"Terra" vs. "Terra" vs. terminal comum vs. negativo

Pode ser que eu não seja formado em engenharia elétrica ou eletrônica, mas toda a noção de "terra" e "terra", quando usada em diagramas de circuitos elétricos (especialmente circuitos integrados), é extremamente confusa. Eu acho que toda a noção de current"vinda" do terminal positivo (que geralmente é como a corrente parece ser descrita) parece inversa e enganosa para mim, dada a descrição mecânica quântica da corrente elétrica como o fluxo de elétrons. Então, eu gostaria de esclarecer minha compreensão das coisas.

Primeiras coisas primeiro ... para garantir que meu entendimento de tensão e corrente esteja correto. Supondo um contexto de corrente direta (entendo que as coisas são mais complexas ao usar corrente alternada e entendo que é possível aterrar em um terminal positivo em alguns sistemas e coisas assim).

A. O terminal positivo em um circuito é o que cria tensão. A tensão é um potencial , de modo que, considerando que são os íons positivos em, por exemplo, uma bateria, geralmente fixados no lugar, faz sentido que o terminal + em um circuito crie tensão.

B. O terminal negativo em um circuito é o que fornece corrente. Corrente é o fluxo de elétrons, e esse fluxo é em direção ao terminal que está criando o potencial de corrente.

Assumindo que essas afirmações são verdadeiras ... então por que o termo "terra" (principalmente) ou às vezes o símbolo de "terra" é usado tão extensivamente nos diagramas de circuitos elétricos? Por que é terra ou terra, em vez de apenas um terminal negativo, ou um terminal 0V, ou talvez apenas um terminal "comum"? O uso do símbolo de terra ou terra, particularmente nos diagramas de circuitos IC (que não são necessariamente usados ​​em circuitos que são remotamente capazes de serem "aterrados" na terra ... como em um avião ou espaçonave, ou mesmo em qualquer número de sistemas isolados e isolados que não podem ser conectados diretamente à terra) é extremamente confuso para mim.

É apenas uma convenção antiga que nunca foi quebrada? O aterramento (o terminal GND) ou o símbolo de aterramento em um diagrama de circuito é algo que foi feito, porque é sempre assim que é feito? Porque é assim que sempre foi ensinado? Realmente significa apenas um terminal negativo ou um terminal do qual os elétrons fluem? Quando é necessário o uso de um aterramento literal, um ponto em que um circuito realmente se conecta à terra literal? Parece claro que nem todo circuito, como um CI, não precisa de uma conexão literal com a Terra para funcionar.

Bem, desculpe se esta é uma pergunta estranha, no entanto, como brinco cada vez mais com a eletrônica, e como estou alimentando a maioria dos meus pequenos projetos com baterias, todo esse conceito parece estranho e confuso para mim ... não há literal "terra" ou "terra" envolvidos no circuito. Somente os terminais da bateria e as peças eletrônicas.

Problemas:

Primeiro , as correntes não "vêm" do terminal positivo. Esse é um equívoco muito comum, chamado de "falácia sequencial" nos livros didáticos de eletricidade da escola. O problema básico é que os fios não são como canos vazios. E a fonte de alimentação não as enche. Em vez disso, os fios já estão pré-cheios de carga, para que as correntes sempre apareçam em todos os lugares do circuito, tudo ao mesmo tempo. ("Corrente" significa fluxo de carga. Quando um círculo de cargas móveis começa a fluir, "corrente" aparece em todo o anel. Essa é a regra básica do circuito.)

Em outras palavras, os circuitos elétricos se comportam como rodas e cintos. Da mesma forma, o metal de uma corrente de bicicleta não "provém" de um local específico na roda dentada. Não "começa" em um ponto. Em vez disso, todo o círculo é feito de corrente. Além disso, toda a cadeia estava lá antes de qualquer fonte de alimentação existir. Com correntes de bicicleta, quando uma força é aplicada, tudo gira. Nos circuitos, quando uma diferença de potencial é aplicada, todas as cargas móveis dentro do anel (dentro do circuito) começam a se mover como uma unidade, como uma corrente sólida em um círculo completo. Mas essas cargas já estavam dentro dos fios antes que qualquer bateria fosse conectada. Os fios são como mangueiras cheias de água.

Segundo, o potencial elétrico só pode existir entre dois pontos, e um único ponto em um circuito nunca "tem voltagem". Isso é verdade porque a tensão é um pouco semelhante à altitude: um objeto não pode "ter altitude", pois a altura só pode ser medida entre dois pontos. Não faz sentido discutir a altura, o comprimento ou a altitude de um objeto. Altitude acima de quê? Acima do chão? Acima do solo fora do prédio? Altitude acima do centro da Terra? Qualquer objeto terá infinitas altitudes ao mesmo tempo!

