Un solo terminal de la fuente de tensión conectado a tierra

Question

Esta es una cuestión conceptual con la que sigo luchando desde que empecé a estudiar electrónica.

Supongamos que tenemos una batería y uno de sus bornes está conectado directamente a un buen trozo de tierra de alta conductividad. Supongamos además que el potencial de la batería es mayor que el de la Tierra. Soy consciente de que no se trata de un circuito cerrado, pero ¿por qué no fluiría la carga de la pila a la Tierra? ¿No existe un potencial eléctrico que haga que la cantidad de electrones de la pila se agote o al menos disminuya hasta el punto en que el potencial eléctrico entre la Tierra y la pila sea el mismo? ¿No es éste el mismo principio que subyace a la descarga electrostática (aunque este escenario no implique una diferencia de potencial tan grande)?

He leído todas las respuestas aquí en electronics.stackexchange que hacen referencia a la tierra, y todavía no estoy satisfecho.

Answer 1

Si he entendido bien tu pregunta, no hace falta una batería para demostrar este problema. Digamos que usted tiene cualquier objeto, en algún potencial . Luego, lo conectas a otro potencial. ¿Corre corriente? Digamos que es un cubo de metal, y está al potencial de la Tierra, más un voltio. Entonces, de repente se conecta a la Tierra:

simular este circuito - Esquema creado con CircuitLab

Respuesta corta: no fluye corriente. No hay circuito por el que circule corriente.

Pero se trata de una aproximación, hecha para simplificar el análisis. No tenemos en cuenta un hecho importante: todo tiene algunos capacitancia a todo si no. El cubo metálico es una placa del condensador, y la Tierra es la otra. Así que el circuito es en realidad esto:

simular este circuito

En este caso, cuando V1 se convierte repentinamente en 0V, fluirá algo de corriente. La carga total que fluirá dependerá de la capacitancia \$C\$ que es muy pequeño. Tal vez \$1fF\$ ni siquiera eso. Sabemos que la capacitancia multiplicada por la tensión es la carga:

$$ CV = Q $$

Así que la carga total que fluirá si V1 pasa de \$1V\$ a \$0V\$ y \$C\$ es \$1fF\$ es:

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

Se trata de una carga muy pequeña, mucho más que insignificante para cualquier circuito práctico.

La corriente que fluirá está en función de lo rápido que \$V_1\$ cambia, y la capacitancia \$C\$ según:

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

¿Qué relación tiene esto con la ESD?

ESD es lo que se obtiene cuando la diferencia de potencial entre dos cosas es lo suficientemente grande como para romper el aislamiento entre esas cosas. Normalmente, ese aislamiento es aire. La tensión necesaria depende de muchos factores, y no soy un experto, pero estamos hablando de diferencias medidas en kilovoltios.

Estos altos voltajes se consiguen precisamente gracias a la pequeñísima capacitancia que hay entre tú y todo lo demás. Recordemos que \$CV=Q\$ . Podemos reordenar eso como:

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

Si \$C\$ es muy pequeña, entonces una carga muy pequeña \$Q\$ puede provocar una tensión muy elevada. Cuando te arrastras por la alfombra puede que sólo transferir un (metafórico) puñado de electrones pero eso es suficiente para cambiar bastante tu voltaje en relación a tu entorno.

Una vez que usted está hablando de kilovoltios, y no el \$1V\$ en el ejemplo de antes, esa corriente insignificante ya no lo es tanto. Sigue siendo pequeña, eso sí, pero se aplica en un instante tan breve que puede dañar dispositivos sensibles.

Tal vez el dispositivo que más se daña en los tiempos modernos es el óxido aislante de puerta en los MOSFET que es tan delgada que podría tener un voltaje de ruptura de tal vez \$10V\$ . Si tuvieras suficiente carga encima para elevar tu voltaje lo suficiente como para hacer zapping en el aire relativamente fuerte que te rodea, entonces los pocos átomos de dióxido de silicio pueden retener esa carga tan bien como el papel de seda mojado:

Answer 2

Supongamos además que el potencial de la pila es superior a de la Tierra.

Las pilas no se cargan eléctricamente .

Si un terminal de una batería está conectado a una masa ideal (un sumidero perfecto para la carga eléctrica) y la carga fluyera desde (o hacia) ese terminal a (desde) la masa, la batería se cargaría eléctricamente.

Pero esto aumentar la energía potencial del sistema en lugar de disminuir it.*

Otra forma de ver esto es que si, por ejemplo, los electrones abandonaran la pila, ésta se cargaría positivamente, lo que haría que atraer electrones de la tierra de vuelta a la batería .

*Puede haber alguna redistribución minúscula de la carga en función de la geometría que disminuya la energía del sistema.

Answer 3

¿No es este el mismo principio que está detrás de la descarga electrostática (aunque este escenario no implica una diferencia tan grande de potencial).

La descarga electrostática sólo puede producirse si existe potencial suficiente para atravesar la barrera impuesta por el aire (o el vacío u otro gas).

Aquí es una explicación de la ley de Paschen. Se refiere a la tensión necesaria en los terminales en función de la "separación" entre terminales para que un arco eléctrico provoque un flujo de corriente a distintas presiones de gas: -

Ten en cuenta que si tu batería está por debajo de 100V, incluso a la presión óptima para el gas más óptimo (Argón) te costaría conseguir que fluyera la corriente. Sin embargo, si los terminales de la batería tuvieran una forma óptima, habría más posibilidades de que empezara a fluir la corriente. No voy a seguir ese camino en esta respuesta a menos que se me pida.

No importa si su batería está conectada a tierra en un terminal o no - es la diferencia de potencial (también conocida como tensión) a través de la batería lo que determina si se descarga a través del aire/gas/vacío.

Answer 4

Esta pregunta es la misma que me hice cuando empecé a estudiar electrónica.

1. Más información en asuma que el potencial de la batería es mayor que el de la Tierra, ¿por qué no hay flujo de corriente cuando conectamos el único borne de la batería a tierra?

Respuesta sencilla, porque la batería es un célula galvánica que necesita una reacción química para permitir que la corriente fluya desde sus terminales. Sin conexión entre los terminales + y -, no fluye corriente por ellos.

La batería no es como un rayo que tiene un potencial diferente ( tensión del cielo ) entre el aire y el suelo (tierra, suelo).

Answer 5

La batería no tiene carga neta. Incluso en un circuito cerrado, la carga neta de la batería es cero. Sin embargo, cuando la batería está conectada en un circuito cerrado, lo que significa que se ha establecido un camino conductor entre los terminales (+) y (-) de la batería, carga se bombean a través de la trayectoria conductora entre los terminales de las baterías porque hay un diferencia de potencial entre los terminales.

Conectar un solo terminal de una batería ordinaria a la suciedad conductora de tierra sería lo mismo que conectar un objeto conductor que no tiene carga neta a tierra; no pasa nada. Conectar sólo un terminal a tierra es lo mismo que guardar la pila en un cajón de madera (excepto que dejar el terminal en tierra probablemente la corroerá).

Si conectara ambos terminales a la suciedad conductora de la toma de tierra, entonces habrá completado el circuito y la carga fluirá a través de la masa entre los terminales de la batería.

Si digamos que tienes una batería con 3000 V de diferencia de potencial entre sus terminales, y conectas un terminal a la tierra conductora y mantienes un entrehierro máximo de 1 mm entre el otro terminal y la tierra, es probable que el aire se rompa y complete el circuito (terminal de la batería, tierra, aire ionizado, otro terminal de la batería) permitiendo que la corriente fluya entre los terminales de la batería.