Un circuito sin diferencia de tensión, pero con flujo de corriente

Question

De Michael en Escépticos Stackexchange :

¿Qué tal un cable que esté conectado a tierra? Es seguro de tocar, ¿verdad? ERROR.

   ________________ 30 amps -> ________________
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 220V                                        Load
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  |______(YOU ARE HERE)______<- 30 amps________|
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Ground

El cable que tocaste no sólo estaba a 0 voltios, sino que también estaba conectado a tierra, y sin embargo, usted te sientes bastante mal en este diagrama. Has dejado de ser como un humano, y ahora eres parte de un circuito, funcionando como parte de un tramo de retorno (imagen de arriba) o como un "camino paralelo a tierra" (no imagen de arriba).

No entiendo cómo puede funcionar esto. Si el cable está a 0 voltios y tú estás a 0 voltios, entonces no hay diferencia de potencial y, por lo tanto, yo esperaría que no hubiera corriente. ¿Esta física es correcta?

Answer 1

Estoy aturdido ¡Aturdido! -- que nadie haya mencionado la diferencia de voltaje entre el "neutro" y la "tierra de seguridad". Cualquiera que tenga un multímetro puede introducir las sondas en las ranuras de "neutro" y "tierra" de una toma de corriente estándar de 3 clavijas y medir por sí mismo la diferencia de voltaje entre esos dos puntos. Esa diferencia es no cero - incluso cuando ambas líneas están correcta y sólidamente conectadas a "tierra" en un solo punto.

Esta situación implica pequeñas resistencias que normalmente se pueden despreciar, pero no en este caso.

No se trata de una situación en la que "no hay diferencia de tensión".

   ________________ 30 amps -> ________________
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 220V                                        Load
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  |__________________________<- 30 amps________|
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  |______(YOU ARE HERE)___|
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Ground

El cable que tocaste no sólo estaba a 0 voltios, sino que también estaba conectado a tierra

No. Uno de los extremos del cable conectado al poste de tierra está conectado a tierra a 0 voltios, pero el otro extremo que está sosteniendo no es exactamente 0 voltios.

... ...

No entiendo cómo puede funcionar esto. Si el cable está a 0 voltios y tú estás a 0 voltios, entonces no hay diferencia de potencial y por lo tanto esperaría que no hubiera corriente. ¿Esta física es correcta?

El cable no está a 0 voltios, y por lo tanto hay es corriente a través de su cuerpo.

Volvamos a dibujar este diagrama, incluyendo algunas resistencias que son normalmente insignificante:

   ________________ 30 amps -> ________________
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 220V                                        Load: R1
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  |_r2__________r6_______r4____<- 30 amps______|
  |                         |
  |r3_____(YOU ARE HERE)_r5_|
  |
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Ground

Cuando 2 cables físicos se tocan, hay una resistencia de contacto. (Regla general: suele ser de unos 0,1 ohmios). Eso es r2, r3, r4, r5.

Cuando la corriente fluye de un extremo a otro de un cable largo, la resistencia (r6) suele ser muy insignificante, pero no en este caso. Un cable alargador de cobre de 16 AWG tiene una resistencia de unos 4 mili-ohmios por pie. Por lo tanto, el conductor "neutro" de un cable de 6 metros de largo tiene una resistencia de unos 0,08 Ohm del cobre (sin incluir la resistencia de contacto).

Aunque más de los 30 A pasa por el humano y fluye en los cables de cobre, una pequeña cantidad de esos 30 A pasa por el humano.

La tensión a través del humano es de aproximadamente 30 A * ( 0,1 Ohm + 0,08 Ohm + 0,1 Ohm) =~= 8 V. De 220 VAC, unos meros 8 VAC suelen ser insignificantes, pero no en este caso. Si algún humano tiene una resistencia de 100 Ohmios (normalmente es un orden de magnitud más), La corriente a través de ese humano sería aproximadamente 8 V / 100 Ohm =~= 80 mA.