A voltagem tem exatamente o mesmo problema: um terminal só pode "ter voltagem" quando comparado a outro terminal. A tensão atua como comprimento: tensão e comprimento são medições de extremidade dupla. Ou, em outras palavras, um terminal de um circuito sempre tem muitas voltagens diferentes ao mesmo tempo, dependendo de onde colocamos o outro condutor do medidor.

Terceiro , em circuitos, a força motriz é fornecida pelos terminais positivo e negativo da fonte de alimentação, ambos ao mesmo tempo. E, mais importante: o caminho para a corrente é através da fonte de alimentação. Fontes de alimentação são curtos-circuitos. Uma fonte de alimentação ideal atua como um resistor de zero ohm. Pense nisso: em uma bobina de dínamo, as cargas passam pela bobina e voltam a sair. O fio tem uma resistência muito baixa. O mesmo ocorre com as baterias: o caminho para a corrente é através da bateria e voltamos novamente. As placas da bateria estão em curto com eletrólito muito condutor.

Exemplo:
Aqui está uma descrição correta de uma lanterna. As cargas começam dentro do filamento de tungstênio. Quando o interruptor é fechado e o circuito está completo, uma extremidade do filamento é carregada positiva, a outra negativa. Isso força as próprias cargas do filamento a começar a fluir. As cargas saem do filamento e se transformam em um fio, enquanto, ao mesmo tempo, mais cargas entram na outra extremidade do filamento. Essas cargas são fornecidas pelos fios de metal (e, antes de o interruptor ser ligado, todos os condutores já estavam cheios de cargas móveis.) (leva minutos ou horas para chegar lá), depois flua através da bateria e volte a sair. Eles saem do outro terminal da bateria, voltam para a outra extremidade do filamento e terminam onde começaram. Um "circuito completo". As acusações são como uma correia de transmissão, ou como uma roda rotativa ou uma corrente de bicicleta. A bateria empurra as cargas, mas não as fornece. O cobre e o tungstênio fornecem as cargas que fluem no circuito da lanterna. As cargas se movem bem devagar, mas como todas começam a se mover ao mesmo tempo, a lâmpada acende instantaneamente, mesmo que os fios sejam muito longos.

Quarto: quaisquer íons positivos dentro de uma bateria são extremamente móveis . Eles certamente não estão trancados no lugar. Se fossem, as baterias seriam isolantes e não funcionariam. Algumas baterias são baseadas no fluxo de íons positivos em uma direção e íons negativos na outra. As baterias de chumbo-ácido são diferentes. No ácido, apenas os prótons estão fluindo. Os ácidos são condutores de prótons.

Mas cuidado: as baterias oferecem uma complexidade adicional que pode inviabilizar uma explicação.

Em vez disso, substitua a bateria da lanterna por uma bobina grande e um super-ímã. Conecte-o à lâmpada. Coloque o super-ímã na bobina e a lâmpada pisca brevemente. De onde vieram as acusações? Como um ímã em movimento pode gerar cargas? NÃO FAZ. Dínamos e baterias são bombas de carga. O ímã em movimento força as próprias cargas do fio a começar a se mover. (Uma bomba não fornece o material a ser bombeado!) O ímã em movimento causa uma corrente, porque aplica uma força de bombeamento EM às cargas móveis que já estão dentro do metal.

Mau condutor. Ruim!
Aqui está um esclarecimento. Muitos livros de introdução fornecem a definição errada de "condutor". Totalmente errado e extremamente enganador. Eles ensinam que os condutores "deixam passar as cargas" (ou passam a eletricidade ou a corrente). Não. Os condutores não são como tubos ocos. Os condutores não são transparentes à eletricidade. Em vez disso, "condutor" significa "um material cheio de cobranças móveis". Os condutores são como tanques cheios de água. São como aquários ou canos pré-cheios. Os condutores obedecem à lei de ohm: quando aplicamos uma diferença de tensão nas extremidades de um fio, o fluxo de cargas depende da resistência do fio, I = V * R. São as próprias cargas do fio que fluem. Pense nisso: o ar é um isolador, até o vácuo é um isolador, mas como o vácuo pode bloquear o fluxo de cargas? O vácuo não precisa. Não há cargas móveis presentes no vácuo, é isso que o torna isolante.)

