Czy obwód może być zasilany z Ziemi za pomocą masy powrotnej na Marsie?

Czy możesz użyć gorącego drutu (120 V 60 Hz) z ziemi i miedzianego pręta włożonego do innego ciała pozaziemskiego (Marsa), aby ukończyć obwód? Jeśli impedancja nie była czymś, o co należy się martwić (udawaj, że Mars jest tylko milę czy coś takiego).

Pytałem o to wcześniej w innych miejscach i otrzymałem kilka naprawdę sprzecznych odpowiedzi.

Zależy to od napięcia między Marsem a Ziemią, którego nie znamy. Jest mało prawdopodobne, że napięcie to wynosi 0 i może być ogromne. Twój obwód otrzymałby napięcie mniej więcej tej samej wielkości, co spowodowałoby prawdopodobnie spektakularną awarię twojego międzyplanetarnego tostera.

Oczyszczanie powietrza

Pomysł „aby prąd płynął, musi istnieć połączenie z ziemią”, jest powszechny i ​​jest całkowicie fałszywy . Gdyby błędne przekonanie było prawdziwe, obwody w samolotach i satelitach nie działałyby, ponieważ nie ma połączenia z ziemią. Jest oczywiste, że takie układy zrobić pracę, i że połączenie z ziemią jest całkowicie zbędne dla niektórych obwodów, aby funkcjonować poprawnie. Błędne przekonanie wynika z koncepcji uziemienia , ale pamiętaj, że uziemienie jest po prostu napięciem odniesienia. Nie musi to być Ziemia. Może to być Mars lub inny potencjał elektryczny.

Po drugie, aby prąd płynął, obwód nie musi tworzyć fizycznie zamkniętej pętli . Jeśli punkt A jest na a punkt B na , nie muszą być fizycznie połączone, aby ta właściwość była prawdziwa. Kiedy podłączymy rezystor między punktem A i punktem B, prąd z B do A wyniesie , zgodnie z prawem Ohma . Czasami jest to pomocne symbolicznieV b I B A = V b / R 0 V V m a r $0V$$V_b$$I_{BA} = V_b/R$podłącz każdy element do napięcia odniesienia do ziemi. W ten sposób możemy myśleć o ziemi podłączonej do punktu A i podłączonej do źródła napięcia, które łączy się z punktem B. W tym przypadku dwa punkty nadal nie muszą być fizycznie połączone, ale można je uznać za symbolicznie połączone. W tych ramach pomyśl o Ziemi jako punkcie A, z naszym napięciem odniesienia , a Marsie jako punkcie B o nieznanym napięciu, .$0V$$V_{mars}$

Hooking with Mars

Powiedzmy, że możemy wykonać niemal idealne połączenia elektryczne z dowolnym miejscem (przypuśćmy, że mamy przydatny mały portal). Prawa fizyczne rządzące elektrycznością są wszędzie takie same we wszechświecie. Co się stanie, gdy podłączysz swój obwód do ziemi w skorupie marsjańskiej za pomocą tego portalu? Właściwie to zależy, czym jest :$V_{mars}$

Przypadek 1 ,$V_{mars} \approx V_{earth} = 0V$

W takim przypadku Twój obwód działa idealnie normalnie. Twój obwód nie ma pojęcia, że ​​jest podłączony do Marsa, a nie do Ziemi, ponieważ mają one w przybliżeniu ten sam potencjał elektryczny.

Przypadek 2 , lubV m a r s ≪ V e a r t h = 0 $V_{mars} \gg V_{earth} = 0V$$V_{mars} \ll V_{earth} = 0V$

W przypadku, gdy napięcie Marsa różni się znacznie od napięcia Ziemi, prąd z pewnością nadal płynie, ale twój obwód może nie zachowywać się tak, jak się spodziewasz. Może to spowodować uszkodzenie bezpiecznika, spawanie łukowe wszystkiego w pobliżu lub po prostu odparowanie naszego odważnego małego tostera, w zależności od tego, jak ogromny jest .$V_{mars}$

