Почему электричество не течет на землю, когда я подключаю зажим заземления осциллографа к плавающей цепи?

Проблема может заключаться в том, чтобы связать физический мир с миром идеальной схемы.

У нас нет возможности построить эту схему (подробнее об этом позже):

Но если бы вы могли, не было бы никакого заряда, входящего или исходящего из заземления .

В реальном мире мы просто аппроксимируем вещи, мы можем подключить батарею к резистору 1k и соединить провод с землей, но схема действительно выглядит примерно так:

^{смоделируйте эту схему - схема, созданная с помощью CircuitLab}

Таким образом, на землю может течь небольшое количество тока, воздух может проводить небольшое количество электронов, и существует небольшая емкость (и вся схема будет функционировать как своего рода антенна.

Мы могли бы даже получить более подробную информацию, чем модель выше!

Настоящий вопрос заключается в том, насколько подробной должна быть ваша модель схемы? Чем сложнее схемная модель, тем она точнее, но тем больше времени и сил уходит на ее решение.

Поскольку зажим соединен с землей путем с низким сопротивлением, а потенциалы разные, для меня нет никакого смысла, когда люди говорят, что через него не будет протекать ток. Если ток — это движение электрических зарядов, как физически возможно, чтобы подключение другого потенциала не приводило к движению зарядов?

В модели, подобной показанной выше, ток отсутствует. В реальном мире может быть небольшое количество тока.

Что касается вашей конденсаторной цепи:

Я понимаю, что в случае небольшого конденсатора этот эффект может быть достаточно мал, чтобы мы могли его игнорировать, поскольку емкость небольшого провода, вероятно, превышает то, что мы можем даже измерить с помощью тестового оборудования?

Схема нарисована таким образом, что ток не может протекать через конденсатор, нет другого узла, куда мог бы течь ток. Обе пластины конденсатора можно считать находящимися под одним и тем же напряжением. Или другой узел можно было бы рассматривать при неопределенном напряжении. (нет хорошего способа рассчитать дифференциальное напряжение, если вы не знаете одно из значений, которое вы дифференцируете).

В реальном мире это не так. Реальный конденсатор выглядит так:

Параллельное сопротивление материала между пластинами позволяет пропускать небольшой ток, который выравнивает напряжение на пластинах через длительное время.

Даже напряжение заземления Земли представляет собой плавающее потенциальное напряжение; по отношению к кабелям Mars или даже TranOceanic, которые шунтируют сотни ампер от разности потенциалов.

Мы всегда определяем землю как просто опорный сигнал 0 В в одном месте. Когда импеданс и ток достаточно низки, когда рассматривается как шум, «Vref=0» или Vn(f) = Z(f)*I(f) < «x» или фактически ~ 0 В.

Тогда мы можем сказать, что символ земли, общая сетка или набор местоположений фактически являются одним и тем же 0 В, поэтому мы все еще можем называть это землей. Это применимо независимо от того, является ли он плавающим с некоторой утечкой, и приложение может игнорировать шум ниже некоторого порога, возможно, описанного в мВ или, возможно, SNR (S/N).

Теперь любой трехштырьковый шнур с заземлением на самом деле представляет собой длинный провод, который в конце концов подключается к заземляющему стержню, но имеет некоторую индуктивность ~ 1 мкГн/м. Но, используя ту же формулу выше, мы можем сказать, что при подключении к этой новой земле (нулевому опорному напряжению) нам нужно учитывать только импеданс утечки Z(f) для I(f)=V(f)/Z(f) или сопротивление Ома. Закон охвата от DC до f max .

Результирующий ток между двумя «землями», аккумулятором 0Vdc и заземлением, если таковой имеется, полностью зависит от утечки воздушного зазора между аккумулятором и заземлением.

Таким образом, обычно для постоянного тока мы можем предположить, что при низком напряжении сопротивление воздуха настолько велико, что током можно пренебречь, и, следовательно, ток не будет течь. Но если бы кабели батареи были мокрыми и подвергались воздействию дождя и грязи, мы могли бы измерить больше утечек.

В 3-контактном блоке с SMPS есть линейный фильтр с «Y-колпачками» от ~ 1 до 4nf, преднамеренно пропускающий радиочастотный шум, чтобы направить линейный шум на землю Gnd. Меньшие SMPS, использующие 2-контактные вилки, не беспокоятся об этом фильтре, который часто создает проблемы с помехами для связи из-за утечки внутри, создающей режим cmoon, но при этом высокое напряжение импеданса на обоих выходах. При подключении к другой цепи с высоким импедансом (loa) появляется больше возможностей для присутствия шума V(f), в то время как наличие заземления для шунтирования имеет низкий импеданс, что может значительно улучшить результаты.

пример электростатического разряда

Учитывайте влагостойкость утечки воздуха с вашего тела на трибоэлектрический, нейлоновый ковер. Ваше тело действует как большой диэлектрик, но без видимых электродов. Если вы носите обувь с пластиковой подошвой, пластик является еще одним последовательным конденсатором, и ваши ноги / носки становятся одним электродом, а ваш палец с высоким сопротивлением может быть другим электродом.

