En ingeniería eléctrica , tierra puede ser un punto de referencia en un circuito eléctrico desde el cual se miden voltajes , una ruta de retorno común para la corriente eléctrica o una conexión física directa a la Tierra .
Los circuitos eléctricos pueden estar conectados a tierra por varias razones. Las partes conductoras expuestas de los equipos eléctricos se conectan a tierra para proteger a los usuarios de los peligros de descarga eléctrica . Si falla el aislamiento interno, pueden aparecer voltajes peligrosos en las partes conductoras expuestas. Conectar las partes conductoras expuestas a un cable de "tierra" que proporcione una ruta de baja impedancia para que la corriente fluya de regreso al neutro entrante (que también está conectado a tierra, cerca del punto de entrada) permitirá que los disyuntores (o RCD ) interrumpan el suministro de energía en caso de una falla. En los sistemas de distribución de energía eléctrica, un conductor de tierra de protección (PE) es una parte esencial de la seguridad proporcionada por el sistema de puesta a tierra .
La conexión a tierra también limita la acumulación de electricidad estática al manipular productos inflamables o dispositivos sensibles a la electricidad estática . En algunos circuitos de transmisión de energía y telégrafo , la propia tierra se puede utilizar como un conductor del circuito, lo que ahorra el costo de instalar un conductor de retorno independiente (consulte retorno a tierra de un solo cable y retorno a tierra para telégrafo ).
Para fines de medición, la Tierra sirve como una referencia de potencial (razonablemente) constante contra la cual se pueden medir otros potenciales. Un sistema de tierra eléctrica debe tener una capacidad de transporte de corriente adecuada para servir como un nivel de referencia de voltaje cero adecuado. En la teoría de circuitos electrónicos , una "tierra" generalmente se idealiza como una fuente o sumidero infinito de carga, que puede absorber una cantidad ilimitada de corriente sin cambiar su potencial. Cuando una conexión a tierra real tiene una resistencia significativa, la aproximación de potencial cero ya no es válida. Se producirán voltajes dispersos o efectos de aumento del potencial de tierra , que pueden crear ruido en las señales o producir un peligro de descarga eléctrica si son lo suficientemente grandes.
El uso del término tierra es tan común en aplicaciones eléctricas y electrónicas que se puede decir que los circuitos de dispositivos electrónicos portátiles , como teléfonos celulares y reproductores multimedia , así como los circuitos de vehículos , tienen una conexión a tierra o a tierra del chasis sin ninguna conexión real a tierra, a pesar de que "común" es un término más apropiado para dicha conexión. Por lo general, se trata de un conductor grande conectado a un lado de la fuente de alimentación (como el " plano de tierra " en una placa de circuito impreso ), que sirve como ruta de retorno común para la corriente de muchos componentes diferentes en el circuito.
Los sistemas de telégrafo electromagnético de larga distancia a partir de 1820 [a] utilizaban dos o más cables para transportar la señal y las corrientes de retorno. El científico alemán CA von Steinheil descubrió en 1836-1837 que la tierra podía utilizarse como ruta de retorno para completar el circuito, haciendo innecesario el cable de retorno. [2] Steinheil no fue el primero en hacer esto, pero no conocía trabajos experimentales anteriores, y fue el primero en hacerlo en un telégrafo en servicio, dando así a conocer el principio a los ingenieros de telégrafos en general. Sin embargo, este sistema tuvo problemas, ejemplificados por la línea telegráfica transcontinental construida en 1861 por la Western Union Company entre St. Joseph, Missouri , y Sacramento, California . Durante el clima seco, la conexión a tierra a menudo desarrollaba una alta resistencia, lo que requería que se vertiera agua sobre la varilla de tierra para permitir que el telégrafo funcionara o que los teléfonos sonaran.
