¿Qué es el suelo y qué hace?

Question

Estoy un poco confundido con el concepto de tierra, y quizás también con el de tensión, sobre todo cuando se trata de analizar un circuito. Cuando aprendí la ley de Ohm en la escuela primaria, aprendí a aplicar la ley para calcular la corriente, el voltaje y la resistencia de los circuitos simples.

Por ejemplo, si nos dieran el siguiente circuito:

Se nos podría pedir que calculáramos la corriente que pasa por el circuito. En ese momento, yo simplemente calcularía (basándome en las reglas dadas) 1,5V/1Ohms=1,5A.

Más tarde, sin embargo, aprendí que la razón por la que el voltaje de la resistencia sería de 1,5V es porque el voltaje es realmente la diferencia de potencial entre dos puntos, y que la diferencia del voltaje a través de la batería sería la misma que la de la resistencia (corrígeme si me equivoco), o sea 1,5V. Sin embargo, me confundí tras la introducción del concepto de tierra.

La primera vez que intenté hacer el cálculo de la corriente para un circuito similar al anterior en un simulador, el programa se quejaba de no tener tierra y de "fuentes de tensión flotantes". Después de buscar un poco, me enteré de que los circuitos necesitan tierra como punto de referencia o por razones de seguridad. Se mencionó en una explicación que uno puede elegir cualquier nodo para la tierra, aunque se acostumbra a diseñar los circuitos para que haya un "lugar fácil" para elegir la tierra.

Así, para este circuito

Elegí la tierra en la parte inferior, pero ¿estaría bien elegir la tierra entre la resistencia de 7 ohmios y la de 2 ohmios, o en cualquier otro lugar? ¿Y cuál sería la diferencia al analizar el circuito?

He leído que hay 3 símbolos típicos de tierra con diferentes significados - tierra del chasis, tierra de la señal, y tierra de la señal. Muchos de los circuitos que he visto en los ejercicios utilizan la toma de tierra o la toma de señal. ¿Para qué sirve la toma de tierra? ¿A qué se conecta la tierra de señal?

Otra pregunta: dado que la tierra está a un potencial desconocido, ¿no habría corriente que fluye hacia o desde la tierra hacia el circuito? Por lo que he leído tratamos la tierra como 0V, pero ¿no habría algún tipo de efecto debido a la diferencia de potencial del circuito y la tierra? ¿El efecto sería diferente dependiendo de la tierra que se utilice?

Por fin: En el análisis nodal, se suele elegir una tierra en el terminal negativo de la batería. Sin embargo, cuando hay varias fuentes de tensión, algunas de ellas son "flotantes". ¿Qué significado tiene la tensión de una fuente de tensión flotante?

Answer 1

La primera vez que intenté hacer el cálculo de la corriente para un circuito similar al anterior en un simulador, el programa se quejó por no tener una tierra y "fuentes de tensión flotantes".

Tu simulador quiere ser capaz de hacer sus cálculos y reportar los voltajes de cada nodo en relación con alguna referencia, en lugar de tener que reportar la diferencia entre cada par de nodos posibles. Necesita que le digas qué nodo es el de referencia.

Aparte de eso, para un circuito bien diseñado, la "tierra" no tiene importancia en la simulación. Sin embargo, si se diseña un circuito en el que no hay un camino de corriente continua entre dos nodos, el circuito no tendrá solución. Los simuladores típicos de SPICE resuelven esto conectando resistencias adicionales, normalmente de 1 GOhm, entre cada nodo y tierra, por lo que es concebible que la elección del nodo de tierra pueda afectar artificialmente a los resultados de una simulación de un circuito de muy alta impedancia.

Elegí la tierra en la parte inferior, pero ¿estaría bien elegir la tierra entre la resistencia de 7 ohmios y la de 2 ohmios, o en cualquier otro lugar? ¿Y cuál sería la diferencia al analizar el circuito?

Puedes elegir cualquier nodo como tierra de referencia. A menudo pensamos con antelación y elegimos un nodo que elimine términos para las ecuaciones (poniéndolos a 0), o que simplifique el esquema (permitiéndonos indicar las conexiones a través de un símbolo de tierra en lugar de mediante un montón de líneas conectadas entre sí).

He leído que hay 3 símbolos típicos de tierra con diferentes significados - tierra del chasis, tierra de la señal, y tierra de la señal. Muchos de los circuitos que he visto en los ejercicios utilizan la tierra de la señal o la tierra del chasis. ¿Para qué sirve la toma de tierra? ¿A qué se conecta la tierra de señal?

La toma de tierra se utiliza para indicar una conexión con algo que está físicamente conectado a la tierra bajo nuestros pies. Un cable que atraviesa el edificio hasta una varilla de cobre clavada en el suelo, en un caso típico. Esta toma de tierra se utiliza por motivos de seguridad. Suponemos que alguien que maneja nuestros equipos estará conectado a algo como la toma de tierra por sus pies. Por lo tanto, la toma de tierra es el nodo del circuito más seguro para que lo toquen, porque no conducirá corrientes a través de su cuerpo.

La tierra del chasis es sólo el potencial de la caja o recinto de su circuito. Por motivos de seguridad, suele ser mejor conectarla a la toma de tierra. Pero llamarlo "chasis" en lugar de "tierra" significa que no has asumido que es conectado.

La toma de tierra de la señal suele distinguirse de la toma de tierra (y aislarse parcialmente de ella) para minimizar la posibilidad de que las corrientes que fluyen por los cables de tierra perturben las mediciones de las señales importantes.

Otra pregunta: dado que la tierra está a un potencial desconocido, ¿no habrá corriente que fluya hacia o desde la tierra hacia el circuito?

Recuerda que se necesita un circuito completo para que fluya la corriente. Necesitarías conexiones a tierra en dos lugares para que la corriente fluya dentro y fuera de tu circuito desde tierra. Siendo realistas, también necesitarías algún tipo de fuente de voltaje (una batería, o una antena, o algo) en una de esas vías de conexión para que haya un flujo sostenido de ida y vuelta entre tu circuito y la tierra.

Sin embargo, cuando hay varias fuentes de tensión, algunas de ellas son "flotantes". ¿Qué significado tiene la tensión de una fuente de tensión flotante?

Si tengo una fuente de tensión con valor V entre nodos a y b significa que la diferencia de tensión entre a y b será V voltios. Una fuente de tensión perfecta generará la corriente necesaria para que esto ocurra. Si uno de los nodos resulta ser tierra, eso te da inmediatamente el valor en el otro nodo de tu sistema de referencia. Si ninguno de esos nodos es "tierra", necesitarás otras conexiones para establecer el valor de las tensiones en a y b en relación con el suelo.

Answer 2

A veces la gente se confunde sólo por las muchas definiciones de la palabra.

suelo
sustantivo

1. la superficie sólida de la tierra; tierra firme o seca: caer al suelo
2. A menudo, fundamento. La base o fundamento en que se apoya una creencia o acción; razón o causa: motivos de despido .

En el contexto de la electrónica, a veces suelo significa el sentido 1 anterior. La Tierra es, después de todo, aproximadamente un \$6\cdot10^{24} kg\$ bola de hierro. Como todo lo demás, existe en algún potencial eléctrico Y si pones una varilla conductora larga en la Tierra, puedes hacer que otras cosas conectadas a esa varilla tengan aproximadamente el mismo potencial:

Por supuesto, la Tierra es muy grande. No toda ella está al mismo potencial. De hecho, ni siquiera se acerca. El enorme campo magnético de la Tierra está en constante cambio, e induce corrientes en toda la Tierra. Otras personas tienen sus propias varillas clavadas en la Tierra y ponen corrientes en la Tierra. Los rayos mueven una corriente tremenda en la Tierra. Como la Tierra no es un conductor perfecto, y por Ley de Ohm cualquier corriente a través de cualquier resistencia puede ir acompañada de una tensión, el potencial entre dos puntos de la Tierra no es el mismo, a menos que tengas suerte, o los puntos estén muy cerca el uno del otro.

