Uziemianie przewodników jest procesem łączenia ich z innymi przewodnikami o większej pojemności elektrycznej. Panuje powszechna (nie dość ścisła) opinia, że po uziemieniu potencjał elektryczny na takim przewodniku jest równy zeru. A przecież w ogólności to nieprawda - potencjał elektrostatyczny wyznaczony jest z dokładnością do stałej i jego normowanie w wielu zagadnieniach jest ważnym wyborem. Aby przybliżyć problematykę związaną z procesem uziemiania można najpierw rozwiązać takie proste zadanie:
2. Zadanie
Przewodnik o pojemności C1 naładowany ładunkiem Q1 został połączony z drugim nienaładowanym przewodnikiem o pojemności C2 umieszczonym daleko od tego pierwszego. Oblicz, jaki ładunek Q2 przepłynie na drugi przewodnik a jaki pozostanie na pierwszym Q'1. Co się dzieje, gdy C2 dąży do nieskończoności?
Dane:
C1, Q1, C2
Szukane:
Q2, Q'1 = ?
Rozwiązanie:
(definicja pojemności elektrycznej)
(potencjał początkowy na pierwszym przewodniku)
(C1 pozostaje stałe)
V'1 = V2 (warunek stanu równowagi)
Q2 + Q'1 = Q1 (zasada zachowania ładunku)
(potencjały końcowe)
(z równości potencjałów końcowych)
Q'1 = Q1 - Q2
C1 · Q2 = C2 · (Q1 - Q2)
(C1 + C2) · Q2 = C2 · Q1
(wzory końcowe)
(granice przy C2 → ∞)
3. Historyczne uzasadnienie nazwy uziemienie
Właśnie przypadek, gdy C2 → ∞ znany jest pod nazwą efektu uziemienia. Polega on na całkowitym zabraniu ładunku swobodnego znajdującego się na uziemianym przewodniku - przeniesieniu na przewodnik o większej pojemności. Nazwa "uziemienie" wzięła się stąd, że pojemność C2 (oznaczenia jak w powyższym zadaniu) dla kuli ziemskiej jest równa C2 = 4pe0Rz, gdzie Rz jest promieniem Ziemi (Rz = 6380km = 6,38*106m) a e0 przenikalnością elektryczną próżni (e0 = 8,85*10-12F*m-1). Po krótkich rachunkach dostaje się wartość liczbową C2 = 709 mF (w układzie SI). W porównaniu z pojemnością normalnych, makroskopowych przewodników zachodzi związek C<< C2, więc zjawisko uziemienia jest wtedy dobrze widoczne (ładunek nadmiarowy prawie w całości przepływa na Ziemię). W początkach nauki o elektryczności właśnie Ziemia była przewodnikiem o dużej, znanej pojemności i to jej używano do "zabierania" ładunków elektrycznych. W wielu opisach eksperymentów z elektryczności przewodniki uziemiało się poprzez łączenie ich z kaloryferem, czy instalacją wodociągową, tak aby ładunek "schodził do gruntu". Obecnie w laboratorium fizycznym przy pokazach z elektrostatyki, do uziemiania przewodników stosuje się specjalne urządzenia elektroniczne, które zapewniają łatwy odpływ ładunku.
4. Definicja uziemienia
Uziemienie danego przewodnika polega na takim połączeniu go z innnym przewodnikiem, że cały ładunek pierwszego przewodnika (swobodny czy nadmiarowy) odpłynie. Teoretycznie pojemność drugiego przewodnika powinna być nieskończona, ale dobry efekt "spłynięcia ładunku" uzyskuje się po połączeniu z przewodnikiem o dużo większej pojemności w porównaniu z pojemnością elektryczną przewodnika uziemianego (C2 >> C1). Taka jest właśnie poprawna fizycznie definicja procesu uziemiania przewodników.
5. Względność pojemności elektrycznej przewodników
Oczywiście pojęcie pojemności elektrycznej przewodnika też jest względne, bo we wzorze definicyjnym C = df· Q/V za V można przyjąć potencjał względem dowolnego punktu pola. Tutaj tak wybieramy ten punkt normowania, aby pojemność uziemianego przewodnika była skończona niezerowa, a uziemiającego dążyła do nieskończoności. Standardowo pojemność elektryczna przewodników jest odnoszona do punktu w nieskończoności.
6. Uziemiający przewodnik dostatecznie daleko
Aby uziemienie było dobre i nasz model prawdziwie opisywał ten proces fizyczny drugi przewodnik powinien być w tak dużej odległości (teoretycznie nieskończonej), aby na nim nie indukowały się ładunki z powodu oddziaływań elektrycznych z ładunkami na pierwszym przewodniku. Realizuje się to, umieszczając drugi przewodnik dostatecznie daleko albo zwiększając odpowiednio jego rozmiary. Oczywiście, w przypadku z Ziemią, jej rozmiary w porównaniu z rozmiarami makroskopowych przewodników są o wiele większe, tak że o ładunkach wyindukowanych na jej powierzchni możemy zapomnieć - zresztą nie wpływają one znacząco na jej potencjał z uwagi na dużą pojemność kuli ziemskiej traktowanej tu jako doskonały przewodnik.
