Pojedynczy zacisk źródła napięcia podłączony do uziemienia

11

Jest to pytanie koncepcyjne, z którym nadal mam problem, kiedy zacząłem studiować elektronikę.

Powiedzmy, że mamy baterię, a jeden z jej zacisków jest podłączony bezpośrednio do ładnej łaty bardzo przewodzącej ziemi. Ponadto załóżmy, że potencjał baterii jest większy niż potencjał Ziemi. Teraz zdaję sobie sprawę, że nie jest to obwód zamknięty, ale dlaczego nie ładować przepływu z akumulatora na Ziemię? Czy nie istnieje potencjał elektryczny, który powinien spowodować, że ilość elektronów w akumulatorze zostanie wyczerpana lub przynajmniej zmniejszona do punktu, w którym potencjał elektryczny między Ziemią a baterią jest taki sam? Czy to nie ta sama zasada, która kryje się za wyładowaniami elektrostatycznymi (choć ten scenariusz nie sugeruje tak dużej różnicy potencjałów?)

Przeczytałem tutaj każdą inną odpowiedź na temat Electronics.stackexchange, która odnosi się do ziemi, i nadal nie jestem zadowolony.

voltage batteries ground

— MER
źródło

5

Jeśli dobrze rozumiem twoje pytanie, bateria nie jest wymagana do wykazania tego problemu. Powiedz, że masz jakiś obiekt z pewnym potencjałem . Następnie podłączasz go do innego potencjału. Czy płynie jakiś prąd? Powiedzmy, że to sześcian metalu i ma potencjał Ziemi plus jeden wolt. Następnie jest on nagle połączony z Ziemią:

schematyczny

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony przy użyciu CircuitLab}

Krótka odpowiedź: brak przepływu prądu. Nie ma obwodu do przepływu prądu.

Ale jest to przybliżenie, dokonane w celu uproszczenia analizy. Pomijamy ważny fakt: wszystko ma pewną pojemność do wszystkiego innego. Metalowa kostka jest jedną płytą kondensatora, a Ziemia drugą. Więc obwód jest w rzeczywistości taki:

schematyczny

^{zasymuluj ten obwód}

W takim przypadku, gdy V1 nagle osiągnie 0 V, przepłynie część prądu. Całkowity ładunek, który przepłynie, będzie zależeć od bardzo małej pojemnościMoże , jeśli nawet to. Wiemy, że pojemność razy razy pojemność jest ładunkiem: $C$ $1fF$

C V = Q

$CV = Q$

Zatem całkowity ładunek, który przepłynie, jeśli V1 wzrośnie z do , a wynosi wynosi: $1V$ $0V$ $C$ $1fF$

1 f F \cdot - 1 V = - 1 f C

$1fF \cdot -1V = -1fC$

Jest to bardzo mały ładunek, który nie ma znaczenia dla żadnego praktycznego obwodu.

Przepływający prąd jest funkcją szybkości zmian i pojemności , zgodnie z: $V_1$ $C$

I = C \frac{d v}{d t}

$I = C\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}$

Jak to się ma do ESD?

ESD jest tym, co dostajesz, gdy różnica potencjałów między dwiema rzeczami jest wystarczająco duża, aby rozbić izolację między tymi rzeczami. Zwykle izolacją jest powietrze. To, ile napięcia to wymaga, zależy od wielu czynników i nie jestem ekspertem, ale mówimy o różnicach mierzonych w kilowoltach.

Te wysokie napięcia są osiągalne właśnie dzięki bardzo małej pojemności między tobą a wszystkim innym. Przypomnijmy, że ponownie . Możemy zmienić to jako: $CV=Q$

V = \frac{Q}{C}

$V = \frac{Q}{C}$

Jeśli jest bardzo małe, wówczas bardzo mały ładunek może prowadzić do bardzo wysokiego napięcia. Kiedy przesuwasz się po dywanie, możesz przenosić tylko (metaforyczną) garść elektronów , ale to wystarczy, aby dość mocno zmienić napięcie w stosunku do otoczenia. $C$ $Q$

Kiedy mówimy o kilowoltach, a nie o wartości w przykładzie, jak poprzednio, ten nieznaczny prąd nie jest już tak nieznaczny. Wciąż niewielki, pamiętaj, ale zastosowany w tak krótkim czasie może uszkodzić wrażliwe urządzenia. $1V$