A finales del siglo XIX, cuando la telefonía comenzó a reemplazar a la telegrafía, se descubrió que las corrientes en la tierra inducidas por sistemas de energía, ferrocarriles eléctricos, otros circuitos telefónicos y telegráficos y fuentes naturales, incluidos los rayos, causaban interferencias inaceptables en las señales de audio, y el sistema de dos cables o "circuito metálico" se reintrodujo alrededor de 1883. [3]
Los sistemas de distribución de energía eléctrica suelen estar conectados a tierra para limitar el voltaje que puede aparecer en los circuitos de distribución. Un sistema de distribución aislado de la tierra puede alcanzar un alto potencial debido a voltajes transitorios causados por electricidad estática o contacto accidental con circuitos de mayor potencial. Una conexión a tierra del sistema disipa dichos potenciales y limita el aumento de voltaje del sistema conectado a tierra.
En una instalación de cableado de red eléctrica (corriente alterna), el término conductor de tierra generalmente se refiere a dos conductores o sistemas de conductores diferentes, como se enumeran a continuación:
Los conductores de unión de equipos o conductores de puesta a tierra de equipos (EGC) proporcionan una ruta de baja impedancia entre las partes metálicas de los equipos que normalmente no transportan corriente y uno de los conductores de la fuente de ese sistema eléctrico. Si alguna parte metálica expuesta se energiza (falla), como por un aislante desgastado o dañado, se crea un cortocircuito, lo que hace que el dispositivo de sobrecorriente (disyuntor o fusible) se abra, eliminando (desconectando) la falla. Es importante tener en cuenta que esta acción ocurre independientemente de si hay una conexión a la tierra física (tierra); la tierra en sí no tiene ningún papel en este proceso de eliminación de fallas [4] ya que la corriente debe regresar a su fuente; sin embargo, las fuentes están conectadas con mucha frecuencia a la tierra física (tierra). [5] (ver las leyes de circuitos de Kirchhoff ). Al unir (interconectar) todos los objetos metálicos expuestos que no transportan corriente entre sí, así como a otros objetos metálicos como tuberías o acero estructural, deberían permanecer cerca del mismo potencial de voltaje, lo que reduce la posibilidad de una descarga. Esto es especialmente importante en los baños, donde se puede estar en contacto con varios sistemas metálicos diferentes, como tuberías de suministro y desagüe y marcos de electrodomésticos. Cuando se debe conectar eléctricamente un sistema conductor a la tierra física (tierra), se coloca el conductor de unión del equipo y el conductor del electrodo de conexión a tierra al mismo potencial (por ejemplo, consulte el apartado Tubería de agua metálica como electrodo de conexión a tierra a continuación).
AEl conductor de electrodo de puesta a tierra (GEC) se utiliza para conectar el conductor de puesta a tierra ("neutro") del sistema, o el equipo a un electrodo de puesta a tierra, o a un punto en el sistema de electrodos de puesta a tierra. Esto se denomina "puesta a tierra del sistema" y la mayoría de los sistemas eléctricos deben estar conectados a tierra. El NEC de EE. UU. y laBS 7671enumeran los sistemas que deben estar conectados a tierra. Según el NEC, el propósito de conectar un sistema eléctrico a la tierra física (tierra) es limitar el voltaje impuesto por los eventos de rayos y el contacto con líneas de mayor voltaje. En el pasado,de suministro de aguase usaban como electrodos de puesta a tierra, pero debido al aumento del uso de tuberías de plástico, que son malos conductores, las autoridades reguladoras a menudo exigen el uso de un electrodo de puesta a tierra específico. El mismo tipo de tierra se aplica a las antenas de radio y a los sistemas de protección contra rayos.
Los equipos eléctricos instalados de forma permanente, a menos que no sea obligatorio, tienen conductores de conexión a tierra conectados de forma permanente. Los dispositivos eléctricos portátiles con carcasas metálicas pueden tenerlos conectados a tierra mediante una clavija en el enchufe de conexión (consulte Enchufes y tomas de corriente de CA ). El tamaño de los conductores de conexión a tierra suele estar regulado por las normas de cableado locales o nacionales.