Tudo isso leva a um conceito importante. Sempre que pegamos um pedaço de arame e prendemos as extremidades para formar um loop fechado, criamos uma "correia de transmissão invisível", um loop de carga móvel dentro do fio que não se move. Enfie um pólo magnético no laço de metal e todas as cargas do fio se moverão como uma roda. É uma piscina em forma de anel e, se empurrarmos a água, podemos fazer com que toda a água gire como um volante, enquanto a própria piscina permanece imóvel.

QUINTA , as correntes não são inversas, porque as correntes elétricas não são fluxos de elétrons.

Especificamente, a polaridade das cargas fluidas depende do tipo de condutor. Sim, em metais sólidos, as cargas móveis são elétrons. Mas há um grande número de condutores onde nenhum elétron pode se mover. Os mais próximos são o cérebro e o sistema nervoso: fluxos simultâneos de íons positivos e negativos em direções opostas, sem fluxo de elétrons. Água salgada, os "eletrólitos", incluindo o solo e os oceanos, não são condutores de elétrons.

Exemplo mais estranho: os ácidos são condutores porque estão cheios de íons hidrogênio positivos para + H. Outro nome para um íon + H é ... "o próton". Quando você coloca alguns amperes no ácido, a corrente é um fluxo de prótons. (Heh, se houver algumas correntes de terra na sujeira, e a sujeira for ácida em vez de salgada, essas correntes são fluxos de prótons!)

Em outras palavras, "amperes" podem ser elétrons fluindo, ou prótons fluindo, ou sódio positivo passando através de cloreto negativo indo na outra direção. Ou, elétrons rápidos indo de um lado para o outro, enquanto íons de nitrogênio lentos avançam ou recuam, dependendo de serem pos ou negados. E nos semicondutores do tipo p, a corrente é um fluxo de "vagas de treliça" no cristal! (Cada vaga expõe um excesso de prótons de silício, de modo que cada uma delas carrega uma carga positiva genuína. "Buracos" se movem por transferência de elétrons, mas cada buraco é realmente carregado positivamente.)

Com toda a complexidade acima, como podemos descrever o que está acontecendo dentro dos circuitos? Fácil: já está feito para nós. Nós encobrimos as cargas móveis e as ignoramos. Ignoramos a velocidade do fluxo e a quantidade. Nós ignoramos a polaridade deles. Em vez disso, somamos todas as várias cargas que podem estar dentro de qualquer condutor, calculamos a vazão total e chamamos isso de "amperes". O seu condutor é uma mangueira cheia de água salgada? Coloque um amperímetro de fixação ao redor e leia os amperes. A densidade de íons não importa. A velocidade do íon não importa, e pode até ser uma mangueira de ácido cheia de prótons, em vez de uma mangueira de água do mar. Amplificadores são amplificadores.

Amperes também são chamados de "corrente convencional" ou apenas "corrente elétrica".

Muito importante: amperes não são fluxo de carga. Um condutor pode ter um amplificador, mas isso não nos diz nada sobre as cargas internas. Pode haver algumas cargas fluindo rapidamente ou muitas cargas fluindo lentamente. Pode haver cargas positivas indo para frente, ou neg indo para trás, ou ambas ao mesmo tempo (como acontece com os corpos humanos recebendo choque elétrico de corrente contínua.) Todo esse material é encoberto, e tudo o que resta são os amperes ... amperes de corrente convencional.

OK, voltando ao GND versus COM versus TERRA.

"Terreno" é confuso porque a palavra quase sempre é usada incorretamente.

Nos circuitos, quase sempre escolhemos um terminal de fonte de alimentação como o "comum" e conectamos um voltímetro a ele. Não é aterrado, portanto, não devemos chamá-lo de "terra" (não está conectado a uma estaca de metal imersa em sujeira!) Em vez disso, é apenas o ponto tradicional para fazer leituras de tensão. É um acordo silencioso! Como as tensões são medidas complicadas de ponta dupla, as coisas são simplificadas se fingirmos que são de ponta única. Portanto, conecte o fio preto do voltímetro ao "circuito comum" e ignore-o.

Agora finja que a sonda de cor vermelha no seu voltímetro pode realmente medir a TENSÃO DE UM TERMINAL. Mas os terminais não podem "ter voltagem!" Sim, certo. Mas silenciosamente fingimos que sim. Qualquer ponto do circuito pode ter uma voltagem ... em relação a outro ponto do circuito. Se estivéssemos falando de altitudes, sempre poderíamos fazer nossas medições em relação ao nível do mar, nunca mencionar o nível do mar e depois fingir que objetos e locais podem "ter altitude", quando na verdade isso é impossível.