Być może najbardziej powszechnie uszkodzone urządzenie w dzisiejszych czasach jest brama tlenek izolacja w MOSFET , który jest tak cienka, to może mieć napięcie przebicia może z . Jeśli masz wystarczająco dużo ładunku, aby podnieść napięcie na tyle, aby pokonać stosunkowo silne powietrze wokół ciebie, wówczas kilka atomów dwutlenku krzemu może zatrzymać ten ładunek, podobnie jak mokra bibuła: $10V$

— Phil Frost
źródło

Zatem sposób, w jaki akumulator utrzymuje napięcie, utrzymuje stałe statyczne pola elektryczne w swojej strukturze, tak że całka liniowa jednostki przechodzącej przez ładunek od końca do końca jest zawsze taka sama? Ale co z wyładowaniem łukowym? W tym przypadku nie ma oczywistego obwodu zamkniętego, przynajmniej takiego, który widzę.

— MER

@Gigglelot tak. Zasadniczo ma to związek z potencjałami redoks substancji chemicznych w akumulatorze lub czymś innym, co jest stałe dla danej kombinacji chemikaliów lub czegoś takiego. Nie jestem chemikiem, więc nie wiem dokładnie, jak to działa. Ale myślę też, że źle zrozumiałem twoje pytanie, więc przepisałem je ponownie. Bardziej wnikliwy teraz?

— Phil Frost,

Ah-ha! Ta ostatnia edycja, której dokonałeś, jest dokładnie tym, czego szukałem! Uznałem, że mogło to być nieistotne, ale żaden z zasobów, które czytałem, nawet tego nie potwierdził.

— MER

1

@Gigglelot Rzeczywiście, prawdopodobnie nie znajdziesz tego w podręczniku elektroniki. Znajdziesz go jednak w źródłach fizyki. Istnieją źródła dotyczące robienia użytecznych rzeczy oraz źródła, które dokładnie opisują, jak rzeczy się faktycznie dzieją, ale niestety nigdy nie oba naraz w tym samym czasie :)

— Phil Frost

Ostatnie pytanie. Czytałem, że ESD od osoby może łatwo zniszczyć bardziej wrażliwe elementy. Czy zniszczenie wynika z „nieznacznego” ładunku, który przepływa zgodnie z powyższym scenariuszem, czy może dlatego, że palec jest tak duży i prawdopodobnie rozciąga się na obu końcach urządzenia, kończąc w ten sposób obwód?

— MER

1

Ponadto załóżmy, że potencjał baterii jest większy niż potencjał Ziemi.

Baterie nie są naładowane elektrycznie .

Jeśli jeden zacisk akumulatora jest podłączony do idealnej masy (idealny zlew do ładowania elektrycznego), a ładunek miałby wypłynąć z (lub do) tego zacisku do (z) ziemi, akumulator zostałby naładowany elektrycznie.

Ale zwiększyłoby to energię potencjalną systemu, a nie ją zmniejszyło . *

Innym sposobem na to jest to, że jeśli powiedzmy elektrony opuściłyby baterię, bateria byłaby naładowana dodatnio, co przyciągnęłoby elektrony z ziemi z powrotem do baterii .

* Może wystąpić niewielka redystrybucja ładunku w zależności od geometrii, która obniża energię układu.

— Alfred Centauri
źródło

Twój hipotetyczny scenariusz polegający na pozostawieniu ładunku tylko po to, by odpłynąć, jest bardzo objaśniający. Nadal jednak trudno mi pogodzić się z faktem, że akumulator nie ma ładunku netto, ale jednocześnie może dostarczyć napięcie. Jeśli istnieje różnica potencjałów elektrycznych między końcami akumulatora, czy nie oznacza to gradientu naładowania od końca do końca? Gradient sugeruje, że ładunek na jednym końcu będzie bardziej dodatni / ujemny niż ładunek na drugim końcu, więc przypuszczam, że widzę, że ładunek netto wynosi zero, ale lokalna pochodna pola wykazywałaby ładunek netto.