Napięcie między Marsem a Ziemią

Naprawdę nie wiemy, czym byłby , ponieważ nie znamy ładunku netto Ziemi lub Marsa. Jest artykuł „ Dyskusja na temat ładunku elektrycznego netto Ziemi ”, który daje nam kilka wskazówek:$V_{mars}$

... zintegrowany przez wystarczająco długi czas, prąd netto do lub z ziemi musi wynosić zero. Gdyby tak nie było, potencjał Ziemi wzrósłby do takiej wielkości, że żadna siła nie mogłaby „wystrzelić” więcej ładunków w górę potencjalnego nachylenia - a po osiągnięciu tego stanu prąd netto rzeczywiście wynosiłby zero. To jest równowaga dynamiczna.

Trudno jest rozwiązać problem ładunku netto na stałej (i płynnej) ziemi (tj. Kuli ziemskiej), wychodząc z faktu, że prąd do tego ciała wynosi zero (zawsze lub średnio przez długi czas); nawet w ramach „klasycznego obrazu elektryczności atmosferycznej”. Wydaje się, że nie ma praktycznej metody jej pomiaru.

Zasadniczo możemy założyć, że Ziemia i Mars osiągnęły swoje odpowiednie ładunki równowagowe, ale nie mamy możliwości dowiedzenia się, czy ładunki te są dodatnie, neutralne, ujemne czy jakie są ich wielkości netto. Ponieważ nie znamy ładunków netto odpowiednich planet, nie możemy oszacować napięcia między nimi.

Myślę, że odpowiedź brzmi tak, choć nie z powodów, które sądzisz.

Istnieje kilka praktycznych problemów, nawet jeśli sięgniesz do swojego zestawu sztuczek SF i wyciągniesz 400 milionów km niezniszczalnego kabla.

Pierwszym z nich jest „wiatr słoneczny”: strumień szybkich elektrycznie naładowanych cząstek ze Słońca. Będzie to składać się z wolnych elektronów i protonów. Wpływają na nie pole magnetyczne Ziemi; ich wejście do atmosfery powoduje zorze polarne, takie jak zorza polarna. Wpływ wiatru słonecznego może spowodować, że ładunek netto Ziemi lub Marsa nie będzie wynosił zero. Może to spowodować bardzo duże wyładowanie podobne do błyskawicy podczas podłączania przewodu. Zobacz np. To pytanie.

Drut jest również przewodnikiem poruszającym się w polu magnetycznym słońca, które zatem indukuje prąd, nawet jeśli jest uziemiony (zmasowany?) Na obu końcach. Biorąc pod uwagę jego długość, może być duża.

Jest to również antena, więc wychwytuje zakłócenia RF RF.

Załóżmy, że ignorujemy je wszystkie. W grę wchodzi jeszcze inny efekt. Długość fali 50 Hz wynosi tylko 6000 km, więc twój kabel będzie działał jako linia transmisyjna. W dowolnym punkcie prąd będzie płynął tam iz powrotem.

Możesz modelować ją jako bardzo, bardzo dużą antenę jednobiegunową z nieprzewodzącą kulą na końcu, jak antenę samochodową z założoną piłką pingpongową. Zakładając, że masz źródło zasilania wystarczająco duże, aby przezwyciężyć straty rezystancyjne w przewodzie, możesz po prostu połączyć urządzenie AC i będzie działać. Prawdopodobnie będziesz potrzebować znacznie więcej niż 120 V po stronie napędowej, aby osiągnąć 120 V na środku drutu, nawet jeśli twój kabel jest nadprzewodzący.

Oba ciała utworzyłyby kondensator (bardzo, bardzo mały), więc obwód byłby rzeczywiście zamknięty, a prąd (bardzo bardzo mały) mógłby płynąć.

To teoretycznie poprawna odpowiedź. W praktyce prąd byłby tak mały dla prawie wszystkich praktycznych celów, że moglibyśmy go nazwać zero.

Do wszystkich celów i celów nie.

