“地”与“地”与公共与负极端子

电器工程 电压 当前的 地面 地球
2022-01-03 14:44:56

这可能只是我没有电气工程或电子学学位,但是当用于电路图(尤其是集成电路)时,“地”和“地”的整个概念非常令人困惑。考虑到电流作为电子流动的量子力学current描述,我想“来自”正极端子的整个概念(这通常是电流似乎被描述的方式)对我来说似乎是倒退和误导的。所以,我想澄清一下我对事物的理解。

首先要确保我对电压和电流的理解是正确的。假设使用直流电(我知道在使用交流电时事情会更复杂,而且我知道在某些系统和类似的事情中可能在正极端子接地。)


A.电路中的正极端子是产生电压的原因。电压是一种电势,因此假设它是电池中的正离子,通常固定在适当的位置,因此电路中的 + 端子会产生电压是有道理的。

B.电路中的负极端子提供电流。电流是电子的流动,并且该流动朝向为电流创造电位的端子。


假设这些陈述是正确的......那么为什么“接地”一词(主要)或有时“地”的符号在电路图中如此广泛地使用?为什么它是接地或大地,而不仅仅是一个负端子,或一个 0V 端子,或者可能只是一个“公共”端子?接地或大地符号的使用,特别是在 IC 电路图中(不一定用于甚至能够远程“接地”到大地的电路......例如飞机或航天器,甚至任何无法直接连接到大地的隔离绝缘系统的数量),这让我非常困惑。

这只是一些从未被打破的旧惯例吗?接地(GND 端子)或电路图中的接地符号是否只是一个已经完成的事情,因为它总是这样做的?因为这就是它一直被教导的方式?它真的只是意味着一个负端子,还是一个电子从中流出的端子?什么时候真正需要使用实际接地,即电路实际连接到实际接地的点?似乎很明显,并非每个电路(如 IC)实际上都不需要与大地进行字面连接才能发挥作用。

好吧,对不起,如果这是一个奇怪的问题,但是随着我越来越多地玩电子产品,并且由于我用电池为我的大多数小项目供电,整个概念对我来说似乎很奇怪和令人困惑……没有字面意思电路中涉及的“地”或“地”。只有电池端子和电子部件。

4个回答

问题:

首先,电流不会“来自”正极端子。这是一个非常普遍的误解,一种被称为“顺序谬误”的错误在小学电力教科书中广泛出现。基本问题是电线不像空管。而且,电源不会填满它们。相反,电线已经预先充满了电荷,因此电流总是同时出现在电路中的任何地方。(“电流”表示电荷流动。当一圈可移动电荷开始流动时,“电流”出现在整个环中。这是基本的电路规则。)

换句话说,电路就像飞轮和传动带一样。同样,自行车链条的金属不是“来自”链轮上的特定位置。它不会在某一时刻“开始”。相反,整个圆圈是由链组成的,就像整个电路是由可移动的电子组成的。此外,在任何电源出现之前,所有的链条都已经存在。使用自行车链条,当施加力时,整个东西都会转动。对于电路,当施加电位时,环内(电路内)的所有可移动电荷都开始作为一个单元移动,就像一条实心链在一个完整的圆圈中移动。但在连接任何电池之前,这些电荷已经在电线内。电线就像充满水的软管。

其次,电势只能存在于两点之间,电路上的一个点永远不会“有电压”。这是真的,因为电压有点像高度:一个物体不能“有一个高度”,因为高度只能在两点之间测量。讨论物体的高度或海拔或高度是没有意义的。 海拔高于什么? 高于地板?建筑物外的地面以上?高于地球中心的高度?任何物体都会同时有无数个高度!