En sentido estricto, los términos puesta a tierra o conexión a tierra se refieren a una conexión eléctrica a tierra. La conexión a tierra es la práctica de conectar eléctricamente de forma intencionada elementos metálicos que no están diseñados para transportar electricidad. Esto hace que todos los elementos conectados a tierra tengan el mismo potencial eléctrico como protección contra descargas eléctricas. Los elementos conectados a tierra pueden entonces conectarse a tierra para eliminar voltajes extraños. [6]
En los sistemas de suministro eléctrico, un sistema de puesta a tierra define el potencial eléctrico de los conductores en relación con el de la superficie conductora de la Tierra. La elección del sistema de puesta a tierra tiene implicaciones para la seguridad y la compatibilidad electromagnética del suministro eléctrico. Las normativas sobre sistemas de puesta a tierra varían considerablemente entre los distintos países.
Una conexión a tierra funcional sirve para algo más que proteger contra descargas eléctricas, ya que dicha conexión puede transportar corriente durante el funcionamiento normal de un dispositivo. Entre estos dispositivos se incluyen supresores de sobretensiones, filtros de compatibilidad electromagnética, algunos tipos de antenas y diversos instrumentos de medición. Por lo general, el sistema de protección a tierra también se utiliza como tierra funcional, aunque esto requiere cuidado.
Los sistemas de distribución de energía pueden estar conectados a tierra de manera sólida, con un conductor de circuito conectado directamente a un sistema de electrodos de conexión a tierra. Alternativamente, se puede conectar cierta cantidad de impedancia eléctrica entre el sistema de distribución y la tierra, para limitar la corriente que puede fluir a tierra. La impedancia puede ser una resistencia o un inductor (bobina). En un sistema conectado a tierra de alta impedancia, la corriente de falla está limitada a unos pocos amperios (los valores exactos dependen de la clase de voltaje del sistema); un sistema conectado a tierra de baja impedancia permitirá que fluyan varios cientos de amperios en una falla. Un gran sistema de distribución conectado a tierra de manera sólida puede tener decenas de miles de amperios de corriente de falla a tierra.
En un sistema de CA polifásico, la suma vectorial instantánea de las fases es cero. Este punto neutro se utiliza comúnmente para referir los voltajes de fase a tierra en lugar de conectar uno de los conductores de fase a tierra. Se puede utilizar cualquier transformador conectado en Δ-Y (delta-estrella) para este propósito. Se puede utilizar un transformador de nueve devanados (un transformador en "zig zag" ) para equilibrar las corrientes de fase de una fuente conectada en delta con una carga desequilibrada.
Los sistemas de conexión a tierra de baja resistencia utilizan una resistencia de conexión a tierra neutra (NGR) para limitar la corriente de falla a 25 A o más. Los sistemas de conexión a tierra de baja resistencia tendrán una clasificación de tiempo (por ejemplo, 10 segundos) que indica cuánto tiempo puede la resistencia transportar la corriente de falla antes de sobrecalentarse. Un relé de protección contra falla a tierra debe disparar el disyuntor para proteger el circuito antes de que se produzca el sobrecalentamiento de la resistencia.
Los sistemas de conexión a tierra de alta resistencia (HRG) utilizan una NGR para limitar la corriente de falla a 25 A o menos. Tienen una clasificación continua y están diseñados para funcionar con una falla a tierra única. Esto significa que el sistema no se disparará inmediatamente en la primera falla a tierra. Si ocurre una segunda falla a tierra, un relé de protección de falla a tierra debe disparar el disyuntor para proteger el circuito. En un sistema HRG, se utiliza una resistencia de detección para monitorear continuamente la continuidad del sistema. Si se detecta un circuito abierto (por ejemplo, debido a una soldadura rota en la NGR), el dispositivo de monitoreo detectará el voltaje a través de la resistencia de detección y disparará el disyuntor. Sin una resistencia de detección, el sistema podría continuar funcionando sin protección a tierra (ya que una condición de circuito abierto enmascararía la falla a tierra) y podrían ocurrir sobretensiones transitorias. [7]
Cuando el peligro de descarga eléctrica es alto, se pueden utilizar sistemas eléctricos especiales sin conexión a tierra para minimizar la posible fuga de corriente a tierra. Ejemplos de tales instalaciones incluyen áreas de atención al paciente en hospitales, donde el equipo médico está conectado directamente a un paciente y no debe permitir que ninguna corriente de la línea eléctrica pase al cuerpo del paciente. Los sistemas médicos incluyen dispositivos de monitoreo para advertir de cualquier aumento de la corriente de fuga. En sitios de construcción húmedos o en astilleros, se pueden proporcionar transformadores de aislamiento para que una falla en una herramienta eléctrica o su cable no exponga a los usuarios al peligro de descarga eléctrica.
