¿Qué es el suelo y qué hace?

Estoy un poco confundido sobre el concepto de tierra, y tal vez el voltaje también, particularmente cuando intento analizar un circuito. Cuando aprendí sobre la ley de Ohm en la escuela primaria, aprendí cómo aplicar la ley para calcular la corriente, el voltaje y la resistencia de los circuitos simples.

Por ejemplo, si nos dieran el siguiente circuito:

Se nos podría pedir que calculemos la corriente que pasa por el circuito. En ese momento, simplemente calcularía (según las reglas dadas) 1.5V / 1Ohms = 1.5A.

Más tarde, sin embargo, aprendí que la razón por la cual el voltaje de la resistencia sería 1.5V es porque el voltaje es realmente la diferencia de potencial entre dos puntos, y que la diferencia del voltaje a través de la batería sería la misma que la del resistencia (corríjame si me equivoco), o 1.5V. Sin embargo, me confundí después de la introducción del concepto de suelo.

La primera vez que intenté hacer el cálculo actual para un circuito similar al circuito anterior en un simulador, el programa se quejó de no tener una tierra y "fuentes de voltaje flotante". Después de un poco de búsqueda, aprendí que los circuitos necesitan tierra como punto de referencia o por razones de seguridad. En una explicación se mencionó que se puede elegir cualquier nodo para tierra, aunque es costumbre diseñar circuitos para que haya un "lugar fácil" para tierra.

Así para este circuito

Elegí tierra en la parte inferior, pero ¿estaría bien elegir tierra entre la resistencia de 7 ohmios y 2 ohmios, o en cualquier otro lugar? ¿Y cuál sería la diferencia al analizar el circuito?

He leído que hay 3 símbolos de tierra típicos con diferentes significados: tierra del chasis, tierra física y tierra de señal. Muchos de los circuitos que he visto usar en ejercicios usan tierra física o tierra de señal. ¿Qué propósito hay en el uso de la tierra? ¿A qué está conectada la tierra de la señal?

Otra pregunta: dado que la tierra tiene un potencial desconocido, ¿no habría corriente fluyendo hacia o desde la tierra al circuito? Por lo que he leído, tratamos la tierra como 0V, pero ¿no habría algún tipo de efecto debido a una diferencia en el potencial del circuito y la tierra? ¿El efecto sería diferente dependiendo de qué terreno se utilizó?

Finalmente: en el análisis nodal, uno habitualmente toma tierra en el terminal negativo de la batería. Sin embargo, cuando hay múltiples fuentes de voltaje, algunas de ellas están "flotando". ¿Qué significado tiene el voltaje de una fuente de voltaje flotante?

La primera vez que intenté hacer el cálculo actual para un circuito similar al circuito anterior en un simulador, el programa se quejó de no tener una tierra y "fuentes de voltaje flotante".

Su simulador quiere poder hacer sus cálculos e informar los voltajes de cada nodo en relación con alguna referencia, en lugar de tener que informar la diferencia entre cada posible par de nodos. Necesita que le diga qué nodo es el nodo de referencia.

Aparte de eso, para un circuito bien diseñado, el "terreno" no tiene importancia en la simulación. Sin embargo, si diseña un circuito donde no hay una ruta de CC entre dos nodos, el circuito será insoluble. Los simuladores típicos similares a SPICE resuelven esto conectando resistencias adicionales, típicamente 1 GOhm, entre cada nodo y tierra, por lo que es concebible que la elección del nodo de tierra pueda afectar artificialmente los resultados de una simulación de un circuito de muy alta impedancia.

Elegí tierra en la parte inferior, pero ¿estaría bien elegir tierra entre la resistencia de 7 ohmios y 2 ohmios, o en cualquier otro lugar? ¿Y cuál sería la diferencia al analizar el circuito?

Puede elegir cualquier nodo como base de referencia. A menudo pensamos con anticipación y elegimos un nodo que eliminará los términos de las ecuaciones (estableciéndolas iguales a 0), o simplificamos el esquema (al permitirnos indicar conexiones a través de un símbolo de tierra en lugar de por un montón de líneas conectadas entre sí).

He leído que hay 3 símbolos de tierra típicos con diferentes significados: tierra del chasis, tierra física y tierra de señal. Muchos de los circuitos que he visto utilizados en ejercicios usan tierra física o tierra de señal. ¿Qué propósito hay en el uso de la tierra? ¿A qué está conectada la tierra de la señal?