— MER

@Gigglelot, bateria, poprzez reakcję chemiczną, oddziela ładunek elektryczny, usuwając elektrony z jednego terminala i dodając elektrony do drugiego. Gdy do akumulatora podłączony jest obwód zewnętrzny (ścieżka zamknięta), reakcja chemiczna może przebiegać, ponieważ oddzielny ładunek przepływa z jednego zacisku do drugiego przez ten obwód. Jeśli nie ma obwodu zewnętrznego, wszelkie ładunki przepływające z lub do akumulatora pozostawiają akumulator z ładunkiem elektrycznym netto.

— Alfred Centauri

1

Czy to nie ta sama zasada, która kryje się za wyładowaniami elektrostatycznymi (choć ten scenariusz nie sugeruje tak dużej różnicy potencjałów?)

Wyładowanie elektrostatyczne może nastąpić tylko wtedy, gdy istnieje wystarczający potencjał przebicia się przez barierę narzuconą przez powietrze (lub próżnię lub inny gaz).

Oto wyjaśnienie prawa Paschena. Odnosi się to do wymaganego napięcia końcowego w porównaniu do „przerwy” między zaciskami dla łuku elektrycznego, aby spowodować przepływ prądu przy różnych ciśnieniach gazu:

wprowadź opis zdjęcia tutaj

Należy pamiętać, że jeśli bateria jest poniżej 100 V, nawet przy optymalnym ciśnieniu dla najbardziej optymalnego gazu (argonu) trudno byłoby uzyskać przepływ prądu. Jeśli jednak zaciski akumulatora zostały ukształtowane optymalnie, istnieje większe prawdopodobieństwo, że prąd zacznie płynąć. Nie zamierzam zejść tą drogą w tej odpowiedzi, chyba że o to poproszę.

Nie ma znaczenia, czy bateria jest uziemiona na jednym zacisku, czy nie - to różnica potencjałów (inaczej napięcie) na baterii określa, czy rozładowuje się przez powietrze / gaz / próżnię.

— Andy aka
źródło

0

To pytanie jest takie samo jak moje, kiedy zaczynam studiować elektronikę.

Ponadto załóżmy, że potencjał akumulatora jest większy niż potencjał Ziemi, dlaczego nie ma przepływu prądu, gdy podłączymy pojedynczy zacisk akumulatora do ziemi?

Prosta odpowiedź, ponieważ akumulator jest ogniwem galwanicznym, które wymaga reakcji chemicznej, aby umożliwić przepływ prądu z jego zacisków. Bez połączenia z zaciskami + i - nie płynie tam prąd.

Bateria nie jest jak błyskawica, która ma inny potencjał ( napięcie nieba ) między powietrzem a ziemią (ziemia, ziemia).

— zynskav
źródło

0

Akumulator nie ma ładunku sieciowego. Nawet w obwodzie zamkniętym ładunek netto akumulatora wynosi zero. Jednak gdy akumulator jest podłączony do obwodu zamkniętego, co oznacza, że między zaciskami (+) i (-) akumulatora została ustalona ścieżka przewodząca, ładunki są pompowane przez ścieżkę przewodzącą między zaciskami baterii, ponieważ istnieje potencjał różnica między zaciskami.

Podłączenie pojedynczego zacisku zwykłej baterii do przewodzącego brudu ziemi byłoby tym samym, co podłączenie obiektu przewodzącego, który nie ma ładunku netto do ziemi; nic się nie dzieje. Podłączenie tylko jednego terminala do uziemienia jest tym samym, co przechowywanie akumulatora w drewnianej szufladzie (z wyjątkiem pozostawienia terminala w ziemi prawdopodobnie go skoroduje)

Jeśli miałbyś podłączyć oba zaciski do przewodzącego brudu w ziemi, to ukończyłeś obwód i ładunek przepłynie przez ziemię między zaciskami akumulatora.

Jeśli powiesz, że masz akumulator o różnicy potencjałów 3000 V między jego zaciskami i podłączyłeś jeden zacisk do przewodzącego brudu ziemi i utrzymałeś maksymalną szczelinę powietrzną wynoszącą 1 mm między drugim zaciskiem a ziemią, powietrze najprawdopodobniej pęknie i dokończy obwód (zacisk akumulatora, ziemia, zjonizowane powietrze, inny zacisk akumulatora), umożliwiając przepływ prądu między zaciskami akumulatora.

— E Riachi
źródło