Los circuitos utilizados para alimentar equipos de producción de audio/video sensibles o instrumentos de medición pueden alimentarse desde un sistema de energía técnico aislado y sin conexión a tierra para limitar la inyección de ruido del sistema de energía.
En los sistemas de distribución eléctrica de CA con retorno a tierra de un solo cable (SWER), se ahorran costos al utilizar un solo conductor de alto voltaje para la red eléctrica , mientras se dirige la corriente de retorno de CA a través de la tierra. Este sistema se utiliza principalmente en áreas rurales donde las grandes corrientes de tierra no causarían peligros de otro modo.
Algunos sistemas de transmisión de energía de corriente continua de alto voltaje (HVDC) utilizan la tierra como segundo conductor. Esto es especialmente común en esquemas con cables submarinos, ya que el agua de mar es un buen conductor. Se utilizan electrodos de puesta a tierra enterrados para realizar la conexión a tierra. La ubicación de estos electrodos debe elegirse con cuidado para evitar la corrosión electroquímica en las estructuras subterráneas.
Una preocupación particular en el diseño de subestaciones eléctricas es el aumento del potencial de tierra . Cuando se inyectan corrientes de falla muy grandes en la tierra, el área alrededor del punto de inyección puede aumentar a un alto potencial con respecto a los puntos distantes de ella. Esto se debe a la conductividad finita limitada de las capas de suelo en la tierra de la subestación. El gradiente de voltaje (el cambio de voltaje a través de la distancia al punto de inyección) puede ser tan alto que dos puntos en el suelo pueden estar a potenciales significativamente diferentes. Este gradiente crea un peligro para cualquier persona que se encuentre en el suelo en un área de la subestación eléctrica que no esté suficientemente aislada del suelo. Las tuberías, rieles o cables de comunicación que ingresan a una subestación pueden ver diferentes potenciales de tierra dentro y fuera de la subestación, lo que crea un voltaje de contacto peligroso para personas desprevenidas que podrían tocar esas tuberías, rieles o cables. Este problema se alivia creando un plano de unión equipotencial de baja impedancia instalado de acuerdo con IEEE 80, dentro de la subestación. Este plano elimina los gradientes de voltaje y garantiza que cualquier falla se solucione dentro de tres ciclos de voltaje. [8]
Las conexiones a tierra de las señales sirven como vías de retorno para las señales y la potencia (a voltajes extra bajos , inferiores a unos 50 V) dentro de los equipos y en las interconexiones de señales entre equipos. Muchos diseños electrónicos cuentan con un único retorno que actúa como referencia para todas las señales. Las conexiones a tierra de las señales y la potencia suelen conectarse, normalmente a través de la carcasa metálica del equipo. Los diseñadores de placas de circuitos impresos deben tener cuidado en el diseño de los sistemas electrónicos para que las corrientes de alta potencia o de conmutación rápida en una parte de un sistema no inyecten ruido en las partes sensibles de bajo nivel de un sistema debido a alguna impedancia común en las trazas de conexión a tierra del diseño.
El voltaje se define como la diferencia de potenciales eléctricos entre puntos en un campo eléctrico. Se utiliza un voltímetro para medir la diferencia de potencial entre un punto y un punto de referencia conveniente, pero por lo demás arbitrario. Este punto de referencia común se denomina "tierra" y se designa como que tiene un potencial nominal cero. Las señales se definen con respecto a la tierra de la señal , que puede estar conectada a una tierra de alimentación . Un sistema en el que la tierra del sistema no está conectada a otro circuito o a tierra (en el que aún puede haber acoplamiento de CA entre esos circuitos) a menudo se denomina tierra flotante y puede corresponder a electrodomésticos de Clase 0 o Clase II .
