Что такое земля и что она делает?

Я немного озадачен концепцией заземления и, возможно, напряжения, особенно когда пытаюсь проанализировать схему. Когда я узнал о законе Ома в начальной школе, я узнал, как применять закон для расчета тока, напряжения и сопротивления простых цепей.

Например, если нам дали следующую схему:

Нас можно было бы попросить рассчитать ток, проходящий через цепь. В то время я просто вычислял (основываясь на данных правилах) 1,5 В / 10 Ом = 1,5 А.

Позже, однако, я узнал, что причина, по которой напряжение резистора составляет 1,5 В, заключается в том, что напряжение действительно представляет собой разницу потенциалов между двумя точками, и что разница напряжения на батарее будет такой же, как и у резистор (поправьте меня, если я ошибаюсь) или 1,5 В. Я запутался, однако, после введения концепции земли.

В первый раз, когда я пытался выполнить расчет тока для цепи, аналогичной предыдущей схеме на симуляторе, программа жаловалась на отсутствие заземления и «источников плавающего напряжения». После небольшого поиска я узнал, что цепи должны быть заземлены как ориентир или по соображениям безопасности. В одном из объяснений было упомянуто, что можно выбрать любой узел для заземления, хотя обычно проектируют схемы, так что есть «простое место» для выбора заземления.

Таким образом, для этой схемы

Я выбрал землю в нижней части, но будет ли нормально выбрать землю между резисторами 7 Ом и 2 Ом или любым другим местом? И какая будет разница при анализе схемы?

Я читал, что есть 3 типичных символа заземления с разными значениями - заземление корпуса, заземление и заземление сигнала. Многие схемы, которые я видел в упражнениях, используют заземление или сигнальное заземление. Какова цель использования земли? С чем связано заземление сигнала?

Другой вопрос: поскольку земля имеет неизвестный потенциал, не будет ли ток течь к или от земли к цепи? Из того, что я прочитал, мы рассматриваем землю как 0 В, но разве не будет какого-то эффекта из-за разницы в потенциале цепи и земли? Будет ли эффект отличаться в зависимости от того, какое основание использовалось?

Наконец: при узловом анализе обычно выбирают заземление на отрицательном выводе батареи. Однако при наличии нескольких источников напряжения некоторые из них являются «плавающими». Какое значение имеет напряжение источника плавающего напряжения?

В первый раз, когда я пытался выполнить расчет тока для цепи, аналогичной предыдущей схеме на симуляторе, программа жаловалась на отсутствие заземления и «источников плавающего напряжения».

Ваш симулятор хочет иметь возможность выполнять свои расчеты и сообщать о напряжениях каждого узла относительно некоторой ссылки, а не сообщать о разнице между каждой возможной парой узлов. Вам нужно сказать ему, какой узел является ссылочным узлом.

Кроме этого, для хорошо спроектированной схемы «земля» не имеет значения в симуляции. Однако если вы спроектируете схему, в которой между двумя узлами нет пути постоянного тока, схема будет неразрешимой. Типичные SPICE-подобные имитаторы решают эту проблему, подключая дополнительные резисторы, обычно 1 ГОм, между каждым узлом и землей, поэтому возможно, что выбор заземляющего узла мог бы искусственно повлиять на результаты моделирования цепи с очень высоким сопротивлением.

Я выбрал землю в нижней части, но будет ли нормально выбрать землю между резисторами 7 Ом и 2 Ом или любым другим местом? И какая будет разница при анализе схемы?

Вы можете выбрать любой узел в качестве справки земли. Часто мы думаем заранее и выбираем узел, который исключит термины для уравнений (устанавливая их равными 0), или упрощает схему (позволяя нам указывать соединения через символ заземления, а не через связку линий).

Я читал, что есть 3 типичных символа заземления с разными значениями - заземление корпуса, заземление и заземление сигнала. Многие схемы, которые я видел в упражнениях, используют заземление или сигнальное заземление. Какова цель использования земли? С чем связано заземление сигнала?

