Terminal tunggal sumber tegangan terpasang ke arde

11

Ini adalah pertanyaan konseptual yang terus saya perjuangkan karena saya sudah mulai belajar elektronik.

Katakanlah kita memiliki baterai, dan salah satu terminalnya terhubung langsung ke tambalan bumi konduktif yang bagus. Lebih jauh berasumsi bahwa potensi baterai lebih besar daripada Bumi. Sekarang saya menyadari bahwa ini bukan sirkuit tertutup, tetapi mengapa tidak mengisi arus dari baterai ke Bumi? Tidakkah ada potensi listrik yang seharusnya menyebabkan jumlah elektron dalam baterai terkuras atau setidaknya menurun hingga titik di mana potensi listrik antara bumi dan baterai sama? Bukankah ini prinsip yang sama yang ada di balik pelepasan muatan elektrostatik (meskipun skenario ini tidak menyiratkan perbedaan potensial yang begitu besar?)

Saya telah membaca setiap jawaban lain di sini di electronics.stackexchange yang merujuk ke tanah, dan saya masih belum puas.

voltage batteries ground

— MER
sumber

5

Jika saya memahami pertanyaan Anda dengan benar, baterai tidak diperlukan untuk menunjukkan masalah ini. Katakanlah Anda memiliki objek apa pun , pada beberapa potensi . Kemudian, Anda menghubungkannya ke beberapa potensi lain. Apakah beberapa arus mengalir? Katakanlah itu adalah kubus logam, dan itu potensial Bumi, ditambah satu volt. Lalu, tiba-tiba terhubung ke Bumi:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini - Skema dibuat menggunakan CircuitLab}

Jawaban singkat: tidak ada arus yang mengalir. Tidak ada sirkuit untuk arus mengalir.

Tapi ini perkiraan, dibuat untuk menyederhanakan analisis. Kami mengabaikan sebuah fakta penting: segala sesuatu memiliki beberapa kapasitansi untuk segala sesuatu yang lain. Kubus logam adalah satu piring kapasitor, dan Bumi adalah yang lainnya. Jadi sebenarnya rangkaian ini:

skema

^{mensimulasikan rangkaian ini}

Dalam hal ini, ketika V1 tiba-tiba menjadi 0V, beberapa arus akan mengalir. Total muatan yang akan mengalir akan tergantung pada kapasitansi , yang sangat kecil. Mungkin , bahkan jika itu. Kita tahu bahwa kapasitansi kali tegangan adalah muatan: $C$ $1fF$

C V = Q

$CV = Q$

Jadi total muatan yang akan mengalir jika V1 beralih dari ke , dan adalah adalah: $1V$ $0V$ $C$ $1fF$

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

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

Ini adalah muatan yang sangat kecil, jauh melebihi tidak penting untuk rangkaian praktis.

Arus yang akan mengalir adalah fungsi dari seberapa cepat berubah, dan kapasitansi , menurut: $V_1$ $C$

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

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

Jadi bagaimana hubungannya dengan ESD?

ESD adalah apa yang Anda dapatkan ketika perbedaan potensial antara dua hal cukup besar untuk memecah isolasi antara hal-hal tersebut. Biasanya isolasi itu adalah udara. Berapa banyak voltase yang diperlukan tergantung pada banyak faktor, dan saya bukan ahli, tetapi kita berbicara tentang perbedaan yang diukur dalam kilovolt.

Tegangan tinggi ini dapat dicapai justru karena kapasitansi yang sangat kecil antara Anda dan yang lainnya. Ingat lagi bahwa . Kami dapat mengatur ulang itu sebagai: $CV=Q$

V = \frac{Q}{C}

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

Jika sangat kecil, maka muatan sangat kecil dapat menyebabkan tegangan yang sangat tinggi. Ketika Anda mengocok karpet, Anda mungkin hanya mentransfer segenggam elektron (metaforis) , tetapi itu cukup untuk mengubah voltase Anda relatif terhadap lingkungan Anda cukup banyak. $C$ $Q$

Setelah Anda berbicara tentang kilovolt, dan bukan dalam contoh seperti sebelumnya, arus yang tidak signifikan tidak begitu tidak berarti lagi. Masih kecil, ingat, tapi itu diterapkan dalam waktu yang singkat sehingga dapat merusak perangkat sensitif. $1V$