7. Zabieranie ładunku nadmiarowego
Gdy uziemiamy naładowany przewodnik, który nie znajduje się w zewnętrznym polu
, to cały jego ładunek odpłynie na uziemienie. Gdy wstawiamy nienaładowany przewodnik do zewnętrznego pola elektrostatycznego, to ładunki na nim się przemieszczają, dopóki ich rozkład nie będzie taki,
że pole wypadkowe 
będzie równe zeru wewnątrz przewodnika. Do powstania takiego rozkładu potrzebny jest podział ładunku przewodnika (na indukowany i nadmiarowy) 0 = qind + qdod, bo tylko qind wytwarza kompensujące pole. Gdy wstawiamy przewodnik naładowany ładunkiem q, to ładunek indukowany qind jest taki sam, ale ten nadmiarowy
powiększa się wg wzoru qdod = -qind + q. Ten dodatkowy ładunek qdod jest swobodny i może zostać łatwo zabrany podczas uziemienia, którego celem jest właśnie odbieranie takich nadmiarowych ładunków, które nie są związane. Analiza takich przypadków uziemiania jest potrzebna, np. w problemach ładunku
punktowego i kulistego uziemionego przewodnika.
8. Potencjał taki jak w nieskończoności
Potencjał na każdym przewodniku jest wszędzie taki sam (w każdym miejscu). Łącząc więc pewien przewodnik z drugim, który jest w nieskończoności, doprowadzamy do osiągnięcia stanu równowagi, w którym potencjały elektryczne na obu przewodnikach są równe potencjałowi w nieskończoności V+∞. Tak jest przy uziemieniu całkowitym, gdy C2 → +∞. Ponieważ zazwyczaj w nieskończoności normujemy potencjał do zera, to mamy też, że i na tych przewodnikach potencjał jest równy zeru. Oczywiście jest to prawdziwe tylko przy takim szczególnym wyborze cechowania, gdy potencjał normowany jest w nieskończoności i nie ma rozkładów ładunku, które by się do nieskończoności rozciągały. Potencjał jest tu wyznaczony z dokładnością do stałej addytywnej, o czym się w częstym stwierdzeniu dotyczącym uziemienia zapomina. Uziemienie nie polega więc na nadaniu zerowego potencjału, lecz na zrównaniu go z potencjałem uziemienia znajdującego się w nieskończoności.
9. Różne potencjały w nieskończoności
Tutaj też się możemy spotkać z pewną nieścisłością, ponieważ potencjał w różnych "częściach" nieskończoności może być inny. Standardowym przykładem takiego dziwnego zachowania się tej wielkości jest potencjał od dwóch nieskończonych płaszczyzn naładowanych różnoimiennie z jednorodną gęstością powierzchniową sigma. Wtedy inny jest potencjał w +∞ i -∞ (dokładnie DV=(V+∞)-(V-∞) = s · d/e0, czyli V+∞ ≠ V-∞). Niepoprawne staje się wówczas stwierdzenie, że potencjał uziemianego przewodnika jest taki sam, jak w nieskończoności (bo której?) i trzeba się odwoływać do czysto fizycznej interpretacji zjawiska uziemienia. Proces uziemienia nie powinien zależeć od tego, w której "części" nieskończoności znajduje się przewodnik uziemiający.
10. Przewodnik uziemiający w innym wymiarze
Przewodnik uziemiający musi być w dużej odległości od pierwszego, aby rozkład jego ładunku nie wpływał na proces uziemiania. Ponadto musi mieć o wiele większą pojemność elektryczną mierzoną względem tego samego punktu niż pojemność pierwszego przewodnika. Ale oprócz tych warunków ważne jest też to, aby nasz przewodnik uziemiający nie był poddany działaniu pola, w któryn jest przewodnik uziemiany, gdyż mogłoby to doprowadzić do stanu równowagi, w jakim to z uziemienia odpływałyby ładunki, aby cały układ dwóch przewodników miał zerowe wewnętrzne pole elektryczne. Czasami przydaje się więc hipotetyczne umiejscowienie uziemienia w innym dodatkowym wymiarze, aby pole 3-wymiarów na nie nie działało. Ten wybieg musi być zrealizowany np., gdy rozpatrujemy uziemianie w polu pochodzącym od jednorodnie naładowanej płaszczyzny i ładunku punktowego leżącego na niej. Takie pole nie dąży do zera dla nieskończonej odległości od płaszczyzny; żeby skutecznie uziemiać potrzebujemy zerowego pola działającego na przewodnik uziemiający, które możemy znaleźć w innym dodatkowym wymiarze przestrzennym. Jednak w realnym świecie fizycznym nie spotykamy pól rozciągających się do nieskończoności, tzn. takich, których granica natężenia tam jest niezerowa, więc zawsze możemy znaleźć miejsca w przestrzeni (dostatecznie daleko), w którym umieścimy nasze uziemienie.
