Warum fließt kein Strom zur Erdung, wenn ich die Erdungsklemme meines Oszilloskops an einen erdfreien Stromkreis anschließe?

Das vorliegende Problem könnte darin bestehen, die physische Welt mit der idealen Schaltungswelt in Beziehung zu setzen.

Es gibt keine Möglichkeit für uns, diese Schaltung zu bauen (dazu später mehr):

Aber wenn Sie könnten, würde keine Ladung in oder aus der Masseverbindung fließen .

In der realen Welt nähern wir uns nur an, wir können eine Batterie an einen 1k-Widerstand und einen Draht an Masse anschließen, aber die Schaltung sieht wirklich eher so aus:

^{Simulieren Sie diese Schaltung – Mit CircuitLab erstellter Schaltplan}

Es könnten also kleine Strommengen zur Erde fließen, die Luft kann tatsächlich eine kleine Menge Elektronen leiten, und es gibt eine kleine Kapazität (und der gesamte Stromkreis würde wie eine Art Antenne funktionieren.

Wir könnten sogar detaillierter werden als das obige Modell!

Die eigentliche Frage ist, wie detailliert soll Ihr Schaltungsmodell sein? Je komplizierter das Schaltungsmodell, desto genauer ist es, aber desto mehr Zeit und Energie wird benötigt, um es zu lösen.

Da der Clip mit einem niederohmigen Pfad mit Masse verbunden ist und die Potentiale unterschiedlich sind, macht es für mich keinen Sinn, wenn Leute sagen, dass dort kein Strom fließen wird. Wenn Strom die Bewegung elektrischer Ladungen ist, wie ist es dann physikalisch möglich, dass das Verbinden eines anderen Potentials nicht zu einer Ladungsbewegung führt?

In einem Modell wie dem oben gezeigten fließt kein Strom. In der realen Welt könnte es eine kleine Menge Strom geben.

Soweit Ihre Kondensatorschaltung geht:

Ich verstehe, dass dieser Effekt im Fall eines kleinen Kondensators möglicherweise so klein ist, dass wir ihn ignorieren können, da die Kapazität eines kleinen Drahtes wahrscheinlich über dem liegt, was wir sogar mit Testgeräten messen können.

So wie diese Schaltung gezeichnet ist, kann kein Strom durch den Kondensator fließen, es gibt keinen anderen Knoten, in den Strom fließen kann. Beide Platten des Kondensators könnten auf der gleichen Spannung liegen. Oder der andere Knoten könnte bei einer unbestimmten Spannung betrachtet werden. (Es gibt keine gute Möglichkeit, eine Differenzspannung zu berechnen, wenn Sie den einen der Werte, die Sie differenzieren, nicht kennen).

In der realen Welt ist dies nicht der Fall. Ein echter Kondensator sieht so aus:

Der parallele Widerstand des Materials zwischen den Platten lässt einen geringen Strom zu, der die Spannung an den Platten nach langer Zeit ausgleicht.

Sogar die Spannung der Erde ist eine schwebende Potentialspannung; in Bezug auf Mars- oder sogar TranOceanic-Kabel, die Hunderte von Ampere aus Potentialunterschieden überbrücken.

Wir definieren Masse immer einfach als eine 0-V-Referenz an einer Stelle. Wenn die Impedanz und der Strom niedrig genug sind, wenn sie als Rauschen „Vref=0“ oder Vn(f) = Z(f)*I(f) < „x“ oder effektiv ~ 0 V behandelt werden.

Dann können wir sagen, dass Erdungssymbol oder gemeinsames Gitter oder eine Reihe von Orten effektiv die gleichen 0 V sind, sodass wir es immer noch als Erdung bezeichnen können. Dies gilt unabhängig davon, ob es mit einer gewissen Leckage schwebt und die Anwendung Rauschen unter einem bestimmten Schwellenwert ignorieren kann, der möglicherweise in mV oder vielleicht SNR (S/N) beschrieben wird.

Jetzt ist jedes 3-polige Kabel mit Erdung eigentlich ein langer Draht, der mit einer Erdungsstange verbunden ist, aber eine Induktivität von ~ 1 uH / m hat. Aber mit der gleichen Formel oben können wir sagen, dass wir beim Anschluss an diese neue Masse (Null-Volt-Referenz) nur die Leckimpedanz Z(f) für I(f) = V(f)/Z(f) oder Ohm berücksichtigen müssen Gesetz von DC bis f max .

Der resultierende Strom zwischen den beiden "Massen", Batterie 0 Vdc und Erde Gnd, falls vorhanden, hängt vollständig von der Leckage des Luftspalts zwischen Batterie und Masse ab.

