Co to jest ziemia i co ona robi?

Jestem trochę zdezorientowany pojęciem uziemienia, a być może również napięcia, szczególnie podczas próby analizy obwodu. Kiedy dowiedziałem się o prawie Ohma w szkole podstawowej, nauczyłem się, jak stosować prawo do obliczania prądu, napięcia i rezystancji prostych obwodów.

Na przykład, jeśli otrzymamy następujący obwód:

Możemy zostać poproszeni o obliczenie prądu przepływającego przez obwód. Wtedy po prostu obliczyłem (na podstawie podanych reguł) 1,5 V / 1 Ohm = 1,5 A.

Później jednak dowiedziałem się, że powodem, dla którego napięcie rezystora będzie wynosić 1,5 V, jest to, że napięcie jest tak naprawdę różnicą potencjału między dwoma punktami i że różnica napięcia na baterii będzie taka sama jak napięcia rezystor (popraw mnie, jeśli się mylę) lub 1,5 V. Byłem jednak zdezorientowany po wprowadzeniu koncepcji gruntu.

Za pierwszym razem, gdy próbowałem wykonać obliczenia prądu dla obwodu podobnego do poprzedniego obwodu na symulatorze, program narzekał na brak uziemienia i „pływających źródeł napięcia”. Po krótkich poszukiwaniach dowiedziałem się, że obwody potrzebują uziemienia jako punktu odniesienia lub ze względów bezpieczeństwa. W jednym z wyjaśnień wspomniano, że można wybrać dowolny węzeł do uziemienia, chociaż zwyczajowo projektowane są obwody, więc istnieje „łatwe miejsce” do wybierania uziemienia.

Tak więc dla tego obwodu

Wybrałem uziemienie na dole, ale czy byłoby w porządku wybrać uziemienie między rezystorem 7 omów i 2 omy - czy w innym miejscu? A jaka byłaby różnica podczas analizy obwodu?

Czytałem, że istnieją 3 typowe symbole uziemienia o różnych znaczeniach - uziemienie podwozia, uziemienie i uziemienie sygnału. Wiele obwodów, które widziałem w ćwiczeniach, albo wykorzystują uziemienie, albo uziemienie sygnałowe. Jaki jest cel wykorzystania uziemienia? Do jakiego uziemienia sygnałowego jest podłączony?

Kolejne pytanie: skoro ziemia ma nieznany potencjał, to czy nie płynie prąd do lub z ziemi do obwodu? Z tego, co przeczytałem, traktujemy ziemię jako 0 V, ale czy nie będzie żadnego efektu z powodu różnicy potencjałów obwodu i ziemi? Czy efekt byłby różny w zależności od użytego podłoża?

Wreszcie: w analizie węzłowej zwykle wybiera się uziemienie na ujemnym biegunie akumulatora. Jednak gdy istnieje wiele źródeł napięcia, niektóre z nich „pływają”. Jakie znaczenie ma napięcie pływającego źródła napięcia?

Za pierwszym razem, gdy próbowałem wykonać obliczenia prądu dla obwodu podobnego do poprzedniego obwodu na symulatorze, program narzekał na brak uziemienia i „pływających źródeł napięcia”.

Twój symulator chce być w stanie wykonać obliczenia i zgłosić napięcia każdego węzła w odniesieniu do jakiegoś odniesienia, zamiast raportować różnicę między każdą możliwą parą węzłów. Musisz powiedzieć mu, który węzeł jest węzłem odniesienia.

Poza tym dla dobrze zaprojektowanego obwodu „masa” nie ma znaczenia w symulacji. Jeśli jednak zaprojektujesz obwód, w którym między dwoma węzłami nie ma ścieżki prądu stałego, obwód będzie nierozwiązywalny. Typowe symulatory typu SPICE rozwiązują ten problem, łącząc dodatkowe rezystory, zwykle 1 GOhm, między każdym węzłem a ziemią, więc możliwe jest, że wybór węzła uziemienia może sztucznie wpływać na wyniki symulacji obwodu o bardzo wysokiej impedancji.