Algunos dispositivos requieren una conexión a la masa de tierra para funcionar correctamente, a diferencia de cualquier función puramente protectora. Dicha conexión se conoce como tierra funcional; por ejemplo, algunas estructuras de antena de longitud de onda larga requieren una conexión a tierra funcional, que generalmente no debe conectarse indiscriminadamente a la tierra de protección de suministro, ya que la introducción de frecuencias de radio transmitidas en la red de distribución eléctrica es ilegal y potencialmente peligrosa. Debido a esta separación, normalmente no se debe confiar en que una tierra puramente funcional realice una función protectora. Para evitar accidentes, dichas tierras funcionales normalmente se cablean con cable blanco, crema o rosa, y no verde o verde/amarillo.
En las estaciones de televisión , estudios de grabación y otras instalaciones donde la calidad de la señal es crítica, a menudo se instala una conexión a tierra de señal especial conocida como "tierra técnica" (o "tierra técnica", "tierra especial" y "tierra de audio"), para evitar bucles de tierra . Esto es básicamente lo mismo que una tierra de alimentación de CA, pero no se permiten cables de tierra de electrodomésticos generales en ninguna conexión a ella, ya que pueden transmitir interferencias eléctricas. Por ejemplo, solo el equipo de audio está conectado a la tierra técnica en un estudio de grabación. [10] En la mayoría de los casos, los bastidores de equipos metálicos del estudio están todos unidos con cables de cobre pesados (o tubos de cobre aplanados o barras colectoras ) y se realizan conexiones similares a la tierra técnica. Se tiene mucho cuidado de que no se coloquen electrodomésticos con conexión a tierra de chasis general en los bastidores, ya que una sola conexión a tierra de CA a la tierra técnica destruirá su efectividad. Para aplicaciones particularmente exigentes, la tierra técnica principal puede consistir en un tubo de cobre pesado, si es necesario, instalado perforando a través de varios pisos de concreto, de modo que todas las tierras técnicas puedan conectarse por el camino más corto posible a una varilla de tierra en el sótano.
Ciertos tipos de antenas de radio (o sus líneas de alimentación ) requieren una conexión a tierra que funcione adecuadamente en frecuencias de radio . El calibre requerido del sistema de conexión a tierra se denomina tierra de radiofrecuencia . [11] [12] En general, un transmisor de radio, su fuente de alimentación y su antena requerirán tres conexiones a tierra funcionalmente diferentes:
Aunque algunas de estas conexiones a tierra se pueden combinar y deben conectarse exactamente en un punto, en esta sección solo se trata el último tipo de conexión a tierra. La conexión a tierra de seguridad contra rayos (1) se trata en la siguiente sección, no aquí. La conexión a tierra de seguridad eléctrica (2) se analizó en secciones anteriores y no es adecuada para fines de radio, aunque es necesaria para el suministro de energía. La conexión a tierra de radiofrecuencia (3) es el tema de esta sección.
Dado que las frecuencias de radio de la corriente en las antenas son mucho más altas que la frecuencia de 50 o 60 Hz de la línea eléctrica, los sistemas de conexión a tierra de radio utilizan principios diferentes a los de la conexión a tierra de la alimentación de CA. [12] Los cables de conexión a tierra de seguridad de "tierra de protección" (PE) en el cableado de los edificios de servicios públicos de CA no fueron diseñados para, y no pueden usarse como un sustituto adecuado de una conexión a tierra de RF . Los cables de conexión a tierra largos de los servicios públicos tienen una alta impedancia en ciertas frecuencias. En el caso de un transmisor, la corriente de RF que fluye a través de los cables de conexión a tierra puede irradiar interferencias de radiofrecuencia e inducir voltajes peligrosos en las partes metálicas conectadas a tierra de otros aparatos, por lo que se utilizan sistemas de conexión a tierra separados. [12]
Las antenas monopolares que funcionan a frecuencias más bajas, por debajo de los 20 MHz, utilizan la superficie de la Tierra como parte de la antena, como un plano conductor para reflejar las ondas de radio y proporcionar una ruta de retorno para los campos eléctricos que se extienden desde la antena. Los monopolos incluyen el radiador de mástil utilizado por las estaciones de radio AM , y la antena en "T" y "L" invertida , y la antena paraguas . La línea de alimentación del transmisor está conectada entre la antena y tierra, por lo que requiere un sistema de conexión a tierra (puesta a tierra) debajo de la antena para hacer contacto con el suelo para recolectar la corriente de retorno. El sistema de tierra también funciona como una placa de condensador , para recibir la corriente de desplazamiento de la antena y devolverla al lado de tierra de la línea de alimentación del transmisor, por lo que preferiblemente se ubica directamente debajo de la antena. En receptores y transmisores de baja eficiencia / baja potencia , la conexión a tierra puede ser tan simple como una o varias varillas o estacas de metal clavadas en el suelo, o una conexión eléctrica a la tubería de agua metálica de un edificio que se extiende dentro de la tierra. [12] Sin embargo, en las antenas de transmisión, el sistema de tierra transporta toda la corriente de salida del transmisor, por lo que la resistencia de un contacto de tierra inadecuado puede representar una pérdida importante de potencia del transmisor.