Mungkin perangkat yang paling umum rusak di zaman modern adalah oksida isolasi gerbang di MOSFET , yang sangat tipis sehingga mungkin memiliki tegangan tembus . Jika Anda memiliki muatan yang cukup pada Anda untuk menaikkan tegangan Anda cukup untuk zap udara yang relatif kuat di sekitar Anda, maka beberapa atom silikon dioksida dapat menahan muatan itu kembali serta kertas tisu basah: $10V$

— Phil Frost
sumber

Jadi cara baterai mempertahankan tegangannya adalah dengan memegang konstan medan listrik statis di dalam strukturnya sehingga garis integral dari unit charge yang melintasi dari ujung ke ujung selalu sama? Tapi bagaimana dengan pelepasan busur? Tidak ada sirkuit tertutup yang jelas dalam kasus itu, setidaknya tidak ada yang bisa saya lihat.

— MER

@Gigglelot ya. Pada dasarnya itu ada hubungannya dengan potensi redoks bahan kimia dalam baterai atau sesuatu, yang konstan untuk kombinasi bahan kimia tertentu, atau sesuatu. Saya bukan ahli kimia, jadi saya tidak tahu persis cara kerjanya. Tetapi juga, saya pikir saya salah mengerti pertanyaan Anda, jadi saya menulis ulang. Lebih berwawasan sekarang?

— Phil Frost

Ah-ha! Hasil edit terakhir yang Anda buat persis seperti yang saya cari! Saya pikir itu mungkin dapat diabaikan, tetapi tidak ada sumber daya yang saya baca bahkan mengakuinya.

— MER

1

@Gigglelot Memang, Anda mungkin tidak akan menemukan ini di buku teks elektronik. Anda akan menemukannya di sumber-sumber fisika. Ada beberapa sumber tentang membuat hal-hal yang bermanfaat, dan sumber-sumber yang menggambarkan dengan tepat bagaimana hal-hal yang sebenarnya terjadi, tetapi sayangnya, tidak pernah keduanya sekaligus pada saat yang bersamaan :)

— Phil Frost

Satu pertanyaan terakhir. Saya telah membaca bahwa ESD dari seseorang dapat dengan mudah menghancurkan komponen yang lebih sensitif. Apakah kerusakan timbul dari muatan "tidak signifikan" yang mengalir seperti yang dijelaskan di atas dalam skenario Anda, atau apakah karena jari Anda yang begitu besar dan kemungkinan memanjang di kedua ujung perangkat sehingga menyelesaikan rangkaian?

— MER

1

Lebih jauh berasumsi bahwa potensi baterai lebih besar daripada Bumi.

Baterai tidak diisi listrik .

Jika satu terminal baterai dihubungkan ke ground yang ideal (sink yang sempurna untuk muatan listrik) dan muatan mengalir keluar dari (atau ke) terminal itu ke (dari) ground, baterai akan menjadi terisi listrik.

Tetapi ini akan meningkatkan energi potensial sistem daripada menguranginya . *

Cara lain untuk melihat ini adalah jika, katakanlah, elektron meninggalkan baterai, baterai akan bermuatan positif yang akan menarik elektron dari tanah kembali ke baterai .

* Mungkin ada redistribusi menit tergantung pada geometri yang menurunkan energi sistem.

— Alfred Centauri
sumber

Skenario hipotetis Anda untuk menyisakan hanya mengalir kembali sangat jelas. Namun, saya masih mengalami kesulitan mendamaikan fakta bahwa baterai tidak memiliki muatan bersih, namun pada saat yang sama dapat memasok tegangan. Jika ada perbedaan potensial listrik antara ujung baterai, bukankah ini menyiratkan gradien muatan dari ujung ke ujung? Gradien menyiratkan bahwa muatan di satu ujung akan lebih positif / negatif daripada muatan di ujung lainnya. Jadi saya kira saya melihat bahwa muatan bersih adalah nol, tetapi turunan lokal dari bidang tersebut akan menunjukkan muatan bersih.