La tierra física se usa para indicar una conexión a algo que está físicamente conectado a la tierra debajo de nuestros pies. Un cable que atraviesa el edificio hasta una barra de cobre clavada en el suelo, en un caso típico. Este terreno se utiliza con fines de seguridad. Asumimos que alguien que maneja nuestro equipo estará conectado a algo como la tierra por sus pies. Por lo tanto, la tierra es el nodo de circuito más seguro para que toquen, ya que no conducirá corrientes a través de su cuerpo.

La conexión a tierra del chasis es solo el potencial de la carcasa o el recinto de su circuito. Por razones de seguridad, a menudo es mejor que esto esté conectado a tierra. Pero llamarlo "chasis" en lugar de "tierra" significa que no ha asumido que está conectado.

La tierra de la señal a menudo se distingue de la tierra (y está parcialmente aislada de ella) para minimizar la posibilidad de que las corrientes que fluyen a través de los cables de tierra perturben las mediciones de las señales importantes.

Otra pregunta: dado que la tierra tiene un potencial desconocido, ¿no habría corriente fluyendo hacia o desde la tierra al circuito?

Recuerde, se requiere un circuito completo para que la corriente fluya. Necesitaría conexiones a tierra en dos lugares para que la corriente fluya dentro y fuera de su circuito desde la tierra. Siendo realistas, también necesitarías algún tipo de fuente de voltaje (una batería, una antena o algo) en una de esas rutas de conexión para tener un flujo sostenido de ida y vuelta entre tu circuito y la tierra.

Sin embargo, cuando hay múltiples fuentes de voltaje, algunas de ellas están "flotando". ¿Qué significado tiene el voltaje de una fuente de voltaje flotante?

Si tengo una fuente de voltaje con valor V entre los nodos a y b , significa que la diferencia de voltaje entre a y b será V voltios. Una fuente de voltaje perfecta generará la corriente necesaria para que esto suceda. Si uno de los nodos está conectado a tierra, eso le da inmediatamente el valor en el otro nodo en su sistema de referencia. Si ninguno de estos nodos pasa a ser "tierra", entonces necesitará algunas otras conexiones para establecer el valor de las tensiones en una y B con respecto a tierra.

A veces las personas se confunden solo por las muchas definiciones de la palabra.

planta
sustantivo

1. la superficie sólida de la tierra; tierra firme o seca: caer al suelo
2. A menudo, motivos. la base o base sobre la cual descansa una creencia o acción; motivo o causa: motivo de despido .

En el contexto de la electrónica, a veces tierra significa el sentido 1 anterior. La Tierra es, después de todo, aproximadamente una bola de hierro de . Como todo lo demás, existe con algún potencial eléctrico , y si pega una varilla conductora larga en la Tierra, puede hacer que otras cosas se conecten a esa varilla con aproximadamente el mismo potencial:$6\cdot10^{24} kg$

Por supuesto, la Tierra es realmente grande. No todo tiene el mismo potencial. De hecho, ni siquiera cerca. El enorme campo magnético de la Tierra está cambiando constantemente e induce corrientes en toda la Tierra. Otras personas tienen sus propias barras atrapadas en la Tierra y ponen corrientes en la Tierra. Un rayo mueve una tremenda corriente en la Tierra. Dado que la Tierra no es un conductor perfecto, y según la ley de Ohm, cualquier corriente a través de cualquier resistencia puede ir acompañada de un voltaje, el potencial entre dos puntos en la Tierra no es el mismo, a menos que tenga suerte, o los puntos están muy cerca uno del otro.

Y, si alguna vez ha operado un dispositivo alimentado por batería, sabe que los dispositivos electrónicos pueden funcionar perfectamente sin una conexión a la Tierra. Sin embargo, estos dispositivos tienen una base. Por lo tanto, este no es el sentido de la tierra que debe usar para su comprensión eléctrica. El otro sentido, la base sobre la cual descansa una creencia , es probablemente un mejor comienzo.

Es una observación muy astuta que su confusión también involucra voltaje. Tierra es, simplemente, . Pero para entender lo que esto realmente significa, uno realmente debe entender el voltaje. Muchas personas caen en la trampa de pensar que como la tierra es , entonces la tierra es donde no hay voltaje. Por lo tanto, debe haber voltaje en cualquier otro lugar. Pero, una vez que entiendes el voltaje, ves que esto no puede ser cierto.0 $0V$$0V$

Entonces, ¿ qué es el voltaje ? El término más riguroso para ello es la diferencia de potencial eléctrico . Las tres palabras son parte de la comprensión del voltaje. Eléctrico es obvio.