Y, si alguna vez has utilizado un aparato a pilas, sabes que los dispositivos electrónicos pueden funcionar perfectamente sin conexión a la Tierra. Sin embargo, estos dispositivos sí tienen conexión a tierra. Por lo tanto, este no es probablemente el sentido de suelo que debe utilizar para su base de comprensión eléctrica. El otro sentido, la base sobre la que descansa una creencia probablemente sea un mejor comienzo.

Es una observación muy astuta que su confusión implique también la tensión. Tierra es, sencillamente, \$0V\$ . Pero para entender lo que esto significa realmente, hay que entender de verdad la tensión. Mucha gente cae en la trampa de pensar que como suelo est \$0V\$ entonces suelo es donde no hay tensión. Por lo tanto, debe haber tensión en todos los demás lugares. Pero, una vez que entiendes el voltaje, ves que esto no puede ser cierto.

Así que qué es la tensión ? El término más riguroso para ello es diferencia de potencial eléctrico . Las tres palabras forman parte de la comprensión de la tensión. Eléctrico es evidente.

¿Qué pasa con potencial ? Potencial tiene un significado específico en física. Potencial energía es la capacidad de hacer algún arreglo de cosas trabajo . Por ejemplo, un resorte comprimido, un arco estirado o un tanque de gas a alta presión tienen el potencial de hacer trabajo, si se liberan.

Imagina una pelota en lo alto de una rampa. Si la pelota se deja rodar por la rampa, en la parte inferior se moverá bastante rápido. Adquirió esta energía cinética de la energía potencial que tenía en la parte superior de la rampa. Si no hubiera otras pérdidas (rozamiento, por ejemplo), entonces la energía cinética ganada por la bola es igual a la energía potencial que perdió, por la ley de conservación de la energía .

Ese es el potencial energía . Sólo potencial por sí misma tiene una definición diferente: es la energía potencial por unidad de materia en algún punto de un sistema. Obviamente, una bola masiva en la parte superior de la rampa tiene más energía potencial que una bola pequeña en la parte superior de la misma rampa. Por lo tanto, las dos bolas tienen energías potenciales diferentes en la parte superior de la rampa, pero están al mismo potencial.

El tipo de material relevante que es depende del tipo de potencial. Para los campos gravitatorios, la materia es la masa. Para los campos eléctricos, la materia es carga . La energía potencial se mide en joules . Potencial gravitatorio se mide en \$J/kg\$ . Potencial eléctrico se mediría entonces en julios por coulomb ( \$J/C\$ ), que en realidad, es exactamente la definición del voltios .

Así que antes dijimos que el voltaje es el potencial eléctrico diferencia . ¿Cuál es el diferencia ? Imagina de nuevo nuestra rampa. Si se supone que la gravedad es igual de fuerte en cualquier lugar de la Tierra (esto es sólo aproximadamente cierto (pero es una suposición simplificadora válida para gran parte de la ingeniería práctica), entonces ¿importa la ubicación de la rampa? Podría estar en Valle de la Muerte o en Monte Everest La bola, después de rodar por la rampa, tendrá al final la misma energía cinética. El potencial en la parte superior e inferior de la rampa es irrelevante; lo importante es el diferencia en potencial entre la parte superior y la inferior. Si suponemos que el campo gravitatorio de la Tierra es el mismo dondequiera que llevemos esta rampa, entonces sólo la altura de la rampa es relevante.

Por lo tanto, como la tensión es un diferencia necesitamos dos puntos para tener una tensión. Si decimos que algún nodo de un circuito es \$5V\$ Entonces estamos diciendo que es \$5V\$ más que algún otro punto. El suelo es ese otro punto, a menos que el contexto diga lo contrario.

Una convención similar existe con la altura. Si digo que la altura del Monte Everest es \$8848 m\$ , supondrás que me refiero a que su altura es \$8848m\$ más que el nivel del mar . También puedo anular esta referencia con un contexto explícito. Por ejemplo, puedo decir que el Monte Everest es \$237m\$ superior a K2 . La referencia por defecto también puede cambiar. Por ejemplo, si digo que Olimpo Mons est \$21229 m\$ probablemente no suponga que está por encima del nivel del mar, sino algún dato equivalente en Marte. No existe una referencia universal para la elevación.

