Птицы спокойно сидят на проводах ЛЭП, хотя напряжение в них смертельно для человека.
Высоковольтные линии электропередачи несут ток тысяч вольт, смертельно опасный для человека. Монтажники на подстанциях работают только со специальной защитой, иначе прикосновение к оголённому проводу сразу приведёт к удару током. Однако птицы безо всякой экипировки часами сидят на проводах невредимо.
Почему птиц не бьёт током на одном проводе?
Электрический ток не поражает птицу, потому что она сидит только на одном проводе и не замыкает электрическую цепь. Иначе говоря, тело птицы не соединяет провод ни с другим проводом, ни с землёй, поэтому через неё не проходит опасный ток. Сама по себе высокая разность потенциалов (напряжение) между проводом и землёй не вредна, пока нет пути для тока. Птица может находиться на проводе даже под огромным напряжением и не получать удара, ведь электричество «не видит» пути через её тело к земле.
Птица на проводе касается только одного «полюса» цепи. Её обе лапки имеют почти одинаковый электрический потенциал, поэтому внутри тела нет разности потенциалов, способной двигать заряд. Птица как бы «плывёт» вместе с проводом на одном электрическом уровне. К тому же птицы прилетают на провод с воздуха и не касаются опор или земли. Если бы птица попыталась сесть сначала на столб, а потом на провод, она действовала бы как человек по лестнице – и могла бы получить разряд, но в природе птицы взлетают прямо на провод.
В физических терминах ключевое условие – разомкнутая цепь. Ток – это поток электронов, который течёт только по замкнутому контуру от точки с высоким потенциалом к точке с низким. Птица на одном проводе не создаёт такого контура. Она фактически подключается параллельно небольшому участку провода между своими лапками. Сопротивление тела птицы очень большое по сравнению с сопротивлением медного проводника, поэтому подавляющее большинство тока идёт по самому проводу, а не через птицу. Расчёты показывают, что через птицу протекают лишь доли микроампера – настолько малый ток, что он никак не ощущается. Таким образом, сидя на одном проводе, птица находится в безопасности.
Что произойдёт, если птица коснётся сразу двух проводов?
Если птица случайно коснётся крылом или лапой другого провода (либо одновременно провода и заземлённой конструкции), ситуация резко изменится. В этот момент тело птицы станет «мостиком» между двумя точками с разными потенциалами, и по нему хлынет ток. Произойдёт замыкание цепи через птицу, и её ударит током. Иначе говоря, птица своим телом соединит два провода, между которыми есть напряжение, поэтому электрический ток выберет путь через её тело – с летальным исходом для птицы
В обычных условиях птицы стараются не расправлять крылья близко к соседним проводам, поэтому такие случаи редки. Однако крупные пернатые, например орлы и соколы, иногда становятся жертвами электротравм. Если размах крыльев большой, птица может случайно дотронуться до двух проводов сразу или до провода и опоры – тогда через неё мгновенно потечёт сильный ток, вызывая короткое замыкание. На практике это происходит: по оценкам поражения током ежегодно гибнут от 0,9 до 11,6 миллиона птиц, причём особенно уязвимы крупные хищники вроде орлов. В таких случаях вспыхивает дуга, провода могут искрить, срабатывает защита на линии, и птица, к сожалению, погибает.
Когда тело птицы одновременно касается двух проводников с разным напряжением, оно становится частью электрической цепи. Замыкается контур: ток устремляется по пути через птицу с одного провода на другой или на землю. Поскольку сопротивление пути теперь относительно невелико (живые ткани проводят ток лучше, чем воздух), через птицу проходит большой ток, ограниченный в основном сопротивлением её тела и внутренним сопротивлением источника. Возникает эффект короткого замыкания – ток резко возрастает, стремясь пройти по новому пути с меньшим сопротивлением. Такой ток вызывает перегрев тканей, фибрилляцию сердца и мгновенно приводит к гибели. Срабатывают защитные системы ЛЭП, отключающие участок, но для птицы это уже не имеет значения.
Как электрический ток «выбирает» путь?
Электрический ток всегда стремится течь по замкнутому контуру, возвращаясь к источнику, и он пойдёт по всем доступным путям. Если существует несколько разных путей для тока, больше всего заряда пройдёт там, где сопротивление наименьшее – это и называется «путём наименьшего сопротивления». Впрочем, это не значит, что ток течёт только по одному самому лёгкому маршруту. Представьте воду, текущую по разветвлённым руслам: основная масса пойдёт по широкому руслу, но часть потечёт и по более узкому. Так и электричество – распределяется по параллельным проводникам пропорционально их проводимости (обратной сопротивлению).
