ขั้วแรงดันไฟฟ้าเดียวติดกับพื้นดิน

11

นี่เป็นคำถามเกี่ยวกับแนวคิดที่ฉันยังต้องดิ้นรนต่อไปในขณะที่ฉันเริ่มเรียนอิเล็กทรอนิกส์

สมมติว่าเรามีแบตเตอรีและหนึ่งในเทอร์มินัลเชื่อมต่อโดยตรงกับแพทช์ที่ดีของโลกที่มีการนำไฟฟ้าสูง สมมติว่าศักยภาพของแบตเตอรี่ยิ่งใหญ่กว่าความเป็นจริงของโลก ตอนนี้ฉันรู้แล้วว่านี่ไม่ใช่วงจรปิด แต่ทำไมไม่ชาร์จกระแสจากแบตเตอรี่สู่โลก ไม่มีศักย์ไฟฟ้าที่จะทำให้ปริมาณอิเล็กตรอนในแบตเตอรี่หมดหรืออย่างน้อยก็ลดลงจนถึงจุดที่ศักย์ไฟฟ้าระหว่างโลกกับแบตเตอรี่เหมือนกันหรือไม่? นี่เป็นหลักการเดียวกับที่อยู่เบื้องหลังการคายประจุไฟฟ้าสถิตหรือไม่ (ถึงแม้ว่าสถานการณ์นี้ไม่ได้บ่งบอกถึงศักยภาพที่แตกต่างกันขนาดใหญ่?)

ฉันได้อ่านคำตอบอื่น ๆ ทั้งหมดที่นี่ใน electronics.stackexchange ที่อ้างอิงพื้นและฉันยังไม่พอใจ

voltage batteries ground

— MER
แหล่งที่มา

5

หากฉันเข้าใจคำถามของคุณถูกต้องไม่จำเป็นต้องใช้แบตเตอรี่ในการสาธิตปัญหานี้ สมมติว่าคุณมีใด ๆวัตถุที่บางส่วนที่อาจเกิดขึ้น จากนั้นคุณเชื่อมต่อกับศักยภาพอื่น ๆ กระแสไหลบ้างไหม? สมมุติว่ามันเป็นลูกบาศก์โลหะและมันมีศักยภาพของโลกบวกหนึ่งโวลต์ จากนั้นมันก็เชื่อมต่อกับโลก:

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้ - แผนผังที่สร้างโดยใช้CircuitLab}

คำตอบสั้น ๆ : ไม่มีกระแสในปัจจุบัน ไม่มีวงจรสำหรับกระแสไหล

แต่นี่คือการประมาณทำให้การวิเคราะห์ง่ายขึ้น เราจะละเลยข้อเท็จจริงที่สำคัญทุกอย่างที่มีบางส่วนความจุในการทุกอย่างอื่น ก้อนโลหะเป็นตัวเก็บประจุหนึ่งแผ่นและโลกเป็นอีกตัวหนึ่ง ดังนั้นวงจรจึงเป็นแบบนี้

แผนผัง

^{จำลองวงจรนี้}

ในกรณีนี้เมื่อ V1 กลายเป็น 0V กระแสบางกระแสก็จะไหล ประจุทั้งหมดที่จะไหลขึ้นอยู่กับความจุซึ่งเล็กมาก อาจเป็นถ้าเป็นเช่นนั้น เรารู้ว่าแรงดันไฟฟ้าประจุเป็นประจุเท่า: $C$ $1fF$

C V = Q

$CV = Q$

ดังนั้นประจุทั้งหมดที่จะไหลหาก V1 เปลี่ยนจากเป็นและคือคือ: $1V$ $0V$ $C$ $1fF$

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

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

นี่เป็นประจุเล็กน้อยมากเกินกว่าวงจรการใช้งานจริงใด ๆ

กระแสที่จะไหลเป็นฟังก์ชั่นว่าเปลี่ยนแปลงอย่างรวดเร็วและความจุตาม: $V_1$ $C$

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

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

ดังนั้นสิ่งนี้เกี่ยวข้องกับ ESD อย่างไร

ESD คือสิ่งที่คุณจะได้รับเมื่อความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้นระหว่างสองสิ่งนั้นดีพอที่จะทำลายฉนวนระหว่างสิ่งเหล่านั้น โดยปกติแล้วฉนวนจะเป็นอากาศ แรงดันไฟฟ้านี้ขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายอย่างและฉันแทบจะไม่เชี่ยวชาญ แต่เรากำลังพูดถึงความแตกต่างที่วัดเป็นกิโลโวลต์

