【科普】電壓和接地真的存在嗎？如何測(cè)試？

經(jīng)常在實(shí)驗(yàn)室干活的，難免不被電擊過(guò)，尤其是在干燥的北方，“被電”是常有的事情，我記得有一次拿著射頻線往儀表上擰的時(shí)候，遇到過(guò)一次嚴(yán)重的電火花，瞬間將儀表的射頻口邊緣燒出了一個(gè)疤，實(shí)驗(yàn)室遭遇了大范圍斷電。

所以接地很重要，它可以建立可測(cè)量的零電位或參考電壓，還可以作為電路故障或雷擊引起的電壓浪涌的耗散路徑。瞬時(shí)電壓和靜電積聚也將通過(guò)地線而被消除，這樣就保護(hù)了電路元件和在其上工作的人。本篇首先明確電壓和接地的概念，然后介紹一種接地電阻的測(cè)試方法。

01

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電壓和接地真的存在嗎？

在學(xué)校的時(shí)候，我們都學(xué)過(guò)制作電池，最簡(jiǎn)單的方法，電池可以通過(guò)兩塊金屬插在一個(gè)橙子中制成。然后它可以用在如下圖所示的這個(gè)燈泡電路中：

一旦開(kāi)關(guān)閉合，電流將流過(guò)燈泡（發(fā)光）并通過(guò)電阻返回到另一個(gè)電池端。設(shè)備工作在DC（非時(shí)變）條件下。但在這種情況下，電壓究竟是什么？電壓定義為電路中兩個(gè)節(jié)點(diǎn)（例如電池的兩個(gè)節(jié)點(diǎn)）之間的電勢(shì)差。注意圖中繪制了接地，接地的定義是什么？電位為零的節(jié)點(diǎn)？

來(lái)看“Ground（地面）”這個(gè)詞，我們將其定義為地球，即我們腳下連接接地帶的大物質(zhì)球。我們確切地知道它是什么，從電氣上講，地球是一大塊導(dǎo)電材料，并且具有相對(duì)可以忽略不計(jì)的電阻。

但如果手電筒這種使用電池的設(shè)備與其他任何東西完全電氣隔離，例如我們向空中扔手電筒它仍然可以正常工作。或者飛行中的飛行器。顯然，地面的定義從一個(gè)點(diǎn)變成了一個(gè)空間體積。這個(gè)空間體積代表電流的無(wú)限源和匯。也就是說(shuō)，只要由于電池或發(fā)電機(jī)存在相對(duì)于地的電位差，電子就可以永遠(yuǎn)流入或流出該地域。

例如：底盤(pán)接地（chasis ground），指的是電器外殼或汽車車身上的接地連接。這種連接在沒(méi)有物理接地連接的電路中起著重要作用，包括提供零電位電壓參考和干擾、瞬態(tài)電壓和靜電的耗散點(diǎn)。它通常由金屬外殼或車體上的螺柱或凸塊組成，接地或電池負(fù)極導(dǎo)線連接在上面。

汽車的電氣系統(tǒng)通常是負(fù)地電路，這意味著電池的負(fù)極與車體相連。汽車上的底盤(pán)接地點(diǎn)通常是靠近電池的一個(gè)大的整體螺柱或螺栓，并直接連接到電池的負(fù)極。因此，車體是車輛整個(gè)電氣系統(tǒng)的回流路徑，也是靜電、音響系統(tǒng)的射頻干擾和短路的耗散路徑。一定要先斷開(kāi)蓄電池的接地線，最后再更換，以避免造成意外的短路和驚人的煙火表演。

對(duì)于金屬飛機(jī)，通常情況下，可以用單線電路依靠飛機(jī)的金屬結(jié)構(gòu)作為電導(dǎo)體（線）或設(shè)備，當(dāng)連接到金屬結(jié)構(gòu)的任何一點(diǎn)時(shí)，都被正確地稱為 "接地"。在大多數(shù)飛機(jī)上，要做的是把一根重的電纜或金屬接地帶的一端連接到發(fā)動(dòng)機(jī)箱上的某個(gè)方便的螺栓上。接地帶的另一端應(yīng)終止于飛機(jī)防火墻結(jié)構(gòu)的某個(gè)堅(jiān)固部分。

所以在直流系統(tǒng)中，我們將地定義為對(duì)電流沒(méi)有阻力的區(qū)域。接地是一個(gè)沒(méi)有電阻的領(lǐng)域的邊界，或者說(shuō)它是一個(gè)完全導(dǎo)電的材料。在直流情況下，地域內(nèi)的電流被忽略了，而在時(shí)變的交流情況下，有沿著這個(gè)地表流動(dòng)的電流，這些電流不能被忽略。下圖是這些電流以及一個(gè)橫斷面上的電場(chǎng)和磁場(chǎng)在一個(gè)瞬間的箭頭可視化圖：電流（黑色）、電場(chǎng)（紅色）和磁場(chǎng)（藍(lán)色）。

在一個(gè)具有無(wú)限電導(dǎo)率的材料的表面上，怎么會(huì)有有限的電流？要回答這個(gè)問(wèn)題，我們還需要看一下地平面上方的自由空間。這個(gè)自由空間有一個(gè)阻抗，參考趣味實(shí)驗(yàn)室系列—惱人的EMC單位換算（二），而沿著這個(gè)表面流動(dòng)的電流將看到這個(gè)周圍空間的阻抗。所以電壓和接地，是否真的可以絕對(duì)做出區(qū)分？

02

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接地電阻的測(cè)量

在很多的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)中都有關(guān)于接地電阻的規(guī)定，有的不得大于4歐姆，有的不得大于1歐姆，有的甚至要小于0.5歐姆。然而這個(gè)接地電阻該如何測(cè)量呢？測(cè)量方法有很多，這里介紹一種3點(diǎn)（電位下降）法。它用于測(cè)量已安裝的接地電極的對(duì)地電阻，是比較可靠的測(cè)試方法。參考標(biāo)準(zhǔn)是IEEE標(biāo)準(zhǔn)81。

方法是：將C1和P1用跳線連接，連接至被測(cè)的接地電極，C2參考桿被直接打入大地，盡可能遠(yuǎn)離被測(cè)電極。然后將電位基準(zhǔn)P2打入大地，在設(shè)定的點(diǎn)上，大致在C1和C2之間的直線上。

可以在P2的不同空間進(jìn)行一些測(cè)試，將每個(gè)P2點(diǎn)的電阻讀數(shù)被記錄下來(lái)，并繪制出全電阻曲線。也可以簡(jiǎn)化測(cè)試，在P2的規(guī)定距離上進(jìn)行三次測(cè)量，用數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)確定電阻。規(guī)定距離采用61.8規(guī)則，即在C1和C2之間距離的61.8%（62%）處對(duì)P2進(jìn)行一次測(cè)量。

可以看出接地的測(cè)量，也是有相對(duì)性的，相對(duì)于測(cè)量中所接的參考地C2。測(cè)不準(zhǔn)原理又再次體現(xiàn)了。

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