Assim, os novos alunos ficam confusos quando discutimos a "tensão de um terminal". Na verdade, queríamos dizer "a tensão que aparece entre um terminal e o circuito comum". Mas isso é demais para repetir o tempo todo. Dizemos silenciosamente "voltagem entre, voltagem entre", enquanto na verdade dizemos "voltagem neste ponto" ou naquele outro ponto. Sim, então todos os novos alunos começam a pensar que um único terminal pode ter tensão.

O terminal de alimentação negativo é o circuito comum? Sim geralmente. Eu já vi rádios muito antigos com transistores PNP e uma tensão de alimentação negativa com "terra positiva". O terminal positivo da bateria é o circuito comum. Todas as medidas no esquema são voltagens negativas. Além dos rádios da década de 1950, o mesmo acontece nos antigos Fuscas e em algumas motos. O terminal positivo da bateria está conectado ao chassi; portanto, o "terminal de alimentação" é o negativo. Não instale um rádio de carro normal em um VW velho, pois ele pode causar um curto-circuito ou pegar fogo quando você liga a ignição. A fonte de alimentação estava ao contrário.

Tudo o que precisamos fazer é livrar-nos de todos os rádios japoneses transistorizados PNP dos anos 50, besouros da VW e motocicletas com aterramento positivo, e então o Circuit Common será sempre e para sempre o terminal de alimentação negativo. Bem, a menos que seja um sistema de sensor industrial estranho e flutuante eletricamente com uma mistura de alimentação CA e circuitos de amplificador operacional virtual de aterramento.

Uma fonte de tensão possui terminais negativos e positivos e produz uma tensão (ou diferença de potencial) entre esses terminais.

Em The Beginning, os primeiros cientistas que estudavam eletricidade não tinham como determinar o que era uma corrente elétrica, de modo que declararam arbitrariamente que a corrente era um fluxo de carga positiva, fluindo do terminal positivo da fonte de tensão, através do circuito externo e retornando ao terminal negativo. Agora chamamos esse conceito de "corrente convencional", e cientistas e engenheiros geralmente usam esse conceito ao discutir o fluxo de corrente.

Agora sabemos que, na maioria dos materiais, a corrente é realmente transportada por elétrons carregados negativamente. Quando os tubos de vácuo foram desenvolvidos, muitos técnicos foram ensinados a usar corrente de elétrons, pois a operação interna de um tubo de vácuo não pode ser facilmente descrita usando corrente convencional. Infelizmente, a corrente de elétrons vive em muitos lugares, fazendo com que os alunos se confundam entre corrente convencional e corrente de elétron. Eu acho que é melhor ficar com a corrente convencional, pois é isso que a maioria da comunidade técnica e científica usa.

"Terra" é um termo severamente mal utilizado em eletrônica.

Na distribuição de energia CA e em alguns sistemas de antena de rádio, "terra" realmente significa "uma conexão com a terra".

No entanto, na maioria dos eletrônicos, "Ground" é apenas uma etiqueta que colamos em um ponto do circuito que queremos considerar "Zero volts" (onde colocamos o fio preto do medidor ao medir tensões em outros lugares). Seria melhor chamar esse ponto de "referência" ou "comum", mas o uso de "base" é tão bem estabelecido que estamos presos a ela. Esse "terreno / comum" não tem poderes mágicos - não é um coletor infinito de elétrons - é apenas outro ponto do circuito.

Hoje em dia, "terra / comum" é geralmente o ponto mais negativo do circuito, mas às vezes pode ser o ponto mais positivo (uma família lógica deve operar a partir de -5 volts - aí o solo é positivo). Em muitos circuitos de áudio, "terra / comum" é o ponto médio da fonte de alimentação e encontramos tensões positivas e negativas no circuito.

Primeiro, seu A e B estão simplesmente errados. Dada uma tensão entre os pontos A e B, nenhum deles é privilegiado como uma "fonte" de corrente ou uma "fonte" de tensão. Tudo o que você pode dizer é que, se um condutor for usado para conectar A e B, a corrente fluirá entre A e B. Se a tensão entre A e B for positiva, em um metal isso assumirá a forma de elétrons que fluem de B para A Em semicondutores como transistores, a segunda parte não é (necessariamente) verdadeira, pois a corrente pode ser causada por elétrons ou por ausências de elétrons (orifícios que fluem na outra direção).

Em grande parte, a identificação de "terra" com "terra" é de fato um acidente histórico e decorre de práticas usadas pelas primeiras empresas de distribuição de energia. Na terminologia americana atual, o terra é um ponto de referência para medir tensão e corrente em um circuito, enquanto o terra é uma conexão real a uma haste martelada no solo.