Los transmisores de potencia media a alta suelen tener un sistema de tierra extenso que consiste en cables de cobre desnudo enterrados en la tierra debajo de la antena, para reducir la resistencia. [13] Dado que para las antenas omnidireccionales utilizadas en estas bandas las corrientes de tierra viajan radialmente hacia el punto de tierra desde todas las direcciones, el sistema de puesta a tierra generalmente consiste en un patrón radial de cables enterrados que se extienden hacia afuera debajo de la antena en todas las direcciones, conectados entre sí al lado de tierra de la línea de alimentación del transmisor en un terminal junto a la base de la antena [11] [14] llamado sistema de tierra radial .
La potencia del transmisor que se pierde en la resistencia del suelo, y por lo tanto la eficiencia de la antena, depende de la conductividad del suelo. Esto varía ampliamente; los suelos pantanosos o los estanques, particularmente los de agua salada, proporcionan la resistencia de tierra más baja, mientras que los suelos rocosos o arenosos secos son los más altos. La pérdida de potencia por metro cuadrado en el suelo es proporcional al cuadrado de la densidad de corriente del transmisor que fluye en la tierra. La densidad de corriente y la potencia disipada aumentan cuanto más nos acercamos al terminal de tierra en la base de la antena [14] , por lo que se puede pensar que el sistema de tierra radial proporciona un medio de mayor conductividad, el cobre, para que la corriente de tierra fluya a través de él, en las partes del suelo que transportan una alta densidad de corriente, para reducir las pérdidas de potencia.
Un sistema de tierra estándar ampliamente utilizado para antenas de transmisión de radiadores de mástil que operan en las bandas MF y LF consiste en 120 cables de tierra radiales enterrados y espaciados de manera uniforme que se extienden un cuarto de longitud de onda ( , o 90 grados eléctricos [b] ) desde la base de la antena. [12] [11] [14] [15] Se utiliza típicamente un cable de cobre trefilado blando de AWG 8 a AWG 10, enterrado a una profundidad de 4 a 10 pulgadas. [14] Para las antenas de banda de transmisión AM, esto requiere un área de tierra circular que se extiende desde el mástil de 47 a 136 metros (154 a 446 pies). Esto generalmente se planta con césped, que se mantiene cortado corto, ya que el césped alto puede aumentar la pérdida de potencia en ciertas circunstancias. Si el área de tierra disponible es demasiado limitada para radiales tan largos, en muchos casos se pueden reemplazar adecuadamente por un mayor número de radiales más cortos, o un número menor de radiales más largos. [13] [11]
En las antenas transmisoras, una segunda causa de desperdicio de energía son las pérdidas de potencia dieléctrica del campo eléctrico ( corriente de desplazamiento ) de la antena que pasa a través de la tierra para alcanzar los cables de tierra. [15] Para las antenas cercanas a una altura de media longitud de onda (180 grados eléctricos [b] ), la antena tiene un máximo de voltaje ( antinodo ) cerca de su base, lo que da como resultado fuertes campos eléctricos en la tierra por encima de los cables de tierra cerca del mástil donde la corriente de desplazamiento ingresa al suelo. Para reducir esta pérdida, estas antenas a menudo usan una pantalla de tierra de cobre conductora debajo de la antena conectada a los cables de tierra enterrados, ya sea sobre el suelo o elevados unos pocos pies, para proteger el suelo del campo eléctrico.
