Terminal único da fonte de tensão conectado ao terra

Essa é uma pergunta conceitual com a qual continuo lutando quando comecei a estudar eletrônica.

Digamos que tenhamos uma bateria e um de seus terminais esteja conectado diretamente a um bom pedaço de terra altamente condutora. Além disso, suponha que o potencial da bateria seja maior que o da Terra. Agora percebo que este não é um circuito fechado, mas por que não carregar o fluxo da bateria para a Terra? Não existe um potencial elétrico que deva drenar a quantidade de elétrons na bateria ou pelo menos diminuir até o ponto em que o potencial elétrico entre a Terra e a bateria é o mesmo? Não é o mesmo princípio que está por trás da descarga eletrostática (embora esse cenário não implique uma diferença tão grande no potencial?)

Li todas as outras respostas aqui em electronics.stackexchange que faz referência a terra e ainda não estou satisfeito.

Se entendi sua pergunta corretamente, não é necessária uma bateria para demonstrar esse problema. Digamos que você tenha algum objeto, com algum potencial . Então, você o conecta a algum outro potencial. Alguma corrente flui? Digamos que é um cubo de metal e está no potencial da Terra, mais um volt. Então, de repente, ele está conectado à Terra:

^{simular este circuito - esquemático criado usando o CircuitLab}

Resposta curta: sem fluxos de corrente. Não há circuito para a corrente fluir.

Mas esta é uma aproximação, feita para simplificar a análise. Estamos negligenciando um fato importante: tudo tem alguma capacidade para todo o resto. O cubo de metal é uma placa do capacitor e a Terra é a outra. Então o circuito é realmente isso:

^{simule este circuito}

Nesse caso, quando V1 se tornar repentinamente 0V, alguma corrente fluirá. A carga total que fluirá dependerá da capacitância , que é muito pequena. Talvez , se é que isso. Sabemos que a capacitância vezes a tensão é a carga:1 f $C$$1fF$

Portanto, a carga total que fluirá se V1 for de a e for é:0 V C 1 f $1V$$0V$$C$$1fF$

Esta é uma carga muito pequena, muito além de insignificante para qualquer circuito prático.

A corrente que fluirá é uma função da velocidade com que muda e da capacitância , de acordo com:$V_1$$C$

Então, como isso se relaciona com a ESD?

ESD é o que você obtém quando a diferença potencial entre duas coisas é grande o suficiente para quebrar o isolamento entre essas coisas. Geralmente esse isolamento é o ar. A quantidade de tensão necessária depende de muitos fatores, e dificilmente sou especialista, mas estamos falando de diferenças medidas em quilovolts.

Essas altas tensões são atingíveis precisamente devido à capacitância muito pequena entre você e todo o resto. Lembre-se mais uma vez que . Podemos reorganizar isso como:$CV=Q$

Se for muito pequeno, uma carga muito pequena pode levar a uma voltagem muito alta. Quando você atravessa o tapete, pode transferir apenas um punhado (metafórico) de elétrons , mas isso é suficiente para alterar bastante sua voltagem em relação ao ambiente.$C$$Q$

Quando se fala em kilovolts, e não no no exemplo como antes, essa corrente insignificante não é mais tão insignificante. Ainda pequeno, lembre-se, mas é aplicado em um instante tão breve que pode danificar dispositivos sensíveis.$1V$

Talvez o dispositivo mais danificado nos tempos modernos seja o óxido de isolamento do portão nos MOSFETs , que é tão fino que pode ter uma tensão de ruptura de talvez . Se você tivesse carga suficiente para aumentar sua voltagem o suficiente para liberar o ar relativamente forte ao seu redor, os poucos átomos de dióxido de silício poderão reter essa carga, além do papel de seda:$10V$

Além disso, suponha que o potencial da bateria seja maior que o da Terra.

As baterias não estão eletricamente carregadas .

Se um terminal de uma bateria estiver conectado a um aterramento ideal (um dissipador perfeito para carga elétrica) e a carga fluir para fora (ou para) desse terminal para (do) chão, a bateria será eletricamente carregada.

Mas isso aumentaria a energia potencial do sistema, em vez de diminuí- la. *

Outra maneira de ver isso é que, se, digamos, os elétrons deixassem a bateria, a bateria ficaria positivamente carregada, o que atrairia elétrons do solo de volta para a bateria .

* Pode haver uma redistribuição de carga minuciosa, dependendo da geometria que reduz a energia do sistema.

Não é o mesmo princípio que está por trás da descarga eletrostática (embora esse cenário não implique uma diferença tão grande no potencial?)

A descarga eletrostática só pode ocorrer se houver potencial suficiente para romper (ou atravessar) a barreira imposta pelo ar (ou vácuo ou outro gás).

Aqui está uma explicação da lei de Paschen. Refere-se à tensão do terminal necessária versus o "espaço" entre os terminais de um arco elétrico para causar fluxo de corrente a várias pressões de gás: -

Observe que, se a bateria estiver abaixo de 100V, mesmo com a pressão ideal para o gás mais ótimo (argônio), você terá dificuldade em fazer com que a corrente flua. No entanto, se os terminais da bateria tiverem o formato ideal, haverá uma chance maior de que a corrente comece a fluir. Não vou seguir esse caminho nesta resposta, a menos que solicitado.

Não importa se a sua bateria está aterrada ou aterrada em um terminal ou não - é a diferença de potencial (também conhecida como tensão) na bateria que determina se ela descarrega pelo ar / gás / vácuo.

Esta pergunta é a mesma que a minha, quando começo a estudar eletrônica.

1. Além disso, suponha que o potencial da bateria seja maior que o da Terra, por que não há fluxo de corrente quando conectamos o terminal único da bateria ao terra?

Resposta simples, porque a bateria é uma célula galvânica que precisa de uma reação química para permitir que a corrente flua de seus terminais. Sem conexão dos terminais + e -, não há corrente fluindo para lá.

A bateria não é como um raio que possui um potencial diferente ( tensão do céu ) entre o ar e o solo (terra, solo).

A bateria não possui carga líquida. Mesmo em um circuito fechado, a carga líquida na bateria é zero. No entanto, quando a bateria é conectada em um circuito fechado, o que significa que um caminho condutor foi estabelecido entre os terminais (+) e (-) da bateria, os carregamentos de carga são bombeados pelo caminho condutor entre os terminais da bateria, porque existe um potencial diferença entre os terminais.

Conectar um único terminal de uma bateria comum à sujeira condutora da terra seria o mesmo que conectar um objeto condutor que não tem carga líquida ao terra; nada acontece. Conectar apenas um terminal ao terra é o mesmo que armazenar a bateria em uma gaveta de madeira (exceto deixar o terminal no chão provavelmente a corroerá)

Se você conectasse os dois terminais à sujeira condutora da terra, completou o circuito e a carga fluirá pelo terra entre os terminais da bateria.

Se, por exemplo, você tiver uma bateria com diferença de potencial de 3000 V entre seus terminais e conectar um terminal à terra condutora da terra e mantiver um intervalo de ar máximo de 1 mm entre o outro terminal e o solo, é provável que o ar se quebre e complete o circuito (terminal da bateria, terra, ar ionizado, outro terminal da bateria), permitindo que a corrente flua entre os terminais da bateria.