¿Por qué la electricidad no fluye a tierra cuando conecto el clip de tierra de mi osciloscopio a un circuito flotante?

El problema en cuestión podría ser relacionar el mundo físico con el mundo del circuito ideal.

No hay forma de que construyamos este circuito (más sobre eso más adelante):

Pero si pudiera, no habría flujo de carga dentro o fuera de la conexión a tierra .

En el mundo real, simplemente aproximamos las cosas, podemos conectar una batería a una resistencia de 1k y conectar un cable a tierra, pero el circuito realmente se parece más a esto:

^{simular este circuito : esquema creado con CircuitLab}

Por lo tanto, podría haber pequeñas cantidades de corriente fluyendo a tierra, el aire en realidad puede conducir una pequeña cantidad de electrones y hay una pequeña cantidad de capacitancia (y todo el circuito funcionaría como una especie de antena).

¡Incluso podríamos ser más detallados que el modelo anterior!

La verdadera pregunta es, ¿qué tan detallado quieres tu modelo de circuito? Cuanto más complicado es el modelo del circuito, más preciso es, pero se necesita más tiempo y energía para resolverlo.

Debido a que el clip está conectado a tierra con una ruta de baja resistencia, y debido a que los potenciales son diferentes, no tiene sentido para mí cuando la gente dice que no fluirá corriente por allí. Si la corriente es el movimiento de cargas eléctricas, ¿cómo es físicamente posible que conectar un potencial diferente no resulte en un movimiento de carga?

En un modelo como el que se muestra arriba, no hay flujo de corriente. En el mundo real podría haber una pequeña cantidad de corriente.

En cuanto a su circuito de condensador va:

Entiendo que en el caso de un capacitor pequeño, este efecto podría ser lo suficientemente pequeño como para que lo ignoremos, ya que la capacitancia de un cable pequeño probablemente esté más allá de lo que podemos medir con un equipo de prueba.

La forma en que se dibuja este circuito, ninguna corriente puede fluir a través del condensador, no hay otro nodo al que fluya la corriente. Ambas placas del capacitor podrían considerarse al mismo voltaje. O el otro nodo podría considerarse a un voltaje indeterminado. (no hay una buena manera de calcular un voltaje diferencial si no conoce uno de los valores que está diferenciando).

En el mundo real, este no es el caso. Un capacitor real se ve así:

La resistencia paralela del material entre placas permite que una pequeña cantidad de corriente iguale el voltaje en las placas después de mucho tiempo.

Incluso el voltaje de tierra es un voltaje potencial flotante; con respecto a Marte o incluso a los cables TranOceanic que desvían cientos de amperios de la diferencia de potencial.

Siempre definimos tierra como simplemente una referencia de 0V en una ubicación. Cuando la impedancia y la corriente son lo suficientemente bajas cuando se tratan como ruido "Vref=0" o Vn(f) = Z(f)*I(f) < "x" o efectivamente ~ 0V.

Entonces podemos decir que el símbolo de tierra o la cuadrícula común o el conjunto de ubicaciones son efectivamente los mismos 0 V, por lo que aún podemos llamarlo tierra. Esto se aplica independientemente de si está flotando con alguna fuga y la aplicación puede ignorar el ruido por debajo de algún umbral tal vez descrito en mV o tal vez SNR (S/N)

Ahora, cualquier cable de 3 puntas con conexión a tierra es en realidad un cable largo que termina conectado a una varilla de conexión a tierra pero tiene una inductancia de ~ 1uH/m. Pero usando la misma fórmula anterior, podemos decir que cuando nos conectamos a esa nueva tierra (referencia de cero voltios) solo tenemos que considerar la impedancia de fuga Z(f) para I(f)= V(f)/Z(f) o Ohm's Ley que abarca desde DC hasta f max.

La corriente resultante entre las dos "tierras", batería 0Vdc y Earth Gnd, si la hay , depende completamente de la fuga del espacio de aire entre la batería y la tierra.