Normalerweise können wir bei Gleichstrom also davon ausgehen, dass der Luftwiderstand für Niederspannung so hoch ist, dass der Strom vernachlässigt werden kann und daher kein Strom fließt. Aber wenn die Batteriekabel nass und Regen und Schmutz ausgesetzt wären, könnten wir möglicherweise mehr Lecks messen.

In einer 3-poligen Einheit mit einem SMPS gibt es einen Netzfilter mit ~ 1 bis 4 nf "Y-Kappen", der absichtlich HF-Rauschen durchlässt, um Leitungsrauschen zur Erde Gnd umzuleiten. Kleinere SMPS mit 2-Stift-Steckern stören sich nicht an diesem Filter, der häufig zu Interferenzproblemen bei der Kommunikation führt, da Leckagen im Inneren einen Gleichmäßigkeitsmodus und dennoch eine hochohmige Spannung an beiden Ausgängen erzeugen. Bei Anschluss an einen anderen hochohmigen Stromkreis (Loa) besteht eine größere Möglichkeit, dass Rauschen V(f) vorhanden ist, während eine Erdverbindung zum Nebenschluss mit niedriger Impedanz die Ergebnisse erheblich verbessern kann.

ESD-Beispiel

Berücksichtigen Sie den Luftaustrittsfeuchtigkeitswiderstand Ihres Körpers gegenüber einem triboelektrischen Nylonteppich. Ihr Körper fungiert als großes Dielektrikum, jedoch ohne sichtbare Elektroden. Wenn Sie Schuhe mit Kunststoffsohlen tragen, ist der Kunststoff ein weiterer Serienkondensator und Ihre Füße/Socken werden zu einer Elektrode, während Ihr hochohmiger Finger die andere Elektrode sein kann.

Beim Berühren von beispielsweise PC-MOBO-Komponenten, auch wenn diese vom Stromnetz oder der Steckdose getrennt sind, gibt es immer noch ein gewisses Leckdielektrikum und einen Widerstand vom Gehäuse zur Luft zur Erdung. Angenommen, Sie berühren das Gehäuse nicht, sondern laufen auf einem Nylonteppich herum (triboelektrische Reibung) und zappen dann eine Komponente auf das schwebende PC-MOBO, wie kann das passieren? Die beiden Elektroden sind Ihr Fingerluftspalt und Ihre Socken. Wenn die Potentialdifferenz pro mm den Schwellenwert für Luft (~1 kV/mm oder ~1 V/um) überschreitet, kann die Luft ionisieren und den Luftspalt mit hohem Widerstand in einen Mikrobogen mit niedrigem Widerstand verwandeln, und der Strom kann in weniger als einer Nanosekunde fließen, um sich auszugleichen die Spannung. Der Strom kann leicht die ungefähr 5 mA-Nennwerte der CMOS-Sperrvorspannung überschreiten. ( |Vdd,Vss - Vzap| > 0,5) und die Energie dieses Impulses bestimmt, ob Schaden angerichtet wird.

Die feuchte Luft war hier also das gemeinsame Potential und auch die geschlossene Schleife zwischen den Füßen und Fingern der Person wurde zur Elektrode, wobei das Körperdielektrikum die Ladespannung aufbaute, wobei das Durchbruchspannungsfeld des sich schließenden Luftspalts des Fingers wie ein Tor wurde. getriggerte SCR-Elektrode.

Erstens, immer wenn zwischen zwei Punkten ein Potentialunterschied besteht und diese Punkte verbunden sind, fließt elektrischer Strom zwischen ihnen und gleicht den Potentialunterschied aus.

Das ist wahr genug.

Und zweitens braucht Strom einen geschlossenen Kreislauf, um zu fließen.

Dies ist eine Annäherung, die speziell in dem Fall, den Sie berücksichtigen möchten, falsch ist. Eine bessere Aussage wäre „Strom braucht einen geschlossenen Kreislauf, um unverändert weiter zu fließen “.

Immer wenn elektrische Ladungen in einer Weise fließen, die kein geschlossener Kreislauf ist, muss die Nettoladung von einem Ort zum anderen bewegt werden (da die Ladungen nicht irgendwie erzeugt oder zerstört werden) – das bedeutet, dass an einem Ort eine Ladungsakkumulation stattfinden muss Punkt. Diese Ladungsakkumulation erzeugt ein elektrisches Nettofeld, das einer weiteren Ladungsakkumulation entgegenwirkt.

Ladungsanhäufungen sind elektrostatische Phänomene. Wir betrachten diese im Allgemeinen getrennt von der Schaltungsanalyse, außer wenn sie sich in Kondensatoren befinden – da Kondensatoren Geräte sind, die dieses Phänomen auf ein nützliches Niveau für kleine Spannungen (im Gegensatz zu Kilovolt) konzentrieren sollen.

