Analogía hidráulica

Analogía entre un circuito hidráulico (izquierda) y un circuito electrónico (derecha).

La electrónica –analogía hidráulica (burlonamente se refiere como el teoría de la tubería de drenaje por Oliver Lodge) es el más ampliamente utilizado analogía de "fluido de electrones" en un conductor metálico. Desde corriente eléctrica es invisible y los procesos en juego en electrónica a menudo son difíciles de demostrar, las distintas componentes electrónicos están representados por hidráulico equivalentes. Electricidad (así como calor) originalmente fue entendida como una especie de fluido, y los nombres de ciertas cantidades eléctricas (como la actual) se derivan de hidráulicas equivalentes. Como con todas las analogías, exige una comprensión intuitiva y competente de la línea de base paradigmas (electrónica e hidráulica).

Paradigmas

No hay ningún único paradigma para establecer esta analogía. Dos paradigmas pueden utilizarse para introducir el concepto a los alumnos:

• Versión con presión inducida por la gravedad. Grandes tanques de agua se llevan a cabo en lo alto, o están llenos a distintos niveles del agua y la energía potencial del agua cabeza es la fuente de presión. Esto es una reminiscencia de los diagramas eléctricos con una flecha que apunta hacia arriba + V, clavijas con conexión a tierra que de otra manera no aparecen conectar a nada, y así sucesivamente. Esto tiene la ventaja de asociar potencial eléctrico con potencial gravitatorio.
• Versión totalmente cerrada con bombas proporciona presión solamente; No hay gravedad. Esto es una reminiscencia de un diagrama del circuito con una fuente de tensión que se muestra y los cables en realidad completar un circuito. Este paradigma es discutida por debajo.

Otros paradigmas resaltar las similitudes entre las ecuaciones que rigen el flujo de fluido y el flujo de carga:

• Variables de flujo y la presión pueden calcularse en ambas situaciones de flujo constante y transitoria con el uso de la analogía hidráulica ohm.
• Un paradigma diferente es utilizado en acústica, donde Impedancia acústica se define como una relación entre la presión y velