Thiết bị đầu cuối duy nhất của nguồn điện áp gắn liền với mặt đất

Đây là một câu hỏi khái niệm tôi tiếp tục đấu tranh khi tôi đã bắt đầu nghiên cứu điện tử.

Giả sử chúng ta có pin và một trong các thiết bị đầu cuối của nó được kết nối trực tiếp với một miếng đất đẹp có độ dẫn điện cao. Hơn nữa giả định rằng tiềm năng của pin lớn hơn Trái đất. Bây giờ tôi nhận ra rằng đây không phải là một mạch kín, nhưng tại sao sẽ không sạc dòng chảy từ pin đến Trái đất? Không tồn tại một tiềm năng điện nào có thể làm cho số lượng electron trong pin bị cạn kiệt hoặc ít nhất là giảm đến mức mà điện thế giữa Trái đất và pin là như nhau? Đây không phải là cùng một hiệu trưởng đằng sau phóng tĩnh điện (mặc dù kịch bản này không ngụ ý sự khác biệt lớn như vậy trong tiềm năng?)

Tôi đã đọc tất cả các câu trả lời khác ở đây trên Electronics.stackexchange tham chiếu mặt đất, và tôi vẫn không hài lòng.

Nếu tôi hiểu chính xác câu hỏi của bạn, pin không cần thiết để chứng minh vấn đề này. Nói rằng bạn có bất kỳ đối tượng, tại một số tiềm năng . Sau đó, bạn kết nối nó với một số tiềm năng khác. Có một số dòng chảy hiện tại? Giả sử nó là một khối kim loại, và nó có tiềm năng của Trái đất, cộng với một volt. Sau đó, nó đột nhiên được kết nối với Trái đất:

^{mô phỏng mạch này - Sơ đồ được tạo bằng CircuitLab}

Câu trả lời ngắn: không có dòng chảy. Không có mạch cho dòng chảy.

Nhưng đây là một xấp xỉ, được thực hiện để đơn giản hóa phân tích. Chúng tôi đang bỏ qua một thực tế quan trọng: tất cả mọi thứ có một số điện dung để tất cả mọi thứ khác. Khối kim loại là một tấm của tụ điện, và Trái đất là cái khác. Vì vậy, mạch thực sự là thế này:

^{mô phỏng mạch này}

Trong trường hợp này, khi V1 đột nhiên trở thành 0V, một số dòng điện sẽ chảy. Tổng điện tích sẽ chảy sẽ phụ thuộc vào điện dung , rất nhỏ. Có lẽ , nếu thậm chí đó. Chúng ta biết rằng điện áp lần điện áp là điện tích:1 f $C$$1fF$

Vì vậy, tổng điện tích sẽ chảy nếu V1 đi từ đến và là là:0 V C 1 f $1V$$0V$$C$$1fF$

Đây là một khoản phí rất nhỏ, vượt xa không đáng kể đối với bất kỳ mạch thực tế nào.

Dòng điện sẽ chảy là một hàm của thay đổi nhanh như thế nào và điện dung , theo:$V_1$$C$

Vì vậy, làm thế nào điều này liên quan đến ESD?

ESD là những gì bạn nhận được khi sự khác biệt tiềm năng giữa hai thứ đủ lớn để phá vỡ sự cách nhiệt giữa những thứ đó. Thông thường cách nhiệt đó là không khí. Bao nhiêu điện áp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố, và tôi hầu như không phải là một chuyên gia, nhưng chúng ta đang nói về sự khác biệt được đo bằng kilovolt.

Những điện áp cao này có thể đạt được chính xác do điện dung rất nhỏ giữa bạn và mọi thứ khác. Nhớ lại một lần nữa rằng . Chúng ta có thể sắp xếp lại như:$CV=Q$

Nếu rất nhỏ, thì một điện tích rất nhỏ có thể dẫn đến điện áp rất cao. Khi bạn xáo trộn trên tấm thảm, bạn chỉ có thể chuyển một số electron (ẩn dụ) , nhưng điều đó đủ để thay đổi điện áp của bạn so với môi trường của bạn khá nhiều.$C$$Q$

Một khi bạn đang nói về kilovolt, và không phải là trong ví dụ như trước đây, dòng điện không đáng kể đó không còn quá đáng kể nữa. Vẫn còn nhỏ, làm phiền bạn, nhưng nó được áp dụng trong một thời gian ngắn như vậy nó có thể làm hỏng các thiết bị nhạy cảm.$1V$

Có lẽ thiết bị bị hư hỏng phổ biến nhất trong thời hiện đại là oxit cách điện cổng trong MOSFET , mỏng đến mức có thể có điện áp đánh thủng có thể là . Nếu bạn có đủ điện tích để tăng điện áp đủ để làm giảm không khí tương đối mạnh xung quanh bạn, thì một vài nguyên tử silicon dioxide có thể giữ lại điện tích đó cũng như giấy lụa ướt:$10V$

Hơn nữa giả định rằng tiềm năng của pin lớn hơn Trái đất.