Entonces, normalmente, para CC, podemos asumir que para bajo voltaje, la resistencia del aire es tan alta que la corriente puede despreciarse y, por lo tanto, no fluirá corriente. Pero si los cables de la batería estuvieran mojados y expuestos a la lluvia y la suciedad, podríamos medir más fugas.

En la unidad de 3 puntas con un SMPS, hay un filtro de línea con ~ 1 a 4nf "tapas Y" que filtra intencionalmente el ruido de RF para desviar el ruido de la línea a tierra Gnd. Los SMPS más pequeños que usan enchufes de 2 clavijas no se molestan con este filtro, que a menudo plantea problemas de interferencia con la comunicación debido a las fugas en el interior que crean un modo cmoon pero un voltaje de alta impedancia en ambas salidas. Cuando se conecta a otro circuito de alta impedancia (loa), hay más posibilidades de que esté presente el ruido V(f), mientras que tener conexiones a tierra para derivar tiene una baja impedancia puede mejorar significativamente los resultados.

Ejemplo ESD

Considere la resistencia a la humedad de las fugas de aire de su cuerpo a una alfombra de nailon triboeléctrica. Su cuerpo actúa como un gran dieléctrico pero sin electrodos visibles. Si usa zapatos con suela de plástico, el plástico es otro capacitor en serie y sus pies/calcetines se convierten en un electrodo mientras que su dedo de alta resistencia puede decir que es el otro electrodo.

Al tocar, digamos, los componentes MOBO de una PC, incluso si están desconectados de la red o del enchufe de pared, todavía hay alguna fuga dieléctrica y resistencia de la carcasa al aire a tierra. Digamos que no toca la carcasa, sino que camina sobre una alfombra de nailon (fricción triboeléctrica) y luego golpea un componente en la PC flotante MOBO, ¿cómo puede suceder esto? Los dos electrodos son el espacio de aire del dedo y los calcetines. Como la diferencia de potencial por mm supera el umbral para el aire (~1kV/mm o ~1V/um), el aire puede ionizarse, lo que convierte el espacio de aire de alta resistencia en un microarco de baja resistencia y la corriente puede fluir en menos de un nanosegundo para igualar el voltaje. La corriente puede superar fácilmente la clasificación de 5 mA o más de polarización inversa CMOS. ( |Vdd,Vss - Vzap| > 0.5) y la energía de este impulso determina si se produce daño.

Entonces, el aire húmedo aquí era el potencial común y también el circuito cerrado entre los pies y el dedo de la persona se convirtió en el electrodo con el dieléctrico del cuerpo acumulando el voltaje de carga con el campo de voltaje de ruptura del entrehierro de cierre del dedo convirtiéndose en una puerta. electrodo SCR activado.

En primer lugar, siempre que haya una diferencia de potencial entre dos puntos, y esos puntos estén conectados, la corriente eléctrica fluirá entre ellos, igualando la diferencia de potencial.

Esto es bastante cierto.

Y en segundo lugar, la electricidad necesita un circuito cerrado para fluir.

Esta es una aproximación, que es falsa específicamente en el caso que desea considerar. Una mejor afirmación sería “la electricidad necesita un circuito cerrado para seguir fluyendo sin cambios ”.

Siempre que las cargas eléctricas fluyan de una manera que no sea un circuito cerrado, la carga neta debe moverse de un lugar a otro (ya que las cargas no se crean ni destruyen de alguna manera), lo que significa que debe haber una acumulación de carga en un lugar . punto. Esa acumulación de carga crea un campo eléctrico neto, que se opone a una mayor acumulación de carga.

Las acumulaciones de carga son fenómenos electrostáticos . Por lo general, los consideramos por separado del análisis de circuitos, excepto cuando están dentro de los capacitores, porque los capacitores son dispositivos destinados a concentrar ese fenómeno a un nivel útil para voltajes pequeños (a diferencia de los kilovoltios).