Por eso suelo est \$0V\$ , al igual que el nivel del mar \$0m\$ . No es que la tierra no tenga tensión, o el nivel del mar no tenga elevación: es que estas cosas son diferencias y la diferencia entre una cosa y ella misma es \$0\$ . Por lo tanto, no hay magia en suelo . No lo hace hacer cualquier cosa. Es sólo un nodo en el circuito, como cualquier otro. Sólo por definición es también \$0V\$ y esta definición existe sólo como una convención para simplificar nuestra discusión de un circuito. No existe una tierra universal o \$0V\$ hasta que definamos algo como tal. Por lo general, es cualquier cosa que decidamos pegar el símbolo de tierra. Podemos ponerlo donde queramos, pero solemos ponerlo donde hace que los cálculos sean más fáciles y la discusión más sencilla.

Preguntas relacionadas:

• ¿La tensión es un delta? ¿Puede tratarse siempre como una diferencia de potencial respecto a un punto de referencia?
• ¿Diferencia entre el terminal negativo y la tierra de cobre?

Answer 3

Ver mi respuesta aquí sobre qué es la tierra y cómo se utiliza el término "tierra" en la electrónica. Partes significativas de esa respuesta también son relevantes para la pregunta aquí.

Answer 4

Varias definiciones de suelo

Asumo que conoces la diferencia entre energía potencial eléctrica, potencial eléctrico y voltaje/tensión eléctrica/presión eléctrica/diferencia de potencial eléctrico.

La palabra suelo se utiliza para muchas cosas diferentes. Creo que la siguiente es una lista exhaustiva:

1. En electrónica y teoría/análisis de circuitos, la tierra es el nodo con respecto al cual se miden todas las demás tensiones nodales, independientemente de cuál sea el potencial eléctrico del nodo de tierra . En este contexto, es mejor llamar a este nodo como el punto/nodo de referencia o el punto/nodo común pero lamentablemente casi nadie los llama así (digo que es lamentable porque da la palabra suelo aún más significados).

   Elegir este nodo de referencia es lo que hacemos en el análisis nodal como primer paso, y lo que hacemos al medir los voltajes de un circuito físico con un osciloscopio, y lo que todos o la mayoría de los simuladores de circuitos (LTspice, PSpice, Multisim, etc.) hacen o requieren que hagamos (colocando un símbolo de tierra y conectándolo al menos a un nodo).

   Lamentablemente, muchos libros de texto sobre análisis de circuitos y probablemente todos los simuladores de circuitos utilizan el suelo para indicar el nodo de referencia, aunque dicho nodo no esté conectado a tierra (lea la definición #4; los simuladores deberían utilizar un símbolo diferente que deberíamos llamar el símbolo del nodo de referencia, para distinguirlo de la tierra real (lea las definiciones #2 y #3).

2. El suelo es el nodo o punto en el espacio definido como cero voltios de electricidad potencial (no cero voltios de tensión ) . En la teoría electromagnética, es necesario elegir un punto y definirlo como 0 V de potencial eléctrico, antes de calcular el potencial en cualquier otro punto del espacio. Por lo general, elegimos el suelo de la Tierra (lea la definición # 3) o un punto infinitamente lejos de la región del espacio en estudio.

   Al conectar o enlazar un terminal de un cable o conductor de pequeña resistencia o impedancia al nodo de tierra, el otro terminal de dicho cable estará muy cerca del mismo potencial que el de tierra. (No es exactamente en el potencial de tierra porque los cables reales tienen resistencia/impedancia, a diferencia de los cables ideales y los superconductores).

   Nótese que la definición #2 dice que tierra es el punto definido como cero voltios de potencial eléctrico, no de voltaje. La razón es que decir "este nodo arbitrario tiene cero voltaje" no tiene sentido sólo con esa frase. La tensión es una medida entre dos puntos en el espacio (y en general la trayectoria entre los dos puntos), pero si dices "el nodo de tierra tiene tensión cero", la pregunta que sigue es "¿respecto a qué otro nodo?", porque no tiene sentido hablar de la tensión en un solo punto (de forma similar a la altura en un solo punto). Si tu respuesta a la pregunta anterior es "con respecto a sí mismo", entonces esa definición de tierra no sería útil, porque todos los nodos tienen tensión cero con respecto a sí mismos, así que según esa definición todos los nodos son tierra. Así que no digas que la tierra tiene voltaje cero, sino que tiene potencial eléctrico cero. Si estás en EE.UU. y mides la tensión del cable vivo con respecto a sí mismo, el voltímetro leerá cero voltios, no 120 V RMS ni 240 V RMS.