แรงดันไฟฟ้าสูงเหล่านี้สามารถทำได้อย่างแม่นยำเนื่องจากความจุขนาดเล็กมากระหว่างคุณและทุกสิ่ง จำอีกครั้งว่า Q เราสามารถจัดเรียงใหม่เป็น: $CV=Q$

V = \frac{Q}{C}

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

ถ้ามีขนาดเล็กมากประจุน้อยมากสามารถนำไปสู่แรงดันไฟฟ้าที่สูงมาก เมื่อคุณสลับไปมาบนพรมคุณอาจถ่ายโอนอิเล็กตรอนเพียงหนึ่งกำมือแต่ก็เพียงพอที่จะเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้าเมื่อเทียบกับสภาพแวดล้อมของคุณได้มาก $C$ $Q$

เมื่อคุณพูดถึงกิโลโวลต์และไม่ใช่ในตัวอย่างเหมือนก่อนหน้านี้กระแสที่ไม่มีนัยสำคัญนั้นจะไม่สำคัญอีกต่อไป ยังเล็กใจคุณ แต่มันใช้ในช่วงเวลาสั้น ๆ เช่นนั้นมันสามารถสร้างความเสียหายอุปกรณ์ที่สำคัญ $1V$

บางทีอาจจะเป็นอุปกรณ์ส่วนใหญ่ได้รับความเสียหายทั่วไปในยุคปัจจุบันเป็นออกไซด์ฉนวนประตู MOSFETsซึ่งเป็นบางเพื่อมันอาจจะมีแรงดันไฟฟ้าเสียของอาจ10Vหากคุณมีประจุเพียงพอที่จะเพิ่มแรงดันของคุณให้มากพอที่จะปะทะกับอากาศที่ค่อนข้างแรงรอบตัวคุณอะตอมของซิลิคอนไดออกไซด์สองสามตัวสามารถเก็บประจุนั้นไว้ได้เช่นเดียวกับกระดาษทิชชู่เปียก: $10V$

— Phil Frost
แหล่งที่มา

ดังนั้นวิธีที่แบตเตอรี่จะรักษาแรงดันไฟฟ้าของมันคือการรักษาค่าคงที่ของสนามไฟฟ้าสถิตย์ภายในโครงสร้างของมันเพื่อให้ค่าอินทิกรัลไลน์ของหน่วยการเคลื่อนที่ผ่านจากต้นจนจบอยู่เสมอ แต่แล้วการปลดปล่อยอาร์คล่ะ? ในกรณีนั้นไม่มีวงจรปิดที่เห็นได้ชัดอย่างน้อยก็ไม่สามารถมองเห็นได้

— MER

@Gigglelot ใช่ โดยพื้นฐานแล้วมันเกี่ยวข้องกับศักยภาพรีดอกซ์ของสารเคมีในแบตเตอรี่หรือบางสิ่งบางอย่างซึ่งเป็นค่าคงที่สำหรับการรวมกันของสารเคมีหรือบางสิ่งบางอย่าง ฉันไม่ใช่นักเคมีดังนั้นฉันไม่รู้ว่ามันทำงานอย่างไร แต่ฉันคิดว่าฉันเข้าใจผิดคำถามของคุณดังนั้นฉันจึงเขียนใหม่ ลึกซึ้งยิ่งขึ้นในตอนนี้?

— Phil Frostst

อ๋อ! การแก้ไขล่าสุดที่คุณทำนั้นเป็นสิ่งที่ฉันกำลังมองหา! ฉันคิดว่ามันอาจจะเล็กน้อย แต่ไม่มีทรัพยากรใดที่ฉันเคยอ่านแม้แต่ยอมรับมัน

— MER

1

@Gigglelot แน่นอนคุณอาจไม่พบสิ่งนี้ในหนังสือเรียนอิเล็กทรอนิกส์ คุณจะพบมันในแหล่งฟิสิกส์แม้ว่า มีแหล่งที่มาเกี่ยวกับการทำสิ่งที่มีประโยชน์และแหล่งที่อธิบายว่าวิธีการที่สิ่งที่เกิดขึ้นจริงมี แต่โชคไม่ดีที่ไม่เคยทั้งสองอย่างในเวลาเดียวกัน :)

— ฟิลฟรอสต์

หนึ่งคำถามสุดท้าย ฉันได้อ่านว่า ESD จากบุคคลสามารถทำลายส่วนประกอบที่ละเอียดอ่อนได้ง่ายขึ้น การทำลายเกิดขึ้นจากประจุ "ไม่มีนัยสำคัญ" ที่ไหลตามที่อธิบายไว้ข้างต้นในสถานการณ์ของคุณหรือเป็นเพราะนิ้วของคุณมีขนาดใหญ่และมีแนวโน้มขยายไปทั่วทั้งสองด้านของอุปกรณ์ซึ่งทำให้วงจรเสร็จสมบูรณ์หรือไม่

