【科普】电压和接地真的存在吗？如何测试？

经常在实验室干活的，难免不被电击过，尤其是在干燥的北方，“被电”是常有的事情，我记得有一次拿着射频线往仪表上拧的时候，遇到过一次严重的电火花，瞬间将仪表的射频口边缘烧出了一个疤，实验室遭遇了大范围断电。
 

 

所以接地很重要，它可以建立可测量的零电位或参考电压，还可以作为电路故障或雷击引起的电压浪涌的耗散路径。瞬时电压和静电积聚也将通过地线而被消除，这样就保护了电路元件和在其上工作的人。本篇首先明确电压和接地的概念，然后介绍一种接地电阻的测试方法。

 

 

 

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电压和接地真的存在吗？

 

 

在学校的时候，我们都学过制作电池，最简单的方法，电池可以通过两块金属插在一个橙子中制成。然后它可以用在如下图所示的这个灯泡电路中：

 

一旦开关闭合，电流将流过灯泡（发光）并通过电阻返回到另一个电池端。设备工作在DC（非时变）条件下。但在这种情况下，电压究竟是什么？电压定义为电路中两个节点（例如电池的两个节点）之间的电势差。注意图中绘制了接地，接地的定义是什么？电位为零的节点？

 

来看“Ground（地面）”这个词，我们将其定义为地球，即我们脚下连接接地带的大物质球。我们确切地知道它是什么，从电气上讲，地球是一大块导电材料，并且具有相对可以忽略不计的电阻。

 

但如果手电筒这种使用电池的设备与其他任何东西完全电气隔离，例如我们向空中扔手电筒它仍然可以正常工作。或者飞行中的飞行器。显然，地面的定义从一个点变成了一个空间体积。这个空间体积代表电流的无限源和汇。也就是说，只要由于电池或发电机存在相对于地的电位差，电子就可以永远流入或流出该地域。

 

 

例如：底盘接地（chasis ground），指的是电器外壳或汽车车身上的接地连接。这种连接在没有物理接地连接的电路中起着重要作用，包括提供零电位电压参考和干扰、瞬态电压和静电的耗散点。它通常由金属外壳或车体上的螺柱或凸块组成，接地或电池负极导线连接在上面。

 

汽车的电气系统通常是负地电路，这意味着电池的负极与车体相连。汽车上的底盘接地点通常是靠近电池的一个大的整体螺柱或螺栓，并直接连接到电池的负极。因此，车体是车辆整个电气系统的回流路径，也是静电、音响系统的射频干扰和短路的耗散路径。一定要先断开蓄电池的接地线，最后再更换，以避免造成意外的短路和惊人的烟火表演。

 

对于金属飞机，通常情况下，可以用单线电路依靠飞机的金属结构作为电导体（线）或设备，当连接到金属结构的任何一点时，都被正确地称为 "接地"。在大多数飞机上，要做的是把一根重的电缆或金属接地带的一端连接到发动机箱上的某个方便的螺栓上。接地带的另一端应终止于飞机防火墙结构的某个坚固部分。

 

所以在直流系统中，我们将地定义为对电流没有阻力的区域。接地是一个没有电阻的领域的边界，或者说它是一个完全导电的材料。在直流情况下，地域内的电流被忽略了，而在时变的交流情况下，有沿着这个地表流动的电流，这些电流不能被忽略。下图是这些电流以及一个横断面上的电场和磁场在一个瞬间的箭头可视化图：电流（黑色）、电场（红色）和磁场（蓝色）。

 

 

在一个具有无限电导率的材料的表面上，怎么会有有限的电流？要回答这个问题，我们还需要看一下地平面上方的自由空间。这个自由空间有一个阻抗，参考趣味实验室系列—恼人的EMC单位换算（二），而沿着这个表面流动的电流将看到这个周围空间的阻抗。 所以电压和接地，是否真的可以绝对做出区分？                    

 

 

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接地电阻的测量

 

在很多的实验室建设标准中都有关于接地电阻的规定，有的不得大于4欧姆，有的不得大于1欧姆，有的甚至要小于0.5欧姆。然而这个接地电阻该如何测量呢？测量方法有很多，这里介绍一种3点（电位下降）法。它用于测量已安装的接地电极的对地电阻，是比较可靠的测试方法。参考标准是IEEE标准81。

 

 

方法是：将C1和P1用跳线连接，连接至被测的接地电极，C2参考杆被直接打入大地，尽可能远离被测电极。然后将电位基准P2打入大地，在设定的点上，大致在C1和C2之间的直线上。

可以在P2的不同空间进行一些测试，将每个P2点的电阻读数被记录下来，并绘制出全电阻曲线。也可以简化测试，在P2的规定距离上进行三次测量，用数学计算来确定电阻。规定距离采用61.8规则，即在C1和C2之间距离的61.8%（62%）处对P2进行一次测量。

 

可以看出接地的测量，也是有相对性的，相对于测量中所接的参考地C2。测不准原理又再次体现了。

 

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