Terminal único de fuente de voltaje conectado a tierra

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Esta es una pregunta conceptual con la que sigo luchando mientras empiezo a estudiar electrónica.

Digamos que tenemos una batería, y uno de sus terminales está conectado directamente a un buen parche de tierra altamente conductiva. Además, suponga que el potencial de la batería es mayor que el de la Tierra. Ahora me doy cuenta de que este no es un circuito cerrado, pero ¿por qué no cargar el flujo de la batería a la Tierra? ¿No existe un potencial eléctrico que pueda causar que la cantidad de electrones en la batería se drene o al menos disminuya hasta el punto en que el potencial eléctrico entre la Tierra y la batería sea el mismo? ¿No es este el mismo principio que está detrás de la descarga electrostática (aunque este escenario no implica una diferencia de potencial tan grande?)

He leído todas las respuestas aquí en electronics.stackexchange que hacen referencia al terreno, y todavía no estoy satisfecho.

voltage batteries ground

— MER
fuente

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Si entiendo su pregunta correctamente, no se requiere una batería para demostrar este problema. Digamos que tiene algún objeto, con algún potencial . Luego, lo conecta a algún otro potencial. ¿Fluye algo de corriente? Digamos que es un cubo de metal, y está en el potencial de la Tierra, más un voltio. Entonces, de repente está conectado a la Tierra:

esquemático

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Respuesta corta: no hay flujos de corriente. No hay circuito para que fluya la corriente.

Pero esta es una aproximación, hecha para simplificar el análisis. Estamos descuidando un hecho importante: todo tiene cierta capacidad para todo lo demás. El cubo de metal es una placa del condensador, y la Tierra es la otra. Entonces el circuito es realmente esto:

esquemático

^{simular este circuito}

En este caso, cuando V1 de repente se convierte en 0V, fluirá algo de corriente. La carga total que fluirá dependerá de la capacitancia , que es muy pequeña. Tal vez , incluso si eso. Sabemos que la capacitancia multiplicada por el voltaje es la carga: $C$ $1fF$

C V = Q

$CV = Q$

$1V$ $0V$ $C$ $1fF$

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

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

Esta es una carga muy pequeña, mucho más que insignificante para cualquier circuito práctico.

$V_1$ $C$

yo = C \frac{re v}{re t}

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

Entonces, ¿cómo se relaciona esto con la ESD?

ESD es lo que obtienes cuando la diferencia de potencial entre dos cosas es lo suficientemente grande como para romper el aislamiento entre esas cosas. Por lo general, ese aislamiento es aire. La cantidad de voltaje que esto requiere depende de muchos factores, y apenas soy un experto, pero estamos hablando de diferencias medidas en kilovoltios.

$CV=Q$

V = \frac{Q}{C}

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

$C$ $Q$

$1V$

$10V$

— Phil Frost
fuente

Entonces, ¿la forma en que una batería mantiene su voltaje es manteniendo constantes los campos eléctricos estáticos dentro de su estructura de modo que la línea integral de una unidad de carga que atraviesa de extremo a extremo sea siempre la misma? Pero, ¿qué pasa con una descarga de arco? No hay un circuito cerrado obvio en ese caso, al menos no uno que pueda ver.

— MER

@Gigglelot sí. Básicamente tiene que ver con los potenciales redox de los productos químicos en la batería o algo, que es constante para una combinación dada de productos químicos, o algo así. No soy químico, así que no sé exactamente cómo funciona. Pero también, creo que entendí mal su pregunta, así que la reescribí. ¿Más perspicaz ahora?

— Phil Frost

Ah-ha! ¡Esa edición reciente que hiciste es exactamente lo que estaba buscando! Pensé que podría haber sido insignificante, pero ninguno de los recursos que había estado leyendo lo reconoció.

— MER

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@Gigglelot De hecho, probablemente no encontrarás esto en un libro de texto de electrónica. Sin embargo, lo encontrará en fuentes de física. Hay fuentes sobre cómo hacer cosas útiles, y fuentes que describen exactamente cómo suceden realmente las cosas, pero desafortunadamente, nunca ambas al mismo tiempo :)

— Phil Frost

Una última pregunta. He leído que la ESD de una persona puede destruir fácilmente componentes más sensibles. ¿La destrucción surge de la carga "insignificante" que fluye como se describió anteriormente en su escenario, o se debe a que su dedo es tan grande y probablemente se extiende a ambos extremos del dispositivo, completando así el circuito?

— MER

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Además, suponga que el potencial de la batería es mayor que el de la Tierra.

Las baterías no tienen carga eléctrica .