Esto es más que los 60 mA AC que pueden causar la muerte por fibrilación ventricular.

Answer 2

Si estás en el circuito en ese punto, entonces hay un potencial de 240V diferente a través de ti. Un lado tuyo está a 0V y no hay diferencia de potencial entre tú y la línea de 240V (excepto por la resistencia del cable) y por lo tanto ese lado tuyo está a 140V

Si te refieres a que estás parado en el suelo y tocas el circuito en ese punto, entonces no, la línea está aproximadamente a 0 y no hay diferencia de potencial.

Obviamente, en el mundo real no lo hagas, ¡por si acaso!

Answer 3

La cuestión es que al tocar un cable, estás aumentando el circuito contigo mismo como resistencia. (Al principio escribí "introduciéndote a ti mismo", pero como señaló el comentario de mmc, es una frase engañosa). Y siempre que cambias el trazado de un circuito eléctrico, todos los potenciales y corrientes están sujetos a cambios. Así que el cable que está a potencial de tierra antes de que lo toques no necesariamente seguirá estando al mismo potencial después de que lo toques.

En este caso concreto, supongo que el $30\ \mathrm{A}$ es la corriente que fluye sólo con la batería y la carga.

Se puede calcular que la resistencia de la carga tiene que ser $7.3\ \Omega$ .

Si pudieras introducirte en el circuito como se muestra en el diagrama, estarías añadiendo resistencia al circuito, lo que reduce la corriente. La resistencia del cuerpo humano varía mucho en función de varios factores, pero un valor "típico" podría ser del orden de $10\ \mathrm{k\Omega}$ que reduce la corriente a una pequeña fracción de amperio.

Sin embargo, incluso con esa pequeña corriente, vas a experimentar una gran caída de tensión porque tu resistencia es muy grande en comparación con el resto del circuito. En el diagrama anterior, habría una caída de tensión de $219.8\ \mathrm{V}$ a través de su cuerpo. Al introducirte en el circuito, has evitado que el cable que sale de la carga se conecte a tierra.

Tenga en cuenta que si está tratando de determinar si se trata de una situación peligrosa, el valor que debe mirar es el actual de $0.022\ \mathrm{A}$ , no el $219.8\ \mathrm{V}$ caída de tensión. Eso es lo que significa decir que es la corriente la que te mata, no la tensión.

En cambio, si te agarras al cable estando en el suelo (lo que parece una situación más realista), no te estás introduciendo en el circuito. En su lugar, acabas con una configuración más parecida a esta,

En este caso, el cable que sale de la resistencia de carga sigue estando a potencial cero porque está conectado a tierra a través de una ruta de resistencia cero. (Tenga en cuenta que este es un modelo ideal; los cables reales tienen alguna pequeña resistencia distinta de cero, por lo que en la realidad el cable no estaría exactamente a cero voltios). Así que la diferencia de voltaje a través de su cuerpo va a ser básicamente cero.

Además, cualquier corriente que fluya entre el circuito y la tierra puede hacerlo por uno de los dos caminos, a través de ti o a través del cable abierto. Como tu resistencia corporal es mucho mayor que la del cable, básicamente toda la corriente pasará por el cable, no por tu cuerpo.

Answer 4

Habrá tensión a través de ti ya que eres parte del circuito. ¿Cuánto? Bueno, aplica la ley de Kirchoff,

$220 = IR + v$

donde $I$ es la corriente en el circuito y también a través de su cuerpo que es $30 amp$ en este caso, $R$ es la resistencia de la carga. $v$ es la tensión a través de ti.

$v = 220 - IR$ o $v = 220 - 30R$

Esta es la tensión en un punto justo a la derecha de (estás aquí). Como ves, no está a 0 voltios. El voltaje en un punto justo a la izquierda de (estás aquí) es 0 sin embargo.

Por lo tanto, 30 amperios de corriente fluirán a través de su cuerpo que es peligroso.

No intentes este experimento.