Considere un circuito cerrado que está flotando (alimentado por batería o aislado). Si tuviera que conectar el clip de tierra (conectado a tierra) en mi sonda de osciloscopio en cualquier parte del circuito, sería razonable suponer que el potencial eléctrico en ese punto es diferente entre ese punto y la tierra.

¡Sí, probablemente lo sea!

Debido a que el clip está conectado a tierra con una ruta de baja resistencia, y debido a que los potenciales son diferentes, no tiene sentido para mí cuando la gente dice que no fluirá corriente por allí. Si la corriente es el movimiento de cargas eléctricas, ¿cómo es físicamente posible que conectar un potencial diferente no resulte en un movimiento de carga?

Sí, las cargas se moverán, la corriente fluirá, muy brevemente, hasta que se igualen los potenciales. Llamamos a este evento una descarga electrostática (ESD), y dado que puede involucrar voltajes muy altos (particularmente si arrastra los pies sobre una alfombra mientras transporta el circuito flotante, cargándolo a usted y al circuito con respecto a los alrededores) es fácil para tal una descarga para causar daños a los dispositivos que no son resistentes a la alta tensión, si la descarga se produce en la parte equivocada del circuito. Por lo tanto, la protección ESD es una parte importante del diseño electrónico.

Me resulta muy difícil creer que aplicar una diferencia de potencial a un lado del capacitor no repelería las cargas del otro lado, e incluso empujaría las cargas al final del cable para actuar como un capacitor contra su entorno.

¡Va a! Pero este es un efecto muy, muy pequeño, por lo que generalmente no nos molestamos en considerarlo cuando estudiamos circuitos.

Omita pensar en la tierra y en los condensadores por el momento. Solo considere dos cables, conectados a una batería y nada más (no entre sí). Los circuitos básicos nos dicen que la batería crea un voltaje, también conocido como diferencia de potencial. La batería está actuando para empujar las cargas "cuesta arriba": hay más electrones en el cable negativo de lo que habría de otra manera, y menos en el cable positivo. Si luego desconectara los cables de la batería y los tocara, sin descargarlos al manipularlos en el proceso (¡lo cual es difícil!), entonces fluiría una cantidad muy pequeña de carga entre ellos para igualarlos potencial.

(Lo que hemos hecho aquí es crear un capacitor muy pobre . Imagínese acercar los cables, o tal vez aplastarlos en placas entre las que colocamos una lámina aislante, y puede ver que no hay una diferencia fundamental).

Cuando queremos modelar estos fenómenos electrostáticos en términos de los conceptos de análisis de circuitos, podemos decir que todo tiene cierta cantidad de capacitancia entre sí mismo y cualquier otro objeto en el universo. Pero al igual que la gravedad, esa cantidad suele ser demasiado pequeña para darse cuenta.

Fuera de

• las condiciones que crean choques estáticos y otros eventos ESD notorios y dañinos, o
• Circuitos de RF o grandes circuitos de CA,

la energía que se almacena y la corriente que fluye como resultado de estas capacitancias "parásitas" es mucho más pequeña/breve que la corriente que fluye como resultado de los bucles de conductores, por lo que nos gusta dejarla fuera de nuestros análisis como un simplificación, porque la mayor parte del trabajo útil proviene de tener un bucle.

Pero en el caso de conectarse a tierra, como este [...] ¿cómo es que la "capacitancia infinita" de la tierra no hace que las cargas fluyan allí a través de una ruta de baja resistencia?

La "capacitancia infinita" no es un buen modelo (porque un capacitor infinito es matemáticamente lo mismo que una fuente de voltaje si está cargado o un cable si no está cargado), pero la respuesta es que las cargas fluyen para igualar el potencial (en el lado que está conectado al suelo). Una vez que los potenciales son iguales, no hay motivo para que fluyan más por ese camino. Luego, la batería es libre de hacer que el potencial en el otro lado del circuito sea lo que quiera en relación con la tierra.