连接到大地的电压源的单端

电器工程 电压 电池 地面
2022-01-08 16:13:44

这是我在开始学习电子学时一直在努力解决的一个概念性问题。

假设我们有一个电池,它的一个端子直接连接到一块很好的高导电接地片。进一步假设电池的电势大于地球的电势。现在我意识到这不是一个闭合电路,但是为什么电荷不会从电池流到地球呢?不存在一个电势会导致电池中的电子数量耗尽或至少减少到地球和电池之间的电势相同的点吗?这与静电放电背后的原理不一样吗(尽管这种情况并不意味着电位差如此之大?)

我已经阅读了参考接地的电子产品堆栈交换上的所有其他答案,但我仍然不满意。

4个回答

如果我正确理解您的问题,则不需要电池来演示此问题。假设您有任何对象,有某种潜力然后,你将它连接到其他一些潜力。有电流流动吗?假设它是一个金属立方体,它处于地球的电位,加上一伏特。然后,它突然连接到地球:

示意图

模拟此电路- 使用CircuitLab创建的原理图

简短的回答:没有电流流动。没有电流流动的电路。

但这是一个近似值,用于简化分析。我们忽略了一个重要的事实:所有事物对其他事物都有一定的电容金属立方体是电容器的一个板,而地球是另一个。所以电路实际上是这样的:

示意图

模拟这个电路

在这种情况下,当 V1 突然变为 0V 时,会流过一些电流。将流过的总电荷将取决于电容 \$C\$,它非常小。也许 \$1fF\$,即使这样。我们知道电容乘以电压就是电荷:

$$ CV = Q $$

因此,如果 V1 从 \$1V\$ 变为 \$0V\$ 且 \$C\$ 为 \$1fF\$ 时,将流过的总电荷为:

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

这是一个非常小的电荷,对于任何实际电路来说都是微不足道的。

将流动的电流是 \$V_1\$ 变化速度和电容 \$C\$ 的函数,根据:

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

那么这与 ESD 有什么关系呢?

当两个事物之间的电位差大到足以击穿这些事物之间的绝缘时,就会产生 ESD。通常,绝缘是空气。这需要多少电压取决于许多因素,我不是专家,但我们谈论的是以千伏为单位测量的差异。

由于您与其他一切之间的电容非常小,因此可以精确地获得这些高电压。再次回忆一下 \$CV=Q\$。我们可以将其重新排列为:

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

如果\$C\$ 非常小,那么非常小的电荷\$Q\$ 会导致非常高的电压。当您在地毯上移动时,您可能只会转移(隐喻的)少数电子,但这足以改变您相对于环境的电压。

一旦您谈论的是千伏,而不是前面示例中的 \$1V\$,那么微不足道的电流就不再那么微不足道了。请注意,它仍然很小,但它在如此短暂的时间内应用它可能会损坏敏感设备。

也许现代最常损坏的器件是MOSFET 中的栅极绝缘氧化物,它非常薄,可能有可能有 \$10V\$ 的击穿电压。如果你身上有足够的电荷来提高你的电压以消除你周围相对强的空气,那么二氧化硅的少数原子可以像湿纸巾一样保持电荷:

微观 ESD 损伤

进一步假设电池的电势大于地球的电势。

电池不带电

如果电池的一个端子连接到理想地(一个完美的电荷吸收器)并且电荷从该端子流出(或流入)到(从)地,则电池将充电。

但这会增加而不是减少系统的势能。 *

另一种看待这一点的方式是,如果电子离开电池,电池将带正电,这会将电子从地面吸引回电池

*根据降低系统能量的几何形状,可能会有一些微小的电荷重新分布。

这与静电放电背后的原理不一样吗(尽管这种情况并不意味着电位差如此之大?)

只有当有足够的潜力突破(或穿过)空气(或真空或其他一些气体)施加的屏障时,才会发生静电放电。

这里是对 Paschen 定律的解释。这与电弧所需的端子电压与端子之间的“间隙”有关,以在各种气体压力下产生电流:-

在此处输入图像描述

请注意,如果您的电池电压低于 100V,即使在最佳气体(氩气)的最佳压力下,您也很难让电流流动。但是,如果您的电池端子形状最佳,则更有可能使电流开始流动。除非有要求,否则我不会在这个答案中走这条路。

无论您的电池是否在一个端子上接地/接地都没有关系 - 电池两端的电位差(也称为电压)决定了它是否通过空气/气体/真空放电。

当我开始学习电子学时,这个问题与我的问题相同。

  1. 进一步假设电池的电位大于地球的电位,为什么我们将电池中的单个端子接地时没有电流流动?

答案很简单,因为电池是原电池,需要化学反应才能让电流从其端子流出。如果没有从 + 和 - 端子连接,那里就没有电流流过。

电池不像闪电,在空气和地面(大地、土壤)之间具有不同的电位(天空电压)。