En algunos casos en los que el suelo rocoso o arenoso tiene una resistencia demasiado alta para un terreno enterrado, se utiliza un contrapeso . [11] Se trata de una red radial de cables similar a la de un sistema de terreno enterrado, pero que se encuentra sobre la superficie o suspendida a unos pocos pies por encima del suelo. Actúa como una placa de condensador , acoplando capacitivamente la línea de alimentación a las capas conductoras del suelo.
En frecuencias más bajas, la resistencia del sistema de tierra es un factor más crítico debido a la pequeña resistencia de radiación de la antena. En las bandas LF y VLF , las limitaciones de altura de construcción requieren que se utilicen antenas eléctricamente cortas , más cortas que la longitud de resonancia fundamental de un cuarto de longitud de onda ( ). Un monopolo de cuarto de onda tiene una resistencia de radiación de alrededor de 25~36 ohmios , pero por debajo de esta resistencia disminuye con el cuadrado de la relación entre la altura y la longitud de onda. La potencia suministrada a una antena se divide entre la resistencia de radiación, que representa la potencia emitida como ondas de radio, la función deseada de la antena, y la resistencia óhmica del sistema de tierra, que da como resultado energía desperdiciada en forma de calor. A medida que la longitud de onda se hace más larga en relación con la altura de la antena, la resistencia de radiación de la antena disminuye, por lo que la resistencia de tierra constituye una proporción mayor de la resistencia de entrada de la antena y consume más potencia del transmisor. Las antenas en la banda VLF a menudo tienen una resistencia de menos de 1 ohmio , e incluso con sistemas de tierra de resistencia extremadamente baja, entre el 50% y el 90% de la potencia del transmisor puede desperdiciarse en el sistema de tierra. [12]
Los sistemas de protección contra rayos están diseñados para mitigar los efectos de los rayos mediante la conexión a sistemas de puesta a tierra extensos que proporcionan una gran superficie de conexión a tierra. La gran superficie es necesaria para disipar la alta corriente de un rayo sin dañar los conductores del sistema por exceso de calor. Dado que los rayos son pulsos de energía con componentes de frecuencia muy alta, los sistemas de puesta a tierra para protección contra rayos tienden a utilizar tramos rectos cortos de conductores para reducir la autoinducción y el efecto pelicular .
En una subestación eléctrica, una estera de tierra es una malla de material conductor que se instala en los lugares donde una persona se pararía para operar un interruptor u otro aparato; está conectada a la estructura metálica de soporte local y al mango del tablero de distribución, de modo que el operador no esté expuesto a un alto voltaje diferencial debido a una falla en la subestación.
En las proximidades de dispositivos sensibles a la electrostática, se utiliza una estera de tierra o una estera de puesta a tierra para conectar a tierra la electricidad estática generada por personas y equipos en movimiento. [16] Hay dos tipos utilizados en el control de estática: esteras disipativas estáticas y esteras conductoras.
Una estera disipadora de electricidad estática que se apoya sobre una superficie conductora (que es lo que suele ocurrir en las instalaciones militares) suele estar formada por 3 capas (3 capas) con capas de vinilo disipadoras de electricidad estática que rodean un sustrato conductor que está conectado eléctricamente a tierra (tierra). Para usos comerciales, se utilizan tradicionalmente esteras de goma disipadoras de electricidad estática que están formadas por 2 capas (2 capas) con una capa superior disipadora de electricidad estática resistente a la soldadura que las hace durar más que las esteras de vinilo, y una base de goma conductora . Las esteras conductoras están hechas de carbono y se utilizan únicamente en suelos con el fin de llevar la electricidad estática a tierra lo más rápido posible. Normalmente, las esteras conductoras están hechas con amortiguación para permanecer de pie y se las denomina esteras "antifatiga".