Stellen Sie sich einen geschlossenen Stromkreis vor, der erdfrei ist (batteriebetrieben oder isoliert). Wenn ich die Erdungsklemme (mit Erdung verbunden) an meiner Oszilloskopsonde irgendwo in der Schaltung anschließen würde, wäre es vernünftig anzunehmen, dass das elektrische Potential an diesem Punkt zwischen diesem Punkt und der Erdung unterschiedlich ist.

Ja, das ist es wahrscheinlich!

Da der Clip mit einem niederohmigen Pfad mit Masse verbunden ist und die Potentiale unterschiedlich sind, macht es für mich keinen Sinn, wenn Leute sagen, dass dort kein Strom fließen wird. Wenn Strom die Bewegung elektrischer Ladungen ist, wie ist es dann physikalisch möglich, dass das Verbinden eines anderen Potentials nicht zu einer Ladungsbewegung führt?

Ja, Ladungen bewegen sich, Strom fließt – ganz kurz, bis die Potenziale ausgeglichen sind. Wir nennen dieses Ereignis eine elektrostatische Entladung (ESD), und da es sich um sehr hohe Spannungen handeln kann (insbesondere wenn Sie beim Herumtragen des schwebenden Schaltkreises über einen Teppich schlurfen und sich und den Schaltkreis in Bezug auf die Umgebung aufladen), ist dies leicht möglich eine Entladung zur Beschädigung von Geräten, die nicht hochspannungsfest sind, wenn die Entladung am falschen Teil des Stromkreises auftritt. Daher ist der ESD-Schutz ein wichtiger Bestandteil des Elektronikdesigns.

Ich finde es sehr schwer zu glauben, dass das Anlegen einer Potentialdifferenz an einer Seite des Kondensators die Ladungen auf der anderen Seite nicht abstoßen und sogar die Ladungen am Ende des Drahtes herausdrücken würde, um als Kondensator gegen seine Umgebung zu wirken.

Es wird! Aber das ist ein sehr, sehr kleiner Effekt, also machen wir uns normalerweise nicht die Mühe, ihn zu berücksichtigen, wenn wir Schaltkreise untersuchen.

Denken Sie für den Moment nicht an Masse und Kondensatoren. Betrachten Sie einfach zwei Drähte, die mit einer Batterie und nichts anderem verbunden sind (nicht miteinander). Grundlegende Schaltungen sagen uns, dass die Batterie eine Spannung erzeugt, die auch als Potentialdifferenz bezeichnet wird. Die Batterie wirkt, um Ladungen „bergauf“ zu schieben – es gibt mehr Elektronen in der negativen Leitung als sonst und weniger in der positiven Leitung. Wenn Sie dann die Drähte von der Batterie trennen und sie miteinander berühren, ohne sie dabei durch Hantieren zu entladen (was schwierig ist!), würde eine sehr kleine Ladungsmenge zwischen ihnen fließen, um sie auf gleiches Potenzial zu bringen.

(Wir haben hier einen sehr schlechten Kondensator geschaffen . Stellen Sie sich vor, Sie bringen die Drähte näher zusammen oder drücken sie vielleicht flach in Platten, zwischen die wir eine Isolierfolie legen, und Sie können sehen, dass es keinen grundlegenden Unterschied gibt.)

Wenn wir diese elektrostatischen Phänomene in Begriffen der Schaltkreisanalyse modellieren wollen, können wir sagen, dass alles eine gewisse Kapazität zwischen sich selbst und jedem anderen Objekt im Universum hat . Aber wie die Schwerkraft ist diese Menge normalerweise zu gering, um sie zu bemerken.

Außerhalb

• die Bedingungen, die statische Schocks und andere wahrnehmbare und schädliche ESD-Ereignisse erzeugen, oder
• HF-Kreise oder große Wechselstromkreise,

die gespeicherte Energie und der Strom, der durch diese „streuenden“ Kapazitäten fließt, ist so viel kleiner/kürzer als der Strom, der durch Leiterschleifen fließt, dass wir ihn gerne als a aus unseren Analysen aussparen Vereinfachung, da die meiste nützliche Arbeit durch eine Schleife entsteht.

Aber im Fall einer Erdung wie dieser [...] wie kommt es, dass die "unendliche Kapazität" der Erdung nicht dazu führt, dass die Ladungen über einen niederohmigen Pfad dorthin fließen?

„Unendliche Kapazität“ ist kein gutes Modell (weil ein unendlicher Kondensator mathematisch dasselbe ist wie eine Spannungsquelle, wenn er geladen ist, oder ein Draht, wenn er nicht geladen ist), aber die Antwort ist, dass Ladungen fließen, um das Potenzial auszugleichen ( auf der Seite , die angeschlossen ist). grundieren). Sobald die Potentiale gleich sind, gibt es keinen Grund für sie, auf diesem Weg weiter zu fließen. Dann kann die Batterie das Potential auf der anderen Seite des Stromkreises relativ zur Erde beliebig machen .