Si un terminal de una batería se conecta a una tierra ideal (un sumidero perfecto para la carga eléctrica) y la carga fluye desde (o hacia) ese terminal hacia (desde) la tierra, la batería se cargará eléctricamente.

Pero esto aumentaría la energía potencial del sistema en lugar de disminuirla . *

Otra forma de ver esto es que si, por ejemplo, los electrones salieran de la batería, la batería se cargaría positivamente, lo que atraería a los electrones desde la tierra de regreso a la batería .

* Puede haber una pequeña redistribución de carga en función de la geometría que reduce la energía del sistema.

— Alfred Centauri
fuente

Su hipotético escenario de carga que sale solo para regresar es muy esclarecedor. Sin embargo, todavía tengo dificultades para conciliar el hecho de que la batería no tiene carga neta, pero al mismo tiempo puede suministrar voltaje. Si hay una diferencia de potencial eléctrico entre los extremos de la batería, ¿no implica esto un gradiente de carga de extremo a extremo? Un gradiente implica que una carga en un extremo será más positiva / negativa que una carga en el otro extremo, así que supongo que veo que la carga neta es cero, pero una derivada local del campo exhibiría una carga neta.

— MER

@Gigglelot, una batería, a través de una reacción química, separa la carga eléctrica eliminando electrones de un terminal y agregando electrones al otro. Cuando se conecta un circuito externo (ruta cerrada) a la batería, la reacción química puede continuar porque la carga separada fluye de un terminal a otro a través de ese circuito. Si no hay un circuito externo, cualquier carga que fluya desde o hacia la batería deja la batería con una carga eléctrica neta.

— Alfred Centauri

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¿No es este el mismo principio que está detrás de la descarga electrostática (aunque este escenario no implica una diferencia de potencial tan grande?)

La descarga electrostática solo puede ocurrir si hay suficiente potencial para atravesar (o atravesar) la barrera impuesta por el aire (o el vacío o algún otro gas).

Aquí hay una explicación de la ley de Paschen. Esto se relaciona con el voltaje de terminal requerido versus el "espacio" entre terminales para que un arco eléctrico cause flujo de corriente a varias presiones de gas:

ingrese la descripción de la imagen aquí

Tenga en cuenta que si su batería está por debajo de 100V, incluso a la presión óptima para el gas más óptimo (Argón) tendría dificultades para hacer que la corriente fluya. Sin embargo, si los terminales de su batería se formaron de manera óptima, hay una mayor probabilidad de que la corriente comience a fluir. No voy a seguir esa ruta en esta respuesta a menos que me lo soliciten.

No importa si su batería está conectada a tierra en un terminal o no, es la diferencia de potencial (también conocida como voltaje) a través de la batería lo que determina si se descarga a través del aire / gas / vacío.

— Andy alias
fuente

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Esta pregunta es la misma que la mía, cuando comienzo a estudiar electrónica.

Además, suponga que el potencial de la batería es mayor que el de la Tierra, ¿por qué no hay flujo de corriente cuando conectamos el terminal único de la batería a tierra?

Respuesta simple, porque la batería es una celda galvánica que necesita una reacción química para permitir que la corriente fluya desde sus terminales. Sin conexión desde los terminales + y -, no fluye corriente allí.

La batería no es como un rayo que tiene un potencial diferente ( voltaje del cielo ) entre el aire y el suelo (tierra, suelo).

— zynskav
fuente

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La batería no tiene carga neta. Incluso en un circuito cerrado, la carga neta de la batería es cero. Sin embargo, cuando la batería está conectada en un circuito cerrado, lo que significa que se ha establecido una ruta conductiva entre los terminales (+) y (-) de la batería, los transportadores de carga se bombean a través de la ruta conductiva entre los terminales de las baterías porque hay un potencial diferencia entre las terminales.

Conectar un solo terminal de una batería ordinaria a la tierra conductora de la tierra sería lo mismo que conectar un objeto conductor que no tenga carga neta a tierra; no pasa nada. Conectar solo un terminal a tierra es lo mismo que almacenar la batería en un cajón de madera (excepto que dejar el terminal en el suelo probablemente lo corroerá)

Si tuviera que conectar ambos terminales a la tierra conductora en la tierra, entonces ha completado el circuito y la carga fluirá a través del suelo entre los terminales de la batería.

Si, por ejemplo, tiene una batería con una diferencia de potencial de 3000 V entre sus terminales, y conectó un terminal a la tierra conductora de tierra y mantuvo un espacio de aire máximo de 1 mm entre el otro terminal y la tierra, es probable que el aire se descomponga y complete el circuito (terminal de batería, tierra, aire ionizado, otro terminal de batería) permitiendo que la corriente fluya entre los terminales de la batería.

— E Riachi
fuente