Para que una alfombrilla disipadora de electricidad estática esté conectada a tierra de manera fiable, debe estar conectada a una ruta de conexión a tierra. Normalmente, tanto la alfombrilla como la muñequera se conectan a tierra mediante un sistema de puesta a tierra de punto común (CPGS). [17]
En los talleres de reparación de ordenadores y en la fabricación de productos electrónicos, los trabajadores deben estar conectados a tierra antes de trabajar con dispositivos sensibles a voltajes que pueden generar los seres humanos. Por ese motivo, las alfombrillas disipadoras de electricidad estática se pueden utilizar y se utilizan también en los pisos de montaje de producción como "pasamanos" a lo largo de la línea de montaje para disipar la electricidad estática generada por las personas que caminan de un lado a otro.
El aislamiento es un mecanismo que anula la conexión a tierra. Se utiliza con frecuencia con dispositivos de bajo consumo y cuando los ingenieros, aficionados o reparadores trabajan en circuitos que normalmente funcionarían con el voltaje de la línea eléctrica. El aislamiento se puede lograr simplemente colocando un transformador con una relación de cableado de 1:1 con una cantidad igual de vueltas entre el dispositivo y el servicio eléctrico normal, pero se aplica a cualquier tipo de transformador que utilice dos o más bobinas aisladas eléctricamente entre sí.
En el caso de un dispositivo aislado, tocar un solo conductor con corriente no provoca una descarga grave, ya que no existe una vía de retorno al otro conductor a través de la tierra. Sin embargo, pueden producirse descargas eléctricas y electrocución si ambos polos del transformador entran en contacto con la piel desnuda. Anteriormente se sugería que los reparadores "trabajaran con una mano detrás de la espalda" para evitar tocar dos partes del dispositivo bajo prueba al mismo tiempo, evitando así que una corriente atraviese el pecho e interrumpa los ritmos cardíacos o provoque un paro cardíaco . [18]
Generalmente, cada transformador de línea de alimentación de CA actúa como un transformador de aislamiento, y cada paso hacia arriba o hacia abajo tiene el potencial de formar un circuito aislado. Sin embargo, este aislamiento evitaría que los dispositivos averiados quemen fusibles cuando se produzca un cortocircuito con su conductor de tierra. El aislamiento que podría crear cada transformador se anula si siempre se tiene una pata de los transformadores conectada a tierra, en ambos lados de las bobinas del transformador de entrada y salida. Las líneas eléctricas también suelen conectar a tierra un cable específico en cada polo, para garantizar la ecualización de la corriente de polo a polo si se produce un cortocircuito a tierra.
En el pasado, los aparatos con conexión a tierra se diseñaban con un aislamiento interno que permitía desconectar la conexión a tierra de forma sencilla mediante enchufes de conexión a tierra sin problemas aparentes (una práctica peligrosa, ya que la seguridad del equipo flotante resultante depende del aislamiento de su transformador de potencia). Sin embargo, los aparatos modernos suelen incluir módulos de entrada de energía que están diseñados con un acoplamiento capacitivo deliberado entre las líneas de alimentación de CA y el chasis, para suprimir la interferencia electromagnética. Esto da como resultado una corriente de fuga significativa de las líneas de alimentación a tierra. Si la conexión a tierra se desconecta mediante un enchufe de conexión a tierra o por accidente, la corriente de fuga resultante puede provocar descargas eléctricas leves, incluso sin que haya ningún fallo en el equipo. [19] Incluso las corrientes de fuga pequeñas son una preocupación importante en entornos médicos, ya que la desconexión accidental de la conexión a tierra puede introducir estas corrientes en partes sensibles del cuerpo humano. Como resultado, las fuentes de alimentación médicas están diseñadas para tener una baja capacitancia. [20]
Los aparatos y fuentes de alimentación de clase II (como los cargadores de teléfonos móviles) no disponen de ninguna conexión a tierra y están diseñados para aislar la salida de la entrada. La seguridad está garantizada mediante un doble aislamiento, de modo que se necesitan dos fallos de aislamiento para provocar una descarga.
"Por fin", dijo encantado el gerente [JJ Carty, Boston, Mass.], "tenemos una línea perfectamente tranquila".