Wybrałem uziemienie na dole, ale czy byłoby w porządku wybrać uziemienie między rezystorem 7 omów i 2 omy - czy w innym miejscu? A jaka byłaby różnica podczas analizy obwodu?

Możesz wybrać dowolny węzeł jako podstawę odniesienia. Często myślimy naprzód i wybieramy węzeł, który wyeliminuje terminy dla równań (ustawiając je na 0), lub uprości schemat (pozwalając nam wskazywać połączenia za pomocą symbolu masy zamiast wiązki linii łączących się razem).

Czytałem, że istnieją 3 typowe symbole uziemienia o różnych znaczeniach - uziemienie podwozia, uziemienie i uziemienie sygnału. Wiele obwodów, które widziałem w ćwiczeniach, wykorzystuje uziemienie lub uziemienie sygnałowe. Jaki jest cel wykorzystania uziemienia? Do jakiego uziemienia sygnałowego jest podłączony?

Uziemienie służy do wskazania połączenia z czymś, co jest fizycznie połączone z ziemią pod naszymi stopami. Drut prowadzący przez budynek w dół do miedzianego pręta wbity w ziemię, w typowym przypadku. Ta ziemia jest używana ze względów bezpieczeństwa. Zakładamy, że ktoś, kto zajmuje się naszym sprzętem, będzie połączony nogami z czymś takim jak ziemia. Ziemia jest więc najbezpieczniejszym węzłem obwodu, do którego mogą się dotknąć, ponieważ nie przepłynie prądów przez ich ciało.

Uziemienie podwozia to po prostu potencjał obudowy lub obudowy obwodu. Ze względów bezpieczeństwa często najlepiej jest podłączyć to do uziemienia. Ale nazwanie go „podwoziem” zamiast „uziemieniem” oznacza, że ​​nie zakładałeś, że jest podłączony.

Uziemienie sygnału jest często odróżniane od uziemienia (i częściowo odizolowane od niego), aby zminimalizować możliwość, że prądy przepływające przez przewody uziemiające zakłócą pomiary ważnych sygnałów.

Kolejne pytanie: skoro ziemia ma nieznany potencjał, to czy nie płynie prąd do lub z ziemi do obwodu?

Pamiętaj, że do przepływu prądu wymagany jest kompletny obwód. Potrzebne byłyby połączenia z uziemieniem w dwóch miejscach, aby prąd mógł wpływać i wychodzić z obwodu z ziemi. Realistycznie potrzebujesz również pewnego rodzaju źródła napięcia (baterii, anteny lub czegoś takiego) na jednej z tych ścieżek połączeń, aby mieć ciągły przepływ tam iz powrotem między obwodem a ziemią.

Jednak gdy istnieje wiele źródeł napięcia, niektóre z nich „pływają”. Jakie znaczenie ma napięcie pływającego źródła napięcia?

Jeśli mam źródło napięcia o wartości V między węzłami a i b , oznacza to, że różnica napięć między a i b będzie wynosić V V. Idealne źródło napięcia wygeneruje prąd wymagany do tego, aby tak się stało. Jeśli jeden z węzłów zostanie uziemiony, natychmiast otrzymasz wartość w drugim węźle w systemie odniesienia. Jeśli żadna z tych węzłów dzieje się „ziemia”, a następnie trzeba będzie kilka innych połączeń w celu ustalenia wartości napięć na a i b w stosunku do ziemi.

Czasami ludzie mylą się z powodu wielu definicji tego słowa.

rzeczownik mielony

1. stała powierzchnia ziemi; twardy lub suchy ląd: upaść na ziemię
2. Często podstawy. podstawa lub podstawa, na której opiera się przekonanie lub działanie; powód lub przyczyna: podstawy do zwolnienia .

$6\cdot10^{24} kg$

Oczywiście Ziemia jest naprawdę duża. Nie wszystko ma ten sam potencjał. W rzeczywistości nawet nie blisko. Ogromne pole magnetyczne Ziemi nieustannie się zmienia i indukuje prądy na całej Ziemi. Inni ludzie utknęli na Ziemi we własnych prętach i wprowadzają prądy na Ziemię. Błyskawica porusza ogromny prąd na Ziemi. Ponieważ Ziemia nie jest doskonałym przewodnikiem, a zgodnie z prawem Ohma każdemu prądowi przez dowolny opór towarzyszy napięcie, potencjał między dwoma punktami na Ziemi nie jest taki sam, chyba że masz szczęście lub punkty są bardzo blisko siebie.