— MER

1

สมมติว่าศักยภาพของแบตเตอรี่ยิ่งใหญ่กว่าความเป็นจริงของโลก

แบตเตอรี่จะไม่เรียกเก็บด้วยระบบไฟฟ้า

หากขั้วต่อหนึ่งของแบตเตอรี่เชื่อมต่อกับกราวด์อุดมคติ (อ่างล้างมือที่สมบูรณ์แบบสำหรับประจุไฟฟ้า) และประจุไฟฟ้าจะไหลออกจาก (หรือเข้าสู่) ขั้วต่อไปยัง (จาก) กราวด์แบตเตอรี่จะกลายเป็นประจุไฟฟ้า

แต่สิ่งนี้จะเพิ่มพลังงานที่มีศักยภาพของระบบแทนที่จะลดลง *

วิธีดูนี้ก็คือว่าถ้าพูดอิเล็กตรอนซ้ายแบตเตอรี่แบตเตอรี่จะกลายเป็นประจุบวกซึ่งจะดึงดูดอิเล็กตรอนจากด้านหลังพื้นดินกับแบตเตอรี่

* อาจมีการกระจายประจุอีกสักครู่ขึ้นอยู่กับรูปทรงเรขาคณิตที่ช่วยลดพลังงานของระบบ

— อัลเฟรดเซ็นทอรี
แหล่งที่มา

สถานการณ์สมมติของคุณที่จะปล่อยให้ไหลกลับเป็นสิ่งที่ชัดเจนมาก อย่างไรก็ตามฉันยังคงมีเวลาที่ยากลำบากในการปรับความจริงว่าแบตเตอรี่ไม่มีประจุสุทธิ แต่ในขณะเดียวกันก็สามารถจ่ายแรงดันไฟฟ้าได้ หากมีความต่างศักย์ไฟฟ้าระหว่างปลายของแบตเตอรี่แสดงว่าการไล่ระดับประจุตั้งแต่ต้นจนจบไม่ใช่หรือไม่ การไล่ระดับสีหมายความว่าประจุที่ปลายด้านหนึ่งจะเป็นบวก / ลบมากกว่าประจุที่ปลายอีกด้านหนึ่งดังนั้นฉันคิดว่าฉันเห็นว่าประจุสุทธิเป็นศูนย์ แต่อนุพันธ์ในพื้นที่ของสนามจะแสดงประจุสุทธิ

— MER

@Gigglelot, แบตเตอรี่, ผ่านปฏิกิริยาทางเคมี, แยกประจุไฟฟ้าออกโดยการเอาอิเล็กตรอนออกจากขั้วหนึ่งและเพิ่มอิเล็กตรอนไปอีกขั้วหนึ่ง เมื่อวงจรภายนอก(ปิดเส้นทาง) เชื่อมต่อกับแบตเตอรี่ปฏิกิริยาเคมีสามารถดำเนินการได้เนื่องจากประจุที่แยกออกมาจะไหลจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่งผ่านวงจรนั้น หากไม่มีวงจรภายนอกประจุใด ๆ ที่ไหลจากหรือไปยังแบตเตอรี่จะทิ้งแบตเตอรี่ด้วยประจุไฟฟ้าสุทธิ

— Alfred Centauri

1

นี่เป็นหลักการเดียวกับที่อยู่เบื้องหลังการคายประจุไฟฟ้าสถิตหรือไม่ (ถึงแม้ว่าสถานการณ์นี้ไม่ได้บ่งบอกถึงศักยภาพที่แตกต่างกันขนาดใหญ่?)

การคายประจุไฟฟ้าสถิตสามารถเกิดขึ้นได้หากมีโอกาสเพียงพอที่จะทำลาย (หรือผ่าน) สิ่งกีดขวางที่กำหนดโดยอากาศ (หรือสูญญากาศหรือก๊าซอื่น ๆ )

นี่คือคำอธิบายของกฎหมายของ Paschen สิ่งนี้เกี่ยวข้องกับแรงดันไฟฟ้าเทอร์มินัลที่จำเป็นเมื่อเทียบกับ "ช่องว่าง" ระหว่างขั้วสำหรับอาร์คไฟฟ้าเพื่อทำให้เกิดการไหลของกระแสที่ความดันก๊าซต่าง ๆ : -