Заземление используется для обозначения связи с чем-то, что физически связано с землей под нашими ногами. В типичном случае провод, идущий через здание вниз к медному пруту, врезанному в землю. Эта земля используется в целях безопасности. Мы предполагаем, что кто-то, кто управляет нашим оборудованием, будет связан с чем-то вроде земли заземлением своими ногами. Поэтому заземление является самым безопасным узлом цепи, к которому они могут прикоснуться, потому что оно не будет пропускать токи через их тело.

Заземление корпуса - это всего лишь потенциал корпуса или корпуса вашей цепи. В целях безопасности часто лучше подключать его к заземлению. Но назвав его «шасси» вместо «земли» означает , что вы не предполагали , что это будет связано.

Заземление сигнала часто отличают от заземления (и частично изолируют от него), чтобы минимизировать вероятность того, что токи, протекающие через провода заземления, будут мешать измерениям важных сигналов.

Другой вопрос: поскольку земля имеет неизвестный потенциал, не будет ли ток течь к или от земли к цепи?

Помните, что для протекания тока требуется полная цепь. Вам потребуется подключение к заземлению в двух местах, чтобы ток проходил и выходил из вашей цепи от заземления. Реально, вам также понадобится какой-нибудь источник напряжения (батарея, или антенна, или что-то еще) на одном из этих путей соединения, чтобы иметь постоянный поток между вашей цепью и землей.

Однако при наличии нескольких источников напряжения некоторые из них являются «плавающими». Какое значение имеет напряжение источника плавающего напряжения?

Если у меня есть источник напряжения со значением V между узлами a и b , это означает, что разница напряжений между a и b будет V вольт. Идеальный источник напряжения будет генерировать любой ток, необходимый для этого. Если один из узлов окажется заземленным, это немедленно даст вам значение на другом узле вашей системы отсчета. Если ни один из этих узлов не является «заземлением», то вам понадобятся некоторые другие соединения, чтобы установить значения напряжений на точках a и b относительно земли.

Иногда люди смущаются только из-за множества определений этого слова.

земля
существительное

1. твердая поверхность земли; твердая или сухая земля: упасть на землю
2. Часто основания. основание или основание, на котором основано убеждение или действие; причина или причина: основания для увольнения .

В контексте электроники иногда земля означает смысл 1 выше. В конце концов, Земля - ​​это примерно железного шара. Как и все остальное, он существует при некотором электрическом потенциале , и если вы прикрепите длинный проводящий стержень на Земле, вы можете сделать другие вещи, связанные с этим стержнем, примерно с тем же потенциалом:$6\cdot10^{24} kg$

Конечно, Земля действительно большая. Не все это в том же потенциале. На самом деле даже не близко. Огромное магнитное поле Земли постоянно меняется и вызывает токи по всей Земле. У других людей есть свои собственные стержни, застрявшие на Земле и наводящие потоки на Земле. Молния движется огромным потоком на Земле. Поскольку Земля не является идеальным проводником, и по закону Ома любой ток через любое сопротивление в значительной степени сопровождается напряжением, потенциал между двумя точками на Земле не одинаков, если вам не повезет, или точки очень близки друг к другу.

И, если вы когда-либо работали на устройстве с батарейным питанием, вы знаете, что электронные устройства могут прекрасно функционировать без подключения к Земле. Тем не менее, эти устройства имеют землю. Таким образом, это, вероятно, не тот смысл земли, который вы должны использовать для своей основы понимания электрики. Другой смысл, на котором основывается вера , вероятно, является лучшим началом.

Это очень проницательное наблюдение, что ваше замешательство также связано с напряжением. Основание , проще говоря, . Но чтобы понять, что это на самом деле означает, нужно действительно понять напряжение. Многие люди попадают в ловушку, думая, что, поскольку заземление составляет , то заземление там, где нет напряжения. Таким образом, везде должно быть напряжение. Но как только вы понимаете напряжение, вы видите, что это не может быть правдой.0 $0V$$0V$

Так что такое напряжение ? Более строгий термин для этого - разность электрических потенциалов . Все три слова являются частью понимания напряжения. Электрический очевиден.