Pin không được sạc điện .

Nếu một cực của pin được kết nối với mặt đất lý tưởng (một bồn hoàn hảo để sạc điện) và điện tích sẽ chảy ra (hoặc vào) cực đó đến (từ) mặt đất, pin sẽ được sạc điện.

Nhưng điều này sẽ làm tăng năng lượng tiềm năng của hệ thống chứ không làm giảm nó. *

Một cách khác để thấy điều này là nếu các electron rời khỏi pin, pin sẽ được tích điện dương sẽ thu hút các electron từ mặt đất trở lại pin .

* Có thể có một vài phút phân phối lại điện tích tùy thuộc vào hình học làm giảm năng lượng của hệ thống.

Đây không phải là cùng một hiệu trưởng đằng sau phóng tĩnh điện (mặc dù kịch bản này không ngụ ý sự khác biệt lớn như vậy trong tiềm năng?)

Phóng tĩnh điện chỉ có thể xảy ra nếu có đủ tiềm năng để vượt qua (hoặc xuyên qua) hàng rào áp đặt bởi không khí (hoặc chân không hoặc một số loại khí khác).

Đây là một lời giải thích về luật của Paschen. Điều này liên quan đến điện áp đầu cực cần thiết so với "khoảng cách" giữa các cực cho hồ quang điện để gây ra dòng điện ở các áp suất khí khác nhau: -

Lưu ý rằng nếu pin của bạn dưới 100V, ngay cả ở áp suất tối ưu cho khí tối ưu nhất (Argon), bạn sẽ phải vật lộn để có dòng điện chạy. Tuy nhiên, nếu các cực pin của bạn được định hình tối ưu thì sẽ có cơ hội tốt hơn để bắt đầu dòng điện. Tôi sẽ không đi theo con đường đó trong câu trả lời này trừ khi được yêu cầu.

Sẽ không có vấn đề gì nếu pin của bạn được nối đất / nối đất tại một cực hay không - đó là sự khác biệt tiềm năng (còn gọi là điện áp) trên pin để xác định xem nó có xả qua không khí / khí / chân không hay không.

Câu hỏi này giống như câu hỏi của tôi, khi tôi bắt đầu học ngành điện tử.

1. Hơn nữa giả định rằng tiềm năng của pin lớn hơn Trái đất, tại sao không có dòng điện khi chúng ta kết nối thiết bị đầu cuối duy nhất trong pin với mặt đất?

Câu trả lời đơn giản, vì pin là một tế bào điện , cần một phản ứng hóa học để cho phép dòng điện chạy từ các cực của nó. Không có kết nối từ + và - thiết bị đầu cuối, không có dòng điện chạy ở đó.

Pin không giống như sét có tiềm năng khác nhau ( điện áp bầu trời ) giữa không khí và mặt đất (đất, đất).

Pin không có sạc ròng. Ngay cả trong một mạch kín, phí ròng trên pin bằng không. Tuy nhiên, khi pin được kết nối trong một mạch kín, có nghĩa là một đường dẫn đã được thiết lập giữa các cực (+) và (-) của pin, các hộp sạc được bơm qua đường dẫn giữa các cực của pin vì có tiềm năng sự khác biệt giữa các thiết bị đầu cuối.

Kết nối một cực của pin thông thường với bụi bẩn dẫn điện của trái đất sẽ giống như kết nối một vật dẫn điện không có điện tích chạm đất; chẳng có gì xảy ra. Chỉ kết nối một thiết bị đầu cuối với mặt đất cũng giống như lưu trữ pin trong ngăn kéo bằng gỗ (ngoại trừ việc để thiết bị đầu cuối trong mặt đất sẽ có khả năng ăn mòn nó)

Nếu bạn kết nối cả hai cực với bụi bẩn dẫn điện trên trái đất, thì bạn đã hoàn thành mạch và điện tích sẽ chảy qua mặt đất giữa các cực của pin.

Nếu nói rằng bạn có một pin có sự khác biệt tiềm năng 3000 V giữa các cực của nó và kết nối một cực với bụi bẩn dẫn điện của trái đất và duy trì khoảng cách không khí tối đa là 1 mm giữa các cực khác và mặt đất, không khí có thể sẽ bị hỏng và hoàn thành mạch (cực pin, đất, không khí bị ion hóa, cực pin khác) cho phép dòng điện chạy giữa các cực của pin.