ważna jest chyba przenikalność otoczenia, bo "drugą okładką" jest Ziemia. Wewnątrz sfery nie ma pola elektrycznego, więc dlaczego przenikalność jej wnętrza miałaby mieć jakiekolwiek znaczenie? Jakoś mi to nie pasuje.

Obrazek użytkownika krupinski

Słuszna uwaga. Dziękuję za spostrzegawczość. Poprawione.

Obrazek użytkownika marten

To wszystko wierutne bzdury, przez ciało ptaka nie przepływa żaden, najmniejszy nawet prąd z sieci przesyłowej. W każdym punkcie pojedynczy drut ma wartość 0 [ok 1m od słupa]] Niebezpieczeństwo to zbliżenie ptaka z drugim drutem lub uziemieniem[ słupem] np. w czasie burzy itp..

Obrazek użytkownika krupinski

Nie bardzo rozumiem, co znaczy, że "drut ma wartość 0". Zgodzę się natomiast, że dużym niebezpieczeństwem dla ptaka jest zbliżenie się do drugiego drutu przesyłowego lub do uziemienia. Dotknięcie dwóch drutów lub drutu i uziemienia spowodowałyby z pewnością przepływ przez ciało ptaka dużego prądu. Zbyt dużego jak na witalne zdolności zwierzęcia. Nadal jednak twierdzę, że nawet przy siedzeniu na jednym drucie przesyłowym, przez ciało ptaka płynie mały prąd. Argumenty w artykule powyżej.

Obrazek użytkownika Anonim

Nie jestem ekspertem w dziedzinie energetyki. Widziałem jednak nagrania pracy ludzi konserwujących linie wysokiego napięcia.

Niestety nie znam podobnych artykułów w języku polskim, polecam jednak wiki:
https://en.wikipedia.org/wiki/Live-line_working#Bare_hand
Oraz nagrania na youtube:
https://www.youtube.com/watch?v=9tzga6qAaBA

Obrazek użytkownika krupinski

Dzięki za ciekawe linki i za dołożenie do dyskusji nowego wątku.
Można zauważyć, że ludzie pracujący na liniach wysokiego napięcia ubrani się w specjalne, przewodzące kombinezony (Faraday suit), o których również wspomina artykuł w wikipedii. Używa się ich, aby zminimalizować przepływ prądu przez ciało pracownika.

Obrazek użytkownika Małgorzata Konstańczak

mogą służyć również do przesyłania energii likwidującej fizycznie człowieka.

Dodaj komentarz