电压具有完全相同的问题:与另一个端子相比,一个端子只能“有电压”。电压就像距离一样:电压和距离是双端测量。或者换句话说,电路中的一个端子总是同时具有许多不同的电压,具体取决于我们放置另一根仪表引线的位置。

第三,在电路中,驱动力是由正负电源端子同时提供的而且,最重要的是: 电流的路径是通过电源。 电源是短路的。理想的电源就像一个零欧姆电阻。想一想:在发电机线圈中,电荷通过线圈并再次返回。电线具有非常低的电阻。电池也是如此:电流的路径是通过电池并再次退出。电池极板被非常导电的电解液短路。

例子:

  • 这是手电筒的正确描述。电荷在钨丝内部“开始”。当开关闭合并且电路完成时,灯丝的一端带正电,另一端带负电。这迫使灯丝自身的电荷开始流动。电荷从灯丝移出并进入一根导线,同时更多的电荷进入灯丝的另一端。这些电荷由金属线提供(在打开开关之前,所有导体都已经充满了可移动电荷。)继续,灯丝中的电荷将流出到一根电线中,缓慢移动到电池(需要几分钟或几小时才能到达那里,)然后流过电池并再次退出。他们从电池的另一个终端退出,流回灯丝的另一端,最终到达它们开始的地方。一个“完整的电路”。电荷就像一个无休止的传动带,或者像一个旋转的飞轮或自行车链条。电池推动电荷,但它不提供电荷。铜和钨提供在手电筒电路中流动的电荷。整个电路的电荷密度是恒定的(就像一个没有气泡的充满水的管道。)电荷移动得非常缓慢,但由于它们都同时开始移动,所以即使电线很长,灯泡也会立即亮起长。t 提供费用。铜和钨提供在手电筒电路中流动的电荷。整个电路的电荷密度是恒定的(就像一个没有气泡的充满水的管道。)电荷移动得非常缓慢,但由于它们都同时开始移动,所以即使电线很长,灯泡也会立即亮起长。t 提供费用。铜和钨提供在手电筒电路中流动的电荷。整个电路的电荷密度是恒定的(就像一个没有气泡的充满水的管道。)电荷移动得非常缓慢,但由于它们都同时开始移动,所以即使电线很长,灯泡也会立即亮起长。

第四: 电池内的任何正离子都是极易移动的。他们当然没有被锁定在适当的位置。如果是这样,那么电池将是绝缘体,并且无法工作。一些电池基于正离子在一个方向上的流动和负离子在另一个方向上的流动。铅酸电池则不同。在酸中,只有质子在流动。酸是质子导体。

但请注意:电池会增加复杂性,这可能会使解释脱轨。

相反,用一个大线圈和一个超级磁铁替换你的手电筒电池。将其连接到灯泡。将超磁铁推入线圈,灯泡会短暂闪烁。指控从何而来?移动的磁铁如何产生电荷?它没有。发电机和电池是电荷泵。移动的磁铁迫使电线自身的电荷开始移动。(泵不提供被泵送的东西!)移动磁铁会产生电流,因为它会向金属内部的可移动电荷施加电磁泵送力。

坏导体。坏的!
这是一个澄清。许多介绍性教科书对“导体”的定义是错误的;完全错误,而且极具误导性。他们会教你导体“让电荷通过”(或者,“电”通过,或“电流”。)不。导体不像空心管。导体对电力不透明。相反,“导体”一词实际上意味着“一种充满移动电荷的材料”。导体就像装满水的水箱。它们就像水族馆,或者像预先填充的管道。导体遵循欧姆定律:每当我们在导线末端施加电压差时,导体自身电荷的流动取决于导线电阻:I = V/R。流动的是电线的移动电荷。想想看,真空是绝缘体。真空如何阻止电荷流动?真空不需要,因为真空中没有可移动的电荷。这就是使它成为绝缘体的原因。

所有这些都导致了一个重要的概念。每当我们取一根电线并将两端钩在一起形成一个闭合环时,我们就创造了一个“隐形传动带”,即在不动的电线内的可移动电荷环。将磁极推入金属环中,导线的所有电荷将作为一个整体移动,像飞轮一样旋转。这是一个环形的游泳池,如果我们推动水,我们可以让所有的水像飞轮一样转动,而游泳池本身则保持静止。

第五,电流不是反向的,因为电流不是电子的流动。

具体来说,流动电荷的极性取决于导体的类型。是的,在固体金属中,可移动的电荷是电子。但是有大量的导体没有电子可以移动。最接近的是你的大脑和神经系统:正负原子同时向相反方向流动:移动的离子,根本没有电子流动。“电解质”,咸水,包括潮湿的地面和海洋;这些不是电子导体。

更奇怪的例子:酸是导电的,因为它们充满了 +H 正氢离子。+H 离子的另一个名称是……“质子”。当我们将一些安培电流通过酸时,电流是质子流。(呵呵,如果泥土中有地流,而且泥土是酸性的而不是咸的,那么那些地下流就是质子流!)