11. Fizyczny mechanizm procesu uziemienia
Fizyczna interpretacja procesu uziemienia jest następująca: jest to proces, w wyniku którego z przewodnika zbierane są wszystkie ładunki swobodne (czyli niezwiązane, dodatkowe). W przypadku przewodników metalicznych występuje ruch elektronów (przepływ prądu elektrycznego), aż do osiągnięcia równości potencjałów obu przewodników. Sam proces przepływu podobny jest do ruchu ładunków między dwoma kondensatorami - nie jest to już proces czysto elektrostatyczny, ani nawet przepływ prądu stałego. Ten dynamiczny proces można opisywać za pomocą stałej relaksacji t = C*R. Im mniejszy jest opór elektryczny R przewodnika łączącego, tym proces uziemienia przebiega szybciej, dlatego też, aby szybko przeprowadzić uziemienie owe przewodniki łączymy za pomocą grubego przewodzącego drutu, który na podstawie II prawa Ohma ma właśnie mały opór elektryczny R. Nie ma znaczenia, czy najpierw uziemimy, a potem wstawimy do pola, czy na odwrót - stan końcowy uziemionego przewodnika opisuje elektrostatyka tak samo. Przewodnik uziemiający charakteryzuje się nieskończonym zasobem nośników ładunku, które może przyjmować i oddawać w dowolnych ilościach. Wiąże się to oczywiście z jego nieskończoną pojemnością elektryczną. Przewodnik uziemiony (bez nadmiarowego ładunku elektrycznego) nie będzie oddziaływał w żaden sposób na ładunki próbne w polu: ładunki wyindukowane służą tylko do zapewnienia
= 0 w obszarze przewodnika, a nadmiarowe, które mogłyby oddziaływać zostały zabrane właśnie w procesu uziemiania.
12. Uziemienie w gospodarstwie domowym
W gospodarstwie domowym często spotykamy się z urządzeniami AGD i RTV, które są uziemione. Rozpoznajemy, to po tym iż, ich wtyczki składają się z trzech bolców. Dwa odpowiedzialne są za przekazywanie napięcia zasilania, a ten trzeci odpowiada właśnie za uziemienie. Powinien on być połączony z ogólną instalacją uziemieniową budynku, a poźniej docelowo z Ziemią. Ponieważ obudowy urządzeń domowych są najczęściej wykonane z materiałów sztucznych (dielektryki), to zachodzi niebezpieczeństwo przedostania się ładunków elektrycznych z wnętrza na obudowę. Właśnie, aby zapewnić bezpieczeństwo, uziemia się te elementy, aby taki ładunek na obudowę nie mógł przepłynąć za sprawą ewentualnego przebicia instalacji elektrycznej wewnątrz urządzenia. Ponieważ dielektryk z trudem oddaje ładunek, a napięcia sieci są względnie duże, to do takiej sytuacji nie można dopuścić (gdyż mogłoby to doprowadzić do porażenia prądem człowieka dotykającego taką obudowę - sam stałby się przewodnikiem uziemiającym!). Dlatego też teraz powszechnie stosuje się urządzenia zawierające podłączenie do uziemienia całej instalacji elektrycznej i o takim połączeniu nie należy zapominać.
13. Podsumowanie
Uziemianie przewodników jest więc prostym procesem, którego skutek opisujemy prawami elektrostatyki. Całkowite uziemienie naładowanego przewodnika następuje wtedy, gdy cały jego nadmiarowy ładunek zostanie mu zabrany i nie będzie już on oddziaływał elektrostatycznie, nie oznacza to wyzerowania potencjału, lecz zrównania go z potencjałem uziemiającego przewodnika (np. Ziemi). W tym celu łączy się go zazwyczaj z przewodnikiem o dużo większej pojemności elektrycznej (z dużym zasobem nośników ładunku) (ilościowo proces ten jest rozważany w powyższym zadaniu) odpowiednio oddalonego i niepoddanego działaniu pól zewnętrznych. Zjawisko uziemiania powszechnie wykorzystujemy, aby zwiększać bezpieczeństwo pracy urządzeń domowych (AGD, RTV, sprzęt komputerowy). Potencjał, jaki ustali się po dojściu do stanu równowagi jest zazwyczaj taki sam jak w nieskończoności V->+8 i stąd, że tam zwykle przyjmuje się iż V+8=0 (normuje się potencjał), pochodzi nie dość ścisła opinia, że w ten sposób wyzerowujemy potencjał elektryczny uziemianego przewodnika, a cały proces jest jak widać trochę bardziej złożony.