Połączenia „ziemskie” działają z tego powodu, że wszystkie pręty ziemne umieszczone w ziemi jednej planety są skutecznie połączone razem przez skorupę planety. Połączenie niekoniecznie jest idealne (np. 0 Ω, ale ma dość niską impedancję).

Ponieważ Ziemia i Mars są elektrycznie odizolowane od siebie przez wiele milionów kilometrów bardzo twardej próżni, nie byłoby drogi, przez którą mógłby powrócić prąd. Jako taki, skończyłbyś z czymś, co działało bardzo podobnie jak kondensator, jak powiedział Wouter van Ooijen.

Zależy to od masy zwrotnej lub od pytania, czy ukończysz obwód, używając słów z pytania.

Zagmatwaną częścią twojego zdjęcia jest generator prądu przemiennego: jest pokazany bez dwóch terminali i otoczony ekwipotencjalnymi wodami Oceanu Atlantyckiego. Dlatego cały prąd, który tworzy, pozostanie na Oceanie. Kolejnym potencjalnie (zamierzonym słowem) mylącym szczegółem twojego pytania jest symbol ziemi / ziemi na Marsie i podejrzewam, że to jest przyczyna twoich problemów. Tak więc ...

Wykorzystałem swobodę zmiany konfiguracji, używając tylko jednego obrazu generatora, z dwoma terminalami. Jeden koniec generatora jest podłączony do Ziemi (ⴲ), drugi idzie do żarówki, a stamtąd na Marsa (♂), wraz ze wspomnianym miedzianym prętem. Należy pamiętać, że żarówka pozostaje wyłączona („wyłączona”).

Jeśli chcesz płynąć prąd i świeci żarówka, potrzebujesz drutu powrotnego , zamykając obwód w następujący sposób:

Na obwód do pracy, nie trzeba niczego być uziemione lub uziemione , czego potrzebujemy, to cały układ, gdzie prąd może płynąć w pętli. Dla zabawy, użyjmy symbol ziemia / gruntowych arbitralnie i utworzyć jeden obwód, który jest Praca z uziemieniem i jeden to Marsed . Zauważ, że jest to tylko dodatkowy symbol używany według naszego uznania, aby uzyskać wspólne odniesienie do całej rzeczy - nie jest to coś, czego potrzebujemy do działania obwodu.

To, czego naprawdę potrzebowaliśmy, aby obwód zadziałał, to przewód powrotny z Marsa na Ziemię. Ten drut powrotny faktycznie stwarza Mars i Ziemię na tym samym potencjale, więc możemy nawet uznać Ziemię za zmasowaną, a Mars za uziemioną - to wciąż ten sam układ, bez względu na to, czy użyjemy żadnego, jednego lub dwóch symboli Ziemia / Ziemia:

Teraz może pozostać jeszcze jedno pytanie: co się stanie, jeśli użyjemy symbolu uziemienia na pierwszym zdjęciu, tego bez drutu powrotnego? Lubię to:

Albo to:

Cóż, żarówka pozostaje wyłączona. Znowu: To nie jest symbol, ale potrzebny jest przewód powrotny i nie mamy go na żadnym z dwóch ostatnich zdjęć.

Hmmm ... Jeśli obwód tak naprawdę nie dba o symbol Ziemi / Ziemi, dlaczego jest tak często używany przez tak wielu? Jaki jest sens?

Spójrz na to:

Żarówka jest włączona, ale brakuje łącza zwrotnego. Jest to możliwe, ponieważ przy użyciu magii symbolu uziemienia wszystkie części schematu obwodu, które są dołączone do symbolu uziemienia, są uważane za połączone, nawet jeśli nikt nie poświęcił czasu na narysowanie przewodów łączących wszystkie uziemione bity obwodu .

Wszystkie są takie same, używając innej notacji:

Symbol ziemia / ziemia jest tak przydatny, że często go używamy, a kiedy jesteśmy niechlujni, czasami nawet nie zwracamy uwagi na prawidłowe nazwanie go ziemią lub ziemią. Ściśle mówiąc, obwód uziemiony jest podłączony do uziemienia lub uziemienia bezpieczeństwa (dosłownie: duży pręt obok domu lub ogrodu, wbity w uziemienie), a obwód uziemiający można podłączyć do (-) końca urządzenia zasilanego bateryjnie , bez faktycznego połączenia z prawdziwą ziemią. Jest to mylące, ale to żargon i wszyscy go używają.