换句话说,“安培”可以是电子流动,或质子流动,或正钠通过负氯化物以另一种方式。或者,快速电子在火花中以单向运动,而慢速氮离子前进或后退,具体取决于它们是正电离还是负电离。而在 p 型半导体中,电流是价带电子的流动,即晶体中的“晶格空位”!(每个空位都会暴露一个多余的硅质子,因此每个空位都带有真正的正电荷。“空穴”通过电子转移移动,但每个空穴确实带正电。)


有了上述所有复杂性,我们怎么可能描述电路内部发生的事情?简单:它已经为我们完成了。我们隐藏移动的指控并忽略它们。我们忽略了它们的流速和数量。我们忽略了它们的极性。相反,我们将可能存在于任何导体内的所有各种电荷相加,计算总流量,并将其称为“安培”。你的指挥是一根装满盐水的软管吗?在其周围放置一个钳形电流表,并读取安培数。离子密度无关紧要。离子速度无关紧要,它甚至可以是充满质子的酸软管,而不是海水软管。

安培就是安培。

安培也称为“常规电流”或简称为“电流”。

非常重要:安培不是电荷流。导体可能有一个安培,但这并不能告诉我们有关内部电荷的任何信息。可能有一些电荷流动得很快,或者很多电荷流动得很慢。可能有正电荷向前移动,或负电荷向后移动,或两者同时存在(就像人体受到直流电击一样。)所有这些东西都被掩盖了,我们剩下的只是安培数……安培数常规电流。


好的,回到 GND 与 COM 与 EARTH。

“地面”令人困惑,因为这个词几乎总是被错误地使用。

在电路中,我们几乎总是选择一个电源端子作为“公共端”,并将一根电压表引线连接到它。它没有接地,因此我们真的不应该将其称为“接地”(它没有连接到被压入泥土的金属桩上!)相反,“共同点”只是进行电压读数的传统点。我们从来没有明确解释过这个事实(这是一个无声的协议!)由于电压是复杂的双端测量,如果我们假装它们是单端的,事情就会简化。所以,将你的黑色电压表引线连接到“电路公共端”,然后忽略它。

现在假设电压表上的红色探头实际上可以测量端子的电压。但是终端不能“有电压!” 是的,完全正确。但我们默默地假装他们这样做。电路上的任何点都可以有电压……相对于另一个电路点。如果我们谈论高度,我们总是可以根据海平面进行测量。接下来,别提海平面了,最后假装物体和位置可以“有高度”,而实际上这是不可能的,因为高度就是长度;距离而不是位置。

因此,当我们讨论“端子电压”时,所有新生通常都会感到困惑。实际上,我们的意思是“出现端子和电路公共端之间的电压”。但这太多了,不能一直重复。我们默默地说“电压之间,电压之间”,而我们实际上说的是“这个点的电压”或那边的另一个点。然后所有的新学生开始认为一个单一的终端可以有电压,即使电压不是那样工作的。

我们的负电源端子是电路公共端吗?是的,通常。我见过带有 PNP 晶体管的非常旧的收音机,以及带有“正极接地”的负极主电源。正极电池端子是电路公共端。该示意图中的所有测量值都是负电压。除了 1950 年代的晶体管收音机,同样的事情也发生在老式大众甲壳虫和一些摩托车上。电池正极端子连接到底盘,因此“供电端子”是负极。不要在旧大众汽车上安装普通的汽车收音机,因为当你打开点火装置时它会短路或着火。电源倒了。

我们要做的就是摆脱所有可收藏的 1950 年代日本 PNP 晶体管收音机、大众甲壳虫和正极接地的摩托车,然后 Circuit Common 将永远成为负极供电终端!好吧,除非它是一些奇怪的电气浮动工业传感器系统,它混合了交流电源和虚拟接地运算放大器电路。

电压源同时具有负极和正极端子,并在这些端子之间产生电压(或电位差)。

在《开端》中,研究电的早期科学家无法确定电流是由什么组成的,如果有的话,所以他们有点武断地宣称电流是一种正电荷的流动,从电压源的正极端子流过外部电路,并返回到负极。我们现在将这个概念称为“常规电流”,科学家和工程师在讨论电流时通常会使用这个概念。