O uso mais geral do solo é derivado dessa prática e, na verdade, ainda é importante em sistemas que utilizam grande quantidade de energia. Para sistemas de baixa potência, especialmente sistemas movidos a bateria, o terra pode ser completamente desconectado de qualquer conexão (física ou não) à terra física. Mas qualquer circuito elétrico ou eletrônico, seja em um avião, carro ou mesmo no espaço sideral, precisa de um ponto de referência para começar a descrever tensões e correntes, e esse ponto de referência é geralmente chamado de terra.

É perfeitamente possível produzir um sistema de energia com voltagem consistentemente negativa em relação ao terra (e terra). Embora não seja mais usada nas décadas de 70 e 80, a família lógica de velocidade mais alta era a ECL, que usava -5,2 volts como tensão de base. Os computadores Cray foram, durante algum tempo, os supercomputadores mais rápidos do mercado, e usaram quase exclusivamente ECL, e consumiram muita corrente produzida por fontes de 5,2 volts.

Então, quando é necessária a conexão entre terra e terra? Bem, basicamente sempre que você está falando de sistemas conectados à rede elétrica CA. Se você não prestar atenção nisso, corre o risco de se matar se acidentalmente fornecer um caminho inadvertido para que a corrente flua. As linhas de energia devem ser referenciadas à Terra para fornecer itens como proteção contra raios e, portanto, essas considerações devem ser levadas em consideração.

Tensão e corrente

Na eletricidade, existem cargas positivas (geralmente prótons) e cargas negativas (geralmente elétrons).

Quando um objeto é carregado positivamente e outro é carregado negativamente, existe um campo eletrostático. Essa é a tensão ou o potencial da carga de poder ser movida pelo campo eletrostático.

Se algum tipo de condutor for colocado entre os dois, uma corrente fluirá. Serão elétrons em direção a prótons (como em um fio conectado a uma bateria) ou prótons em direção a elétrons (como dentro de luzes fluorescentes) ou ambos fluindo nas duas direções (como em algumas baterias).

Terra / Terra / 0V / Comum

O solo e a terra provêm principalmente da eletricidade CA. Eles são usados ​​hoje de forma intercambiável. Na distribuição de energia CA, você literalmente conecta um lado do circuito ao terra / terra / terra.

0V entrou em uso porque é simples. Se você possui uma bateria de 6V, como nomeia cada terminal se deseja que os nomes também contenham a tensão? + 6V e 0V parece a maneira mais simples. + (6V) e - (6V) também podem ser usados ​​como o lado positivo e negativo de uma diferença de potencial de 6V - mas isso seria confuso e as pessoas podem pensar que o potencial entre elas é de 12V ou que o potencial de um para a Terra é 6V e o outro -6V etc.

Comum é diferente novamente e ganhou significado com as comunicações. Se você estiver enviando um sinal por um fio, qualquer pessoa que esteja lendo esse sinal precisará medir a tensão entre o fio e uma referência de tensão de ponto 'comum' acordada.

Eu não sou um EE. Pelo que entendi: Tensão é o viés de potencial entre dois terminais que gera fluxo de elétrons através do condutor, semicondutor ou carga. Os elétrons fluirão dos terminais mais negativos para os mais positivos. O termo GND, COM é um termo relativo e nem sempre é o mesmo que 0Vdc

Digamos que o circuito tenha terminais: A) + 5Vcc B) 0Vcc C) + 10Vcc D) + 24Vcc
Portanto, o terra para todos os terminais definitivamente é A) 0Vcc, o elétron fluirá de B para A (5v) e B para C (10v ) e B a D (24v). Mas + 5Vcc pode ser considerado terminal comum para C e D: porque o elétron pode fluir de A para C (5v) e A para D (19v)

Alguns circuitos possuem esses terminais (por exemplo, ATX PSU) A) -5vdc B) -12vdc C) 5vdc D) 12vdc. edit: E) 0vdc Qualquer um dos terminais de baixa tensão pode ser chamado de terra para quaisquer terminais de alta tensão.

Eu sempre isolei a referência dc Psu 0v do meu aterramento / terra ac para evitar qualquer ruído ac no circuito dc. Em seguida, protejo o + e -dc usando pontes de volta para o caso de ac sendo inadvertidamente reintroduzido em dc desprotegido pelo solo / terra. É um método à prova de falhas que protege pnp, npn, pessoas e dispositivos. Sem fumaça ou franja, apenas um dispositivo de proteção que continuará disparando, a menos que a falha tenha sido corrigida. Em seguida, monitorei o sistema completo via volt livre aux / no / nc para determinar se está na lógica ou na fiação e se ocorre em um evento lógico ou físico. Eu culpo meus programadores ou meus engenheiros. Nove em cada dez vezes eu tenho que ir e consertar tudo sozinho.