Uzbrojony w tę wiedzę możesz dowiedzieć się, dlaczego jest to zabawne ( źródło obrazu ) ...

• Uwaga (1): Użyłem symboli astronomicznych (ⴲ, ♂) z jakiegoś powodu. Czyniąc to, mogłem swobodnie używać elektrycznego symbolu Ziemi na każdej planecie.

• Uwaga (2): Generatorem prądu przemiennego może być również bateria prądu stałego. Aby zrozumieć tę konfigurację, możesz pomyśleć o źródle prądu przemiennego, tak jak o baterii odwróconej 50 lub 60 razy na sekundę (w zależności od norm krajowych). Aby wyjaśnić, dlaczego prąd stały nie działa dobrze na ziemi i w ziemi, bez fizycznego drutu powrotnego, wykonanego z metalu, na początek rozważ elektrolizę i wilgoć w ziemi, na początek ... To jest cała „inna historia…”

Lepiej porzucić słowo „ziemia”. Jeden węzeł obwodu jest uziemiony, a drugi zmasowany. Są to odrębne podstawy.

Nie musimy chodzić w kosmos, aby tworzyć odłączone tereny. Na poniższym schemacie V1 dostarcza 120 VRMS przy częstotliwości 60 Hz, a XFMR1 i XFMR2 są transformatorami izolacyjnymi 1: 1. Każdy z nich tworzy własną domenę elektryczną, w której węzeł można zidentyfikować jako uziemienie, a drugi jako „gorący”. Prąd nie może płynąć z „gorącej” w jednej dziedzinie, a ziemi w drugiej, z powodu braku pełnego obwodu, a zatem lampa nie może świecić.

^{symulacja tego obwodu - Schemat utworzony za pomocą CircuitLab}

Niestety nigdy nie byłem na Marsie, więc nie ma sposobu na przetestowanie tej teorii. 120 V 60 Hz z generatora jest kalibrowany z ziemi. Innymi słowy, używamy ładunku Ziemi jako zerowego odniesienia. Odniesieniem może być analogia prędkości. Na przykład, jak szybko się poruszasz? To zależy od tego, do czego to porównujesz: jesteś punktem wyjścia; środek ziemi; słońce; centrum galaktyki; lub osoba obok ciebie w wyścigu. Postuluję, że napięcie do ziemi to to samo. Napięcie netto dla uziemionego obwodu wynosiłoby więc 120 V +/- różnica ładunku między Ziemią a Marsem. Gdybym był w stanie, przetestowałbym tę teorię, mierząc napięcie uziemionego obwodu na Marsie ze znanym źródłem napięcia. Ponieważ została skalibrowana do Ziemi, różnica definiowałaby ładunek Mar względem Ziemi.

Problem polega na tym, że rysunek, który prezentujesz, nie zawiera zamkniętej pętli, więc nie powinien płynąć prąd.

Jest to jednak możliwe w niektórych przypadkach:

1. możesz nałożyć ładunek na Ziemię, a prąd będzie płynął, dopóki ładunki dwóch planet nie będą równe, na przykład możesz wziąć kilka elektronów z Marsa i wysłać je na Ziemię,

2. jeśli używasz prądu przemiennego, występuje między nimi pojemność (patrz odpowiedź Woutera van Ooijena ), która zamyka pętlę,

3. jeśli ładunek Ziemi jest różny od zera (przypadek 1), wokół niego znajduje się pole magnetyczne, które obraca się wokół Słońca, które (w jakiś sposób) może być użyte do indukowania napięcia między planetami. Nie wyobrażam sobie, jak można to kontrolować.

Moja odpowiedź brzmi: tak - jest to możliwe, ale w tej chwili tylko teoretycznie.