3. El suelo es el suelo del planeta Tierra, como en el lugar donde nos encontramos; el suelo . Esto también se llama Tierra de CA .

4. El verbo a tierra ( conexión a tierra ) (terminología estadounidense) o a la tierra ( puesta a tierra ) (terminología británica), que significa para conectar/ligar un dispositivo/carga/componente a la toma de tierra (definición #3).

5. En los Estados Unidos, el panel principal de interruptores de una casa tiene un barra de tierra Conectado a la barra de neutro, y separado de la barra de neutro en los subpaneles. Leer esta respuesta .

6. La barra de tierra (léase definición #5) del panel principal del disyuntor se conecta a tierra (léase definición #4) utilizando un varilla de tierra fuera de la casa/edificio. Los sistemas eléctricos y las subestaciones también tienen barras de tierra.

7. Los aparatos tienen un cable de tierra/de tierra (terminología estadounidense), además de los dos cables vivos/activos (para aparatos de 240 V) o además del cable vivo y el neutro/ conectado a tierra (para aparatos de 120 V) en los Estados Unidos. Para esta definición, así como para la #5 y #6, vea este video , este video y este video .

8. Existe una condición en un circuito conocida como bucle de tierra . Ver este video , este video y este video . Como en Estados Unidos muchos transformadores de distribución tienen el terminal central del devanado de baja tensión de fase dividida conectado a tierra (mediante una barra de tierra), entonces técnicamente hablando hay muchos bucles de tierra en la red eléctrica estadounidense.

9. El Símbolo de tierra (para la definición #3), que tiene tres segmentos de línea paralelos horizontales de longitud decreciente; el símbolo de tierra del chasis (para el chasis o el recinto de un equipo o del coche, incluso si no está conectado a tierra [lea la definición #4]), que tiene segmentos de líneas diagonales paralelas; el * símbolo de tierra/señal de tierra (para la definición nº 1, aunque no sea de tierra), que es un triángulo hueco o relleno. Leer esta respuesta y esta página web .

   El uso de múltiples símbolos de tierra de señal en un diagrama/esquema de circuito permite dibujar el diagrama con menos cables, haciéndolo más fácil y rápido de leer.

10. En electrónica, el nodo de tierra , carril de tierra o simplemente suelo est el nodo o carril del circuito donde se conecta el terminal negativo de la alimentación de corriente continua o de la batería, aunque dicho nodo no esté conectado a tierra (léase la definición nº 4) . Suele tener un terminal de muchos dispositivos/componentes conectados a él. También se denomina Tierra DC . Desafortunadamente, podemos utilizar el símbolo de tierra (leer definición #9) para indicar dicho nodo (así como en el análisis nodal y en los simuladores de circuitos para el nodo de referencia [leer definición #1]), lo que puede dar la impresión de que dicho nodo está conectado a tierra, cuando en realidad puede no estarlo.

11. El clavija de tierra de un chip integrado.

Observe las definiciones que utilizan la palabra suelo Sólo pueden confundirse las definiciones #1, #2, #3 y #10.

Sus preguntas

La primera vez que intenté hacer el cálculo de la corriente para un circuito circuito similar al anterior en un simulador, el programa se quejó por no tener tierra y "fuentes de tensión flotantes". Después de un poco de de búsqueda, aprendí que los circuitos necesitan tierra como punto de referencia o por razones de seguridad. Se mencionó en una explicación que uno puede elegir cualquier nodo para la tierra, aunque se acostumbra a diseñar circuitos para que haya un "lugar fácil" para elegir la tierra.