Как насчет потенциала ? Потенциал имеет особое значение в физике. Потенциальная энергия - это способность некоторых вещей выполнять свою работу . Например, сжатая пружина, растянутая дуга или баллон с газом высокого давления могут выполнить работу, если ее освободить.

Вообразите шар наверху ската. Если шарику позволено катиться по рампе, внизу он будет двигаться довольно быстро. Он приобрел эту кинетическую энергию из потенциальной энергии, которую он имел наверху ската. Если не было других потерь (например, трения), то кинетическая энергия, полученная шаром, равна потенциальной энергии, которую он потерял, по закону сохранения энергии .

Это потенциальная энергия . Просто потенциал сам по себе имеет другое определение: это потенциальная энергия на единицу материала в некоторой точке системы. Очевидно, что массивный шар в верхней части рампы обладает большей потенциальной энергией, чем маленький шарик в верхней части той же рампы. Итак, два шара имеют разные потенциальные энергии в верхней части рампы, но они имеют одинаковый потенциал.

Это зависит от вида потенциала. Для гравитационных полей это масса. За электрические поля материал платный . Потенциальная энергия измеряется в джоулях . Гравитационный потенциал измеряется в . Затем электрический потенциал измеряется в джоулях на кулон ( ), что фактически является точным определением вольт .J /$J/kg$$J/C$

Итак, ранее мы говорили, что напряжение - это разность электрических потенциалов . Какая разница ? Представьте себе снова нашу рампу. Если вы предполагаете, что гравитация одинаково сильна где-нибудь на Земле (это только приблизительно верно , но является допустимым упрощающим допущением для многих практических разработок), то имеет ли значение расположение рампы? Это может быть в Долине Смерти или на горе Эверест : шар, покатившись по трапу, будет иметь в конце ту же кинетическую энергию. Потенциал в верхней и нижней части рампы не имеет значения; главное это разницав потенциале между верхом и низом. Если мы предполагаем, что гравитационное поле Земли является одним и тем же, где бы мы ни брали эту рампу, то имеет значение только высота рампы.

Итак, поскольку напряжение является разницей , нам нужно две точки, чтобы иметь напряжение. Если мы говорим, что какой-то узел в цепи составляет , то мы говорим, что это на больше, чем какой-то другой пункт. Основание - это другая точка, если контекст не говорит об обратном.5 $5V$$5V$

Аналогичное соглашение существует с высотой. Если я скажу, высота Mt. Эверест , вы предположить , что я имею в виду его высота составляет выше уровня моря . Я также могу переопределить эту ссылку с явным контекстом. Например, я могу сказать Mt. Эверест на выше К2 . Ссылка по умолчанию также может измениться. Например, если я скажу, что Олимп в Монсе равен , вы, вероятно, не предполагаете, что он находится выше уровня моря, а вместо этого - некоторые эквивалентные данные на Марсе. Не существует универсального ориентира для возвышения.8848 м 237 м 21229 $8848 m$$8848m$ $237m$$21229 m$

Поэтому земля является , так же , как уровень моря . Дело не в том, что земля не имеет напряжения или уровень моря не имеет возвышения: дело в том, что эти вещи являются различиями , а разница между вещью и самой собой равна . Таким образом, в земле нет магии . Это ничего не делает . Это просто узел в цепи, как и любой другой. Только по определению это также , и это определение существует просто как соглашение, упрощающее наше обсуждение схемы. Нет универсального заземления или0 м 0 0 В 0 $0V$$0m$$0$$0V$$0V$пока мы не определим что-то как таковое. Обычно это просто то, на что мы решаем наклеить символ земли. Мы можем поместить это где угодно, но мы обычно помещаем это там, где это делает вычисления проще и обсуждение проще.

Смежные вопросы:

• Является ли напряжение дельтой? Может ли оно всегда рассматриваться как разность потенциалов от контрольной точки?
• Разница между отрицательной клеммой и медной землей?

Смотрите мой ответ здесь о том, что земля и как термин "земля" используется в электронике. Значительные части этого ответа также имеют отношение к вопросу здесь.