¿Qué pasa con el potencial ? El potencial tiene un significado específico en física. La energía potencial es la capacidad de algún arreglo de cosas para hacer el trabajo . Por ejemplo, un resorte comprimido, un arco estirado o un tanque de gas a alta presión tienen el potencial de hacer trabajo, si se libera.

Imagine una pelota en la parte superior de una rampa. Si se permite que la pelota ruede por la rampa, en la parte inferior, se moverá bastante rápido. Adquirió esta energía cinética de la energía potencial que tenía en la parte superior de la rampa. Si no hubo otras pérdidas (fricción, por ejemplo), entonces la energía cinética obtenida por la pelota es igual a la energía potencial que perdió, según la ley de conservación de la energía .

Esa es la energía potencial . El potencial en sí mismo tiene una definición diferente: es energía potencial por unidad de material en algún punto de un sistema. Obviamente, una bola masiva en la parte superior de la rampa tiene más energía potencial que una bola pequeña en la parte superior de la misma rampa. Entonces, las dos bolas tienen diferentes energías potenciales en la parte superior de la rampa, pero tienen el mismo potencial.

El tipo de cosas relevantes depende del tipo de potencial. Para los campos de gravedad, el material es masa. Para campos eléctricos, el material es carga . La energía potencial se mide en julios . El potencial gravitacional se mide en . El potencial eléctrico se mediría en julios por culombio ( ), que en realidad es exactamente la definición del voltio .J /$J/kg$$J/C$

Así que anteriormente dijimos que el voltaje es la diferencia de potencial eléctrico . ¿Cuál es la diferencia ? Imagina de nuevo nuestra rampa. Si supone que la gravedad es igualmente fuerte en cualquier lugar de la Tierra (esto es solo aproximadamente cierto , pero es una suposición simplificadora válida para mucha ingeniería práctica), entonces ¿importa la ubicación de la rampa? Podría ser en Death Valley o en el Monte Everest : la pelota, después de rodar por la rampa, tendrá al final la misma energía cinética. El potencial en la parte superior e inferior de la rampa es irrelevante; lo importante es la diferenciaen potencial entre la parte superior y la inferior. Si suponemos que el campo de gravedad de la Tierra es el mismo donde sea que tomemos esta rampa, entonces solo la altura de la rampa es relevante.

Entonces, dado que el voltaje es una diferencia , necesitamos dos puntos para tener un voltaje. Si decimos que algún nodo en un circuito es de , entonces estamos diciendo que es más que en cualquier otro punto. La base es ese otro punto, a menos que el contexto diga lo contrario.5 $5V$$5V$

Una convención similar existe con la altura. Si digo la altura del monte. Everest es , se asume que quiero decir su altura es de más el nivel del mar . También puedo anular esta referencia con contexto explícito. Por ejemplo, puedo decir Mt. El Everest es más alto que K2 . La referencia predeterminada también puede cambiar. Por ejemplo, si digo que Olympus Mons tiene , probablemente no asumas que está por encima del nivel del mar, sino un dato equivalente en Marte. No hay referencia universal para la elevación.8848 m 237 m 21229 $8848 m$$8848m$ $237m$$21229 m$

Esta es la razón por la cual el suelo es , así como el nivel del mar es . No es que el suelo no tenga voltaje, o el nivel del mar no tenga elevación: es que estas cosas son diferencias , y la diferencia entre una cosa y sí mismo es . Por lo tanto, no hay magia sobre el suelo . No hacer nada. Es solo un nodo en el circuito, como cualquier otro. Es solo por definición que también es , y esta definición existe solo como una convención para simplificar nuestra discusión de un circuito. No hay tierra universal o0 m 0 0 V 0 $0V$$0m$$0$$0V$$0V$hasta que definamos algo como tal. Por lo general, es lo que sea que decidamos colocar el símbolo del suelo. Podemos ponerlo en cualquier lugar que queramos, pero generalmente lo ponemos donde facilita los cálculos y la discusión es más simple.

Preguntas relacionadas:

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Vea mi respuesta aquí sobre qué es la tierra y cómo se usa el término "tierra" en electrónica. Partes importantes de esa respuesta también son relevantes para la pregunta aquí.