При прикосновении, скажем, к компонентам ПК MOBO, даже если они отключены от сети или настенной розетки, все еще существует некоторая утечка диэлектрика и сопротивление корпуса воздуху на землю. Допустим, вы не прикасаетесь к корпусу, а ходите по нейлоновому ковру (трибоэлектрическое трение), а затем задеваете компонент на плавающем ПК MOBO, как это может произойти? Два электрода — воздушный зазор между пальцами и носки. Поскольку разность потенциалов на миллиметр превышает пороговое значение для воздуха (~ 1 кВ/мм или ~ 1 В/мкм), воздух может ионизироваться, превращая воздушный зазор с высоким сопротивлением в микродугу с низким сопротивлением, и ток может течь менее чем за наносекунду для выравнивания напряжение. Ток может легко превысить номинал 5 мА или около того для обратного смещения КМОП. ( |Vdd,Vss - Vzap| > 0,5) и энергия этого импульса определяет, нанесен ли ущерб.

Таким образом, влажный воздух здесь был общим потенциалом, а замкнутая петля между ступнями и пальцем человека стала электродом, а диэлектрик тела наращивал напряжение заряда, а поле напряжения пробоя замыкающего воздушного зазора пальца становилось как бы затвором. активированный электрод SCR.

Во-первых, всякий раз, когда между двумя точками есть разность потенциалов, и эти точки соединены, между ними будет протекать электрический ток, выравнивающий разность потенциалов.

Это достаточно верно.

И, во-вторых, электричеству нужен замкнутый контур, чтобы течь.

Это приближение, которое неверно именно в том случае, который вы хотите рассмотреть. Лучшим утверждением было бы «электричество нуждается в замкнутой цепи, чтобы продолжать течь без изменений ».

Всякий раз, когда электрические заряды текут не по замкнутому контуру, суммарный заряд должен перемещаться из одного места в другое (поскольку заряды каким-то образом не создаются и не уничтожаются) — это означает, что должно происходить накопление заряда в одном месте . точка. Это накопление заряда создает чистое электрическое поле, которое препятствует дальнейшему накоплению заряда.

Накопление заряда является электростатическим явлением. Обычно мы рассматриваем их отдельно от анализа цепей, за исключением случаев, когда они находятся внутри конденсаторов, потому что конденсаторы — это устройства, предназначенные для концентрации этого явления на полезном уровне для небольших напряжений (в отличие от киловольт).

Рассмотрим замкнутую цепь с плавающим потенциалом (с питанием от батареи или изолированную). Если бы я подключил зажим заземления (подключенный к заземлению) к щупу осциллографа в любом месте цепи, было бы разумно предположить, что электрический потенциал в этой точке отличается от этой точки и заземления.

Да, наверное!

Поскольку зажим соединен с землей путем с низким сопротивлением, а потенциалы разные, для меня нет никакого смысла, когда люди говорят, что через него не будет протекать ток. Если ток — это движение электрических зарядов, как физически возможно, чтобы подключение другого потенциала не приводило к движению зарядов?

Да, заряды будут двигаться, ток будет течь — совсем недолго, пока потенциалы не уравняются. Мы называем это явление электростатическим разрядом (ЭСР), и, поскольку оно может быть связано с очень высоким напряжением (особенно, если вы шаркаете по ковру, неся с собой плавающую цепь, которая заряжает вас и цепь по отношению к окружающей среде), для таких разряд, вызывающий повреждение устройств, неустойчивых к высокому напряжению, если разряд происходит в неправильной части цепи. Следовательно, защита от электростатического разряда является важной частью электронного дизайна.

Мне очень трудно поверить, что приложение разности потенциалов к одной стороне конденсатора не будет отталкивать заряды с другой стороны и даже выталкивать заряды на конце провода, действуя как конденсатор по отношению к окружающей среде.

Это будет! Но это очень, очень маленький эффект, поэтому мы обычно не учитываем его при изучении схем.

На данный момент не думайте о заземлении и конденсаторах. Просто рассмотрим два провода, подключенных к аккумулятору и больше ни к чему (не друг к другу). Основные схемы говорят нам, что батарея создает напряжение, также известное как разность потенциалов. Аккумулятор толкает заряды «в гору» — в отрицательном проводе больше электронов, чем было бы в противном случае, и меньше в положительном проводе. Если вы затем отсоедините провода от батареи и прикоснетесь ими друг к другу, не разряжая их при прикосновении (что сложно!), то между ними будет протекать очень небольшое количество заряда, чтобы привести их к равному потенциалу.

(Здесь мы создали очень плохой конденсатор . Просто представьте, что провода сближены или, возможно, сплющены в пластины, между которыми помещен изолирующий лист, и вы увидите, что принципиальной разницы нет.)

Когда мы хотим смоделировать эти электростатические явления с точки зрения анализа цепей, мы можем сказать, что все имеет определенную емкость между собой и любым другим объектом во Вселенной. Но, как и гравитация, эта величина обычно слишком мала, чтобы ее можно было заметить.

Вне

• условия, которые создают статические удары и другие заметные и вредные события, связанные с электростатическим разрядом, или
• РЧ-цепи или большие цепи переменного тока,

запасенная энергия и ток, протекающий в результате этих «паразитных» емкостей, настолько меньше/короче, чем ток, протекающий в результате контуров проводников, что мы предпочитаем не рассматривать их в нашем анализе как упрощение, потому что большая часть полезной работы связана с наличием цикла.

Но в случае подключения к земле, такой как этот [...], почему «бесконечная емкость» земли не заставляет заряды течь туда по пути с низким сопротивлением?

«Бесконечная емкость» не является хорошей моделью (поскольку бесконечный конденсатор математически аналогичен источнику напряжения, если он заряжен, или проводу, если он не заряжен), но ответ заключается в том, что заряды действительно текут, чтобы уравнять потенциал ( на стороне , которая подключена). К земле, приземляться). Как только потенциалы сравняются, у них нет причин течь дальше по этому пути. Тогда батарея может сделать потенциал на другой стороне цепи таким, каким она хочет, относительно земли.