我们现在知道,在大多数材料中,电流实际上是由带负电的电子携带的。在开发真空管时,许多技术人员都被教导使用电子电流,因为真空管的内部操作不能轻易地用常规电流来描述。不幸的是,电子电流存在于许多地方,导致学生对常规电流和电子电流感到困惑。我认为最好坚持使用常规电流,因为这是大多数技术和科学界使用的。

“接地”在电子学中是一个严重误用的术语。

在交流配电和一些无线电天线系统中,“接地”确实意味着“与地球的连接”。

然而,在大多数电子产品中,“接地”只是我们贴在电路中我们希望考虑“零伏特”的一点上的标签(我们在其他地方测量电压时放置黑色仪表引线)。将这一点称为“参考”或“共同”会更好,但“接地”的使用已经非常成熟,以至于我们坚持使用它。这个“地/公共”没有神奇的力量——它不是电子的无限下沉——它只是电路中的另一个点。

如今,“接地/公共端”通常是电路中最负的点,但有时可能是最正的点(一个逻辑系列旨在从 -5 伏电压下工作 - 接地是正的)。在许多音频电路中,“地/公共”是电源的中点,我们在电路中发现了正电压和负电压。

首先,您的 A 和 B 完全错误。给定 A 点和 B 点之间的电压,两者都不是电流“源”或电压“源”。您只能说,如果使用导体连接 A 和 B,则电流将在 A 和 B 之间流动。如果 A 和 B 之间的电压为正,在金属中,这将采取电子从 B 流向 A 的形式. 在诸如晶体管之类的半导体中,第二部分(不一定)不正确,因为电流可能是由电子引起的,也可能是由电子的缺失引起的(空穴,向另一个方向流动)。

很大程度上,将“地”与“地”相提并论,确实是历史的偶然,源于早期配电公司的做法。在当前的美国术语中,接地是测量电路中电压和电流的参考点,而接地是与插入地面的杆的实际连接。

接地的更普遍使用源于这种做法,它实际上在使用任何大量功率的系统中仍然很重要。对于低功率系统,尤其是电池供电的系统,接地可以完全从任何连接(物理或其他方式)到物理接地断开。但是任何电气或电子电路,无论是在飞机上,还是在汽车上,甚至在外太空中,都需要一个参考点来描述电压和电流,而这个参考点通常被称为接地。

完全有可能产生一个电压相对于地(和大地)始终为负的电力系统。虽然不再使用太多,但在 70 年代和 80 年代,最高速的逻辑系列是 ECL,它使用 -5.2 伏作为其基础电压。有一段时间,Cray 计算机是最快的超级计算机,它们几乎完全使用 ECL,并消耗大量电流 - 由 5.2 伏电源产生。

那么,什么时候需要接地呢?好吧,基本上每当您谈论连接到交流电网的系统时。如果你不注意这一点,如果你不小心为电流提供了一条不经意的路径,你就有可能自杀。电源线必须以大地为参考以提供防雷等功能,因此必须考虑这些因素。

电压和电流

在电中有正电荷(通常是质子)和负电荷(通常是电子)。

当一个物体带正电而另一个物体带负电时,就存在静电场。这是电压或电荷能够被静电场移动的电位。

如果在两者之间放置某种导体,就会有电流流动。这要么是电子流向质子(如在连接到电池的电线中),要么是质子流向电子(如荧光灯内),或两者都在两个方向上流动(如在某些电池中)。

地/地/0V/公共

大地和大地主要来自交流电。它们今天可以互换使用。在交流配电中,您实际上将电路的一侧连接到地面/大地/terra。

0V开始使用是因为它简单。如果您有一个 6V 电池,如果您希望名称也包含电压,您如何命名每个端子?+6V 和 0V 似乎是最简单的方法。+(6V) 和 -(6V) 也可以用作 6V 电位差的正极和负极 - 但这会令人困惑,人们可能会认为它们之间的电位是 12V,或者从一个到地的电位是6V,另一个是-6V等。

普通又不同了,并随着交流而变得有意义。如果您通过一根电线发送信号,那么读取该信号的任何人都需要测量电线和商定的“公共”点电压参考之间的电压。