Предположим, у меня есть простая цепь постоянного тока, состоящая из батареи с напряжением V (внутреннее сопротивление не предполагается) и резистора (сопротивление R), соединенных последовательно проводящими проводами. Поскольку провода удерживаются при разности потенциалов V и потому что они имеют ненулевую емкость , провод, подключенный к положительной клемме, должен быть заряжен положительно зарядом Q (так, чтобы ), а отрицательный провод должен быть заряжен отрицательно зарядом .
Но теперь предположим, что при работе цепи и протекании тока через резистор мы заземляем отрицательный провод, соединяя его с землей (которую мы можем аппроксимировать как бесконечно большой проводник с бесконечно большой емкостью). Это соединение означает, что отрицательный провод и земля попытаются достичь такой конфигурации заряда, что между землей и отрицательным проводом не будет разности потенциалов. Но ведь тот факт, что земля имеет практически бесконечную емкость, означает, что практически бесконечное количество заряда (и, следовательно, тока) должно быть получено от батареи, чтобы зарядить землю до того же потенциала, что и провод? Очевидно, что этого не происходит, иначе нулевой провод в бытовой вилке не смог бы быть заземлен. Но что происходит на самом деле? Как заземление отрицательно заряженного провода влияет на распределение заряда в системе цепи/земли и почему огромная емкость земли не означает, что для ее зарядки до потенциала отрицательного провода требуется огромное количество заряда?
Здесь есть аналогичный вопрос, а также ответ https://physics.stackexchange.com/questions/397545/surface-charges-on-grounded-conductors-in-circuits-and-energy-transfer , однако, несмотря на его чтение, Я до сих пор не понимаю, как заземление цепи не меняет емкость цепи.
Любая помощь по этому вопросу будет принята с благодарностью!
Огромная емкость Земли означает, что она может обмениваться большим количеством зарядов без изменения потенциала. Ваша схема, однако, имеет сравнительно маленькую емкость. Если какой-то заряд добавляется или снимается, он сильно меняет потенциал (по сравнению с изменением потенциала Земли). Таким образом, это не Земля меняет свой потенциал, чтобы соответствовать контуру, а наоборот — контур меняет свой потенциал, чтобы соответствовать потенциалу Земли.
Говоря более формально, мы действительно должны рассмотреть емкость системы заземления и задать вопрос, насколько изменится напряжение между ними, если некоторый заряд переместится с одной на другую. Однако изменение электрического поля между ними, которое определяет изменение напряжения, происходит из-за изменения электрического поля из-за переноса заряда в цепь или из цепи, а не из Земли.
земля (которую мы можем аппроксимировать как бесконечно большой проводник с бесконечно большой емкостью).
Емкость - это отношение между двумя разными объемами пространства (обычно проводящими объемами). Говорить о емкости одного (проводящего) объема пространства, например земли, не имеет смысла. Это основная ошибка, которую вы делаете.
Это соединение означает, что отрицательный провод и земля попытаются достичь такой конфигурации заряда, что между землей и отрицательным проводом не будет разности потенциалов.
Правильный
Но ведь тот факт, что земля имеет практически бесконечную емкость, означает, что практически бесконечное количество заряда (и, следовательно, тока) должно быть получено от батареи, чтобы зарядить землю до того же потенциала, что и провод?
Нет. Земля не имеет «бесконечной» или даже «очень большой» емкости без привязки к какому-то другому объему/объекту. И емкость между землей и любой небольшой искусственной цепью будет относительно небольшой. [Электрическая сеть может иметь очень большую емкость относительно земли].
Как заземление отрицательно заряженного провода влияет на распределение заряда в системе цепи/земли и почему огромная емкость земли не означает, что для ее зарядки до потенциала отрицательного провода требуется огромное количество заряда?
Обычно требуется очень небольшое перераспределение заряда, чтобы привести небольшую искусственную цепь к тому же электрическому потенциалу, что и земля. [Как правило, оба довольно близки к тому, чтобы быть нейтральными.]