Correcto. En la frase anterior, su primer uso de suelo (en "como punto de referencia) es como se define en la def. #1, así que en su lugar lo llamaré nodo de referencia ; su segundo uso (en "o por razones de seguridad") puede ser como se define en las def. #5, #6 y #7 (están relacionados; mira los vídeos de la def. #7).

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Escogí tierra en el fondo, pero ¿estaría bien escoger tierra entre la resistencia de 7 ohmios y la de 2 ohmios, o en cualquier otro lugar? ¿Y cuál sería la diferencia al analizar el circuito? sería la diferencia al analizar el circuito?

Sí, estaría bien. En general, todas las tensiones nodales cambiarían, pero las tensiones de los elementos ( es decir tensiones a través de dispositivos, como todo tipo de fuentes ideales independientes y dependientes, resistencias, condensadores, inductores, diodos, etc.)

El enfoque general para el análisis sería el mismo (aplicar KCL en todos los nodos excepto el de referencia, utilizar las ecuaciones de tensión-corriente de los elementos, derivar las ecuaciones auxiliares para las fuentes dependientes y los supernodos, escribir las tensiones de los elementos en términos de tensiones nodales, resolver), excepto el hecho de que las expresiones específicas (o los valores numéricos) serían diferentes.

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He leído que hay 3 símbolos típicos de tierra con diferentes significados - tierra del chasis, tierra de la tierra, y tierra de la señal. Una gran cantidad de circuitos que he visto utilizados en los ejercicios o bien utilizar la tierra o la señal de señal. ¿Para qué sirve la toma de tierra? ¿Qué es la tierra de la señal conectada?

Como dije en def. #9:

• El símbolo de tierra se utiliza para def. #3 ( es decir que indica una conexión del nodo con la toma de tierra).

• El símbolo de tierra del chasis se utiliza para indicar una conexión del nodo con el chasis o la carcasa de un equipo o del coche, incluso si no está conectado a tierra (leer def. #4).

• El símbolo de tierra/señal de tierra se utiliza para def. #1 ( es decir para indicar el nodo de referencia para el análisis nodal, los simuladores de circuitos y la medición de tensiones con un osciloscopio), incluso si no está conectado a tierra.

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Otra pregunta: dado que la tierra está a un potencial desconocido, ¿no habría ¿habría corriente que fluye hacia o desde la tierra hacia el circuito? Por lo que he leído he leído que tratamos la tierra como 0V, pero ¿no habría algún tipo de de efecto debido a una diferencia de potencial del circuito y tierra? ¿El efecto sería diferente dependiendo de la tierra que se utilice? tierra que se utilice?

El hecho de que la corriente (carga o partículas cargadas, para ser exactos) fluya a través del símbolo de tierra en un diagrama de circuito depende de cómo se dibuje el circuito. Un circuito determinado puede dibujarse de diferentes maneras, y en algunas de ellas la corriente fluirá a través del símbolo de tierra mientras que en otras no lo hará. Leer esta respuesta Escribí para obtener un ejemplo e ilustraciones.

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Por fin: En el análisis nodal, se acostumbra a elegir una tierra en el terminal negativo de la batería. Sin embargo, cuando hay múltiples fuentes de tensión, algunas de ellas son "flotantes". ¿Qué significado tiene la tensión de una fuente de tensión flotante?

En la frase anterior, ha utilizado suelo como se define en la def. #1, así que en su lugar lo llamaré nodo de referencia .

Consideremos dos circuitos súper simples (una fuente de tensión en serie/paralelo con una resistencia, para cada circuito), que están aislados conductivamente entre sí ( es decir no hay cables que conecten ningún nodo entre ellos). Supongamos que se elige el nodo del terminal negativo de la fuente de tensión de uno de los circuitos como nodo de referencia (léase definición nº 1), como se muestra en la siguiente figura. Entonces, es imposible determinar las tensiones nodales del otro circuito. Usted o un simulador de circuitos no podría resolver las ecuaciones de las tensiones nodales, porque no habría ninguna ecuación conocida que relacionara las tensiones o las corrientes entre ambos circuitos.

Para resolver este problema, puedes conectar el nodo del terminal negativo de la fuente de tensión del segundo circuito al del primer circuito, como se muestra en la siguiente figura.