Часто говорят: «ток сам найдёт дорогу». На практике это означает, что если вы предоставите электричеству новый проводящий путь, оно тут же начнёт течь и по нему. Когда птица случайно коснётся второго провода, электрический ток немедленно пойдёт через её тело – потому что появился короткий путь к точке более низкого потенциала. Хорошая аналогия – шарики на склоне горы: они покатятся вниз, если им открыть дорогу. Точно так же и электронам «выгодно» перейти из точки с высоким потенциалом в точку с более низким, если есть проводящая тропинка. Вот почему молния бьёт, как правило, в высокий шпиль или дерево: это наиболее лёгкий путь разряда к земле. А когда человек прикасается к проводу, ток «видит» через него прямую дорогу в землю и устремляется туда, минуя более сопротивляющийся воздух.
Проводники могут соединяться параллельно, предоставляя несколько путей для тока. В соответствии с законом Ома и законами Кирхгофа, ток разделится между всеми путями в обратной пропорции к их электрическому сопротивлению. Проще говоря, через провод с меньшим сопротивлением пойдёт больший ток. Если один из путей имеет существенно меньшее сопротивление, через него пройдёт львиная доля тока, а по пути с большим сопротивлением – лишь малая часть. В случае птицы на проводе мы это и наблюдаем: через медный кабель (сопротивление ничтожное) ток течёт почти весь, а через птичку (сопротивление огромно) – микроскопическая доля. Таким образом, фраза «ток выбирает путь наименьшего сопротивления» справедлива как упрощение: на практическом уровне почти весь ток идёт там, где ему «легче», хотя в строгом смысле небольшой ток течёт по всем доступным цепям.
Роль сопротивления и замыкания цепи
Для возникновения электрического тока необходим замкнутый путь от источника к потребителю и обратно. Если цепь разомкнута – ток не идёт вообще, как будто провод обрезан или выключатель выключен. Именно поэтому птица, не касаясь земли, остаётся невредима: цепь не замкнута. Но стоит создать непрерывный проводящий контур, ток сразу появляется. Второй фактор – сопротивление материалов на пути тока. Сопротивление показывает, насколько трудно зарядам пройти через данный объект, и измеряется в омах (Ω). Сухое дерево или резина имеют очень большое сопротивление, а металл – малое. Чем выше сопротивление участка, тем меньше ток через него потечёт при заданном напряжении.
Возьмём бытовую ситуацию: если в электроприборе выключатель разомкнут, ток не течёт и устройство отключено. Замыкая выключатель, мы даём току путь – и прибор включается. То же самое происходит, когда человек или животное случайно замыкает собой цепь: путь появляется, и энергия начинает течь через живое существо. Насчёт сопротивления: представьте водопровод, где трубка сужается. Узкая трубка препятствует потоку воды подобно большому сопротивлению – течь будет слабее. Поэтому электрический ток гораздо легче проходит через металл (широкий «трубопровод» для электронов), чем через тело живого существа или через сухой воздух (очень узкий «проход»). Воздух вообще является отличным изолятором, пока напряжение не достигнет крайне высокого значения и не пробьёт его в виде искры. Сопротивление тела человека тоже достаточно велико, особенно сухой кожи, но если кожа влажная или пробита искрой, сопротивление падает – ток возрастает, что и делает поражение более тяжёлым.
Количественно связь между напряжением (U), током (I) и сопротивлением (R) даёт закон Ома. При одинаковом напряжении меньшая сопротивление приводит к большему току, и наоборот, очень большое сопротивление ограничивает ток до незначительных величин. Если цепь разомкнута – практически не течёт. Поэтому без замыкания контура электричество «стоит на месте», как заряженная батарейка без нагрузки. Когда же контур есть, величина тока определяется суммарным сопротивлением цепи. В реальных ЛЭП сопротивление проводов невелико, и если вы создадите перемычку к земле с относительно небольшим сопротивлением, ток устремится по ней и может достигать опасных значений. Таким образом, замыкание цепи – обязательное условие тока, а сопротивление пути – фактор, определяющий, насколько большой ток протечёт и насколько сильным будет удар электричеством.
Мы выяснили, что секрет невредимых птиц на проводах заключается не в «диэлектрических» лапах, а в основах электротехники. Птица не получает удар током, потому что не создаёт замкнутую цепь и через неё почти не течёт ток. Человек же, касаясь провода, обычно соединяет его с землёй и тем самым направляет электричество через своё тело. Электрический ток всегда возвращается к источнику по замкнутому пути, выбирая по возможности маршрут с меньшим сопротивлением. Именно поэтому важно понимать: никогда не прикасайтесь к проводам. Без специальной подготовки и оборудования это смертельно опасно – физические законы неумолимы. Знание о роли напряжения, сопротивления и замыкания цепи помогает объяснить наблюдаемое поведение электричества и напоминает, как важно соблюдать технику безопасности рядом с электролиниями.