A jeśli kiedykolwiek operowałeś urządzeniem zasilanym bateryjnie, wiesz, że urządzenia elektroniczne mogą doskonale funkcjonować bez połączenia z Ziemią. Jednak te urządzenia mają uziemienie. Prawdopodobnie nie jest to sens gruntu, którego powinieneś użyć jako podstawy zrozumienia elektrycznego. Drugi sens, na którym opiera się wiara , jest prawdopodobnie lepszym początkiem.

$0V$$0V$

Więc co to jest napięcie ? Bardziej rygorystycznym terminem jest różnica potencjałów elektrycznych . Wszystkie trzy słowa są częścią zrozumienia napięcia. Elektryczność jest oczywista.

Co z potencjałem ? Potencjał ma określone znaczenie w fizyce. Potencjał energetyczny jest zdolność do pewnego układu rzeczy do zrobienia pracę . Na przykład ściśnięta sprężyna, rozciągnięty łuk lub wysokociśnieniowy zbiornik gazu mogą potencjalnie działać, jeśli zostaną zwolnione.

Wyobraź sobie piłkę na szczycie rampy. Jeśli piłka będzie mogła stoczyć się po pochylni, na dole będzie poruszać się dość szybko. Pozyskał tę energię kinetyczną z energii potencjalnej, którą miał na szczycie rampy. Gdyby nie było innych strat (na przykład tarcia), wówczas energia kinetyczna uzyskana przez piłkę jest równa energii potencjalnej, którą straciła, zgodnie z prawem zachowania energii .

To energia potencjalna . Wystarczy potencjał sama ma inną definicję: to energia potencjalna na jednostkę rzeczy w pewnym momencie w systemie. Oczywiście, masywna kula na szczycie rampy ma więcej energii potencjalnej niż mała kula na szczycie tej samej rampy. Dwie kule mają różne potencjalne energie na szczycie rampy, ale mają ten sam potencjał.

$J/kg$$J/C$

Wcześniej powiedzieliśmy, że napięcie jest różnicą potencjału elektrycznego . Jaka jest różnica ? Wyobraź sobie jeszcze raz naszą rampę. Jeśli przyjmiesz, że grawitacja jest równie silna w dowolnym miejscu na Ziemi (jest to tylko w przybliżeniu prawda , ale jest to uzasadnione uproszczenie dla wielu praktycznych inżynierii), to czy położenie rampy ma znaczenie? Może być w Dolinie Śmierci lub na Mount Everest : piłka po stoczeniu się po pochylni będzie miała na końcu tę samą energię kinetyczną. Potencjał na górze i na dole rampy jest nieistotny; ważna jest różnicaw potencjale między górą a dołem. Jeśli zakładamy, że pole grawitacyjne Ziemi jest takie samo, gdziekolwiek możemy wziąć tę rampę, to tylko wysokość rampy jest istotna.

$5V$$5V$

$8848 m$$8848m$ $237m$$21229 m$

$0V$$0m$$0$$0V$$0V$dopóki nie zdefiniujemy czegoś jako takiego. Zwykle jest to wszystko, na co zdecydujemy się przykleić symbol podłoża. Możemy umieścić go w dowolnym miejscu, ale zazwyczaj umieszczamy go w miejscu, w którym obliczenia są łatwiejsze, a dyskusja najprostsza.

Powiązane pytania:

• Czy napięcie to delta? Czy zawsze można to traktować jako potencjalną różnicę w stosunku do punktu odniesienia?
• Różnica między ujemnym zaciskiem a miedzianą masą?

Zobacz moją odpowiedź tutaj na temat tego, co to jest ziemia i jak termin „ziemia” jest używany w elektronice. Istotne części tej odpowiedzi są również istotne dla pytania tutaj.