— MER

@Gigglelot, baterai, melalui reaksi kimia, memisahkan muatan listrik dengan melepaskan elektron dari satu terminal dan menambahkan elektron ke terminal lainnya. Ketika sirkuit eksternal (jalur tertutup) terhubung ke baterai, reaksi kimia dapat dilanjutkan karena muatan yang terpisah mengalir dari satu terminal ke terminal lainnya melalui sirkuit itu. Jika tidak ada sirkuit eksternal, muatan apa pun yang mengalir dari atau ke baterai meninggalkan baterai dengan muatan listrik bersih.

— Alfred Centauri

1

Bukankah ini prinsip yang sama yang ada di balik pelepasan muatan elektrostatik (meskipun skenario ini tidak menyiratkan perbedaan potensial yang begitu besar?)

Pelepasan muatan listrik statis hanya dapat terjadi jika ada potensi yang cukup untuk menerobos (atau melalui) penghalang yang dipaksakan oleh udara (atau ruang hampa udara atau gas lainnya).

Berikut ini penjelasan hukum Paschen. Ini berkaitan dengan tegangan terminal yang dibutuhkan versus "celah" antara terminal untuk busur listrik yang menyebabkan aliran arus pada berbagai tekanan gas: -

masukkan deskripsi gambar di sini

Perhatikan bahwa jika baterai Anda di bawah 100V, bahkan pada tekanan optimal untuk gas paling optimal (Argon) Anda akan kesulitan untuk mendapatkan arus untuk mengalir. Namun, jika terminal baterai Anda dibentuk secara optimal, ada peluang lebih baik untuk mendapatkan arus untuk mulai mengalir. Saya tidak akan menyusuri rute itu dalam jawaban ini kecuali diminta.

Tidak masalah apakah baterai Anda dibumikan / dibumikan di satu terminal atau tidak - perbedaan potensial (alias voltase) di baterai yang menentukan apakah baterai dibuang melalui udara / gas / vakum.

— Andy alias
sumber

0

Pertanyaan ini sama dengan pertanyaan saya, ketika saya mulai belajar elektronik.

Lebih jauh mengasumsikan bahwa potensi baterai lebih besar dari bumi, mengapa tidak ada aliran arus saat kita menghubungkan terminal tunggal di baterai ke tanah?

Jawaban sederhana, karena baterai adalah sel galvanik yang membutuhkan reaksi kimia untuk memungkinkan arus mengalir dari terminalnya. Tanpa koneksi dari + dan - terminal, tidak ada arus yang mengalir di sana.

Baterai tidak seperti petir yang memiliki potensi berbeda ( tegangan langit ) antara udara dan tanah (bumi, tanah).

— zynskav
sumber

0

Baterai tidak memiliki muatan bersih. Bahkan dalam sirkuit tertutup, muatan bersih pada baterai adalah nol. Namun ketika baterai terhubung dalam sirkuit tertutup, yang berarti bahwa jalur konduktif telah dibuat antara terminal (+) dan (-) baterai, muatan membawa dipompa melalui jalur konduktif antara terminal baterai karena ada potensi perbedaan antara terminal.

Menghubungkan terminal tunggal dari baterai biasa ke tanah konduktif bumi akan sama dengan menghubungkan benda konduktif yang tidak memiliki muatan bersih ke ground; tidak ada yang terjadi. Menghubungkan hanya satu terminal ke ground sama dengan menyimpan baterai di laci kayu (kecuali meninggalkan terminal di tanah kemungkinan akan menimbulkan korosi)

Jika Anda menghubungkan kedua terminal ke tanah konduktif di bumi, maka Anda telah menyelesaikan rangkaian dan muatan akan mengalir melalui arde antara terminal baterai.

Jika Anda memiliki baterai dengan beda potensial 3000 V antara terminal-terminalnya, dan menghubungkan satu terminal ke tanah konduktif bumi dan mempertahankan celah udara maksimum 1 mm antara terminal lain dan tanah, udara kemungkinan akan rusak dan menyelesaikan rangkaian (terminal baterai, pembumian, udara terionisasi, terminal baterai lainnya) memungkinkan arus mengalir di antara terminal baterai.

— E Riachi
sumber