Почему цепь должна быть заземлена?

Термин «земля» может означать разные вещи. Когда цепь рассматривается локально, земля — это просто одна цепь, которую кто-то выбрал для обозначения 0 В, так что все остальные напряжения понимаются как относительные к ней. Напряжение - понятие относительное. Абсолютных 20В не бывает, только 20В здесь по отношению к там . «Земля» — это удобная краткая форма для общего там , поэтому вам не нужно постоянно повторять это.

Такая земля часто выбирается как отрицательное напряжение питания. Это делает другие напряжения положительными, что просто облегчает умственную работу. В общем, вы пытаетесь выбрать землю в качестве точки в цепи сигналов и т.п., на которые ссылаются отдельные подразделы. Обычно есть четкий и очевидный выбор. Иногда нужно просто выбрать один.

Другая «земля» относится к реальному потенциалу земли или, по крайней мере, к потенциалу окружающей среды. Это имеет значение, когда питание и сигналы поступают из вашей маленькой схемы или выходят за ее пределы. Для обеспечения мощности и безопасности вы должны предполагать, что пользователь может быть привязан к этой земле, и вы должны убедиться, что у вас нет опасного потенциала для заземления, чтобы избежать кого-либо. Земное заземление также может иметь значение для радиосистем, поскольку некоторые типы антенн фактически используют землю как часть общей антенной системы.

С точки зрения схемы, земля является относительной — это просто имя для провода (дорожка, цепь, узел и т. д.), относительно которого можно измерять или управлять другими вещами. Таким образом, это в значительной степени произвольно - например, есть (или, по крайней мере, были) автомобили, в которых положительная клемма аккумулятора, а не отрицательная, была подключена к заземлению шасси. Добавление символа заземления в вашу книгу в тот же момент времени, когда были представлены транзисторы, является либо совпадающим изменением стиля, либо общим увеличением сложности диаграмм в тот момент, когда сложность возрастает и, таким образом, делает принципы организации например, идея «наземного узла» более ценна.

В цепи связи, особенно радио, «земля» может иметь некоторое буквальное значение или, по крайней мере, подразумевать соединение с заземлением (потенциально токопроводящим стержнем, вбитым глубоко в землю, возможно, с химической обработкой окружающей почвы, если она недостаточно проводящий). Но это может быть неверно для портативной рации и, конечно же, неверно для радиоустановки самолета - на самом деле потенциал «земли» самолета может сильно отличаться от потенциала «земли» во время полета. .

Но в то время как в схемах мы думаем о «земле» как об относительном, в химии и физике существует понятие нейтрального заряда, которое на самом деле является абсолютным. Нейтральный заряд — это то, что вы имели бы в атоме или молекуле с равным количеством протонов и электронов, или в какой-то большей единице материи с равными чистыми числами. Абсолютный заряд объекта определяет силу правой руки, которую он будет испытывать при движении через магнитное поле, в то время как заряд относительно другого соседнего заряда будет определять электрическое поле (и результирующую силу), установленную между ними.

Поскольку мы также можем создать электрическое поле между двумя точками в цепи, может возникнуть соблазн думать, что «земля» имеет нейтральный заряд, но в конечном счете нет ничего, что говорило бы об этом. Действительно, относительно атмосферы земля имеет отрицательный заряд, хотя я не нахожу готового ответа относительно абсолютного заряда земли, осмысленной атмосферы или того и другого вместе. Предположительно, мы слегка подвержены влиянию магнитного поля Солнца, поэтому, если бы у Земли был достаточно значительный суммарный заряд, это вызвало бы некоторое возмущение орбиты, но тогда тема солнечного магнетизма чрезвычайно сложна — включая петли поля, называемые солнечными пятнами, которые имеют свои собственные более очевидное влияние на радиосвязь и длинные провода здесь, на земле...

Крис дал более сложный ответ, поэтому я сделаю простой.

Эта путаница является мужской проблемой английского языка, использующего одно и то же имя для разных понятий. Скажем, по-немецки эту странную новую землю назвали бы массой, и она немного отличается от реальной земли.

По сути, масса — это просто удобный узел в цепи. Теоретически это может быть абсолютно любой узел в цепи (подробнее об этом в ответе Криса), но на практике это просто более простой способ показать подключение к отрицательной клемме аккумулятора. Например, взгляните на эту схему. Здесь я подключил отрицательную клемму аккумулятора к земле, а катод диода к земле. Это то же самое, что и эта схема, где катод явно подключен к отрицательной клемме батареи.

Еще одна вещь, которая обычно идет с массой, - это источник напряжения с одной клеммой. Взгляните на эту цепь. Он такой же, как и два других, но здесь мы вообще не видим батареи. Преимущество использования этого подхода заключается в том, что теперь вы изучаете настоящую электронику и можете рассчитывать на более сложные схемы. Они могут очень быстро стать очень сложными для чтения, поэтому источник напряжения с одной клеммой и символы «земли» используются для обозначения того, что компонент подключен к батарее. Например, в этой схеме для самой схемы совершенно не имеет значения, как выглядит источник напряжения и как эмиттер транзистора подключен к отрицательной клемме.

Вот две забавные картинки, иллюстрирующие гравитационное поле ...

... и электрическое заземление .

Заземление и заземление в более широком смысле - это одни и те же понятия. Это понятия, связанные с относительным напряжением. Всякий раз, когда мы берем что-то относительно 0 вольт (нулевой потенциал), это называется заземлением. Например, давайте рассмотрим 5 В. Это означает, что отрицательная пластина при 0 В, а плюс при 5 В. Это по отношению к земле. И когда мы не относимся к земле, это означает, что плюс при 2,5 В, а минус при -2,5 В, что снова делает его 2,5-(-2,5) = 5 В . Таким образом, ЗАЗЕМЛЕНИЕ - это не что иное, как эталон, который мы берем относительно 0 В.