ป้อนคำอธิบายรูปภาพที่นี่

โปรดทราบว่าหากแบตเตอรี่ของคุณต่ำกว่า 100V แม้จะอยู่ในความดันที่เหมาะสมสำหรับก๊าซที่เหมาะสมที่สุด (อาร์กอน) คุณก็ต้องดิ้นรนเพื่อให้กระแสไหล อย่างไรก็ตามหากขั้วแบตเตอรี่ของคุณมีรูปร่างที่เหมาะสมมีโอกาสที่ดีกว่าในการเริ่มกระแสให้ไหล ฉันจะไม่ลงเส้นทางนั้นในคำตอบนี้หากไม่ได้รับการร้องขอ

ไม่สำคัญว่าแบตเตอรี่ของคุณจะต่อสายดินหรือต่อสายดินที่ขั้วหนึ่งหรือไม่ - มันเป็นความแตกต่างที่เป็นไปได้ (แรงดันไฟฟ้า) ในแบตเตอรี่ที่กำหนดว่าจะปล่อยประจุผ่านอากาศ / แก๊ส / สูญญากาศหรือไม่

— แอนดี้อาคา
แหล่งที่มา

0

คำถามนี้เป็นคำถามเดียวกันกับฉันเมื่อฉันเริ่มเรียนอิเล็กทรอนิกส์

นอกจากนี้สมมติว่าศักยภาพของแบตเตอรี่ที่มีค่ามากกว่าของโลกทำไมไม่มีการไหลของกระแสเมื่อเราเชื่อมต่อขั้วเดียวในแบตเตอรี่เพื่อพื้นดิน?

คำตอบง่าย ๆ เพราะแบตเตอรี่เป็นเซลล์กัลวานิคซึ่งต้องการปฏิกิริยาทางเคมีเพื่อให้กระแสไหลออกจากอาคาร หากไม่มีการเชื่อมต่อจากขั้ว + และ - จะไม่มีกระแสไหลอยู่ที่นั่น

แบตเตอรี่ไม่เหมือนฟ้าผ่าที่มีศักยภาพแตกต่างกัน ( แรงดันไฟฟ้าของท้องฟ้า ) ระหว่างอากาศและพื้นดิน (โลกดิน)

— zynskav
แหล่งที่มา

0

แบตเตอรี่ไม่มีประจุสุทธิ แม้จะอยู่ในระบบปิดประจุสุทธิของแบตเตอรี่จะเป็นศูนย์ อย่างไรก็ตามเมื่อเชื่อมต่อแบตเตอรี่ในวงจรปิดหมายความว่ามีการสร้างเส้นทางนำไฟฟ้าระหว่างขั้ว (+) และ (-) ของแบตเตอรี่การ พกพาประจุจะถูกสูบผ่านเส้นทางนำไฟฟ้าระหว่างขั้วแบตเตอรี่เนื่องจากมี ศักยภาพ ความแตกต่างระหว่างอาคาร

การเชื่อมต่อขั้วเดียวของแบตเตอรี่ธรรมดากับสิ่งสกปรกที่เป็นตัวนำของโลกจะเหมือนกับการเชื่อมต่อวัตถุที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าที่ไม่มีประจุไฟฟ้าสุทธิกับพื้น ไม่มีอะไรเกิดขึ้น. การเชื่อมต่อขั้วเดียวเข้ากับกราวด์นั้นเหมือนกับการเก็บแบตเตอรี่ไว้ในลิ้นชักไม้ (ยกเว้นการทิ้งขั้วไว้ในพื้นดินอาจทำให้เกิดสนิม)

หากคุณต้องเชื่อมต่อขั้วทั้งสองเข้ากับสิ่งสกปรกที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้าในโลกจากนั้นคุณได้เสร็จสิ้นวงจรและค่าใช้จ่ายจะไหลผ่านพื้นดินระหว่างขั้วของแบตเตอรี่

ถ้าบอกว่าคุณมีแบตเตอรี่ที่มีความต่างศักย์ 3000 V ระหว่างขั้วและต่อขั้วหนึ่งเข้ากับดินที่เป็นตัวนำและรักษาช่องว่างอากาศสูงสุด 1 มม. ระหว่างขั้วอื่นและพื้นดินอากาศน่าจะพังและทำให้วงจรเสร็จสมบูรณ์ (ขั้วแบตเตอรี่, ดิน, อากาศบริสุทธิ์, ขั้วแบตเตอรี่อื่น ๆ ) ช่วยให้กระแสไหลระหว่างขั้วของแบตเตอรี่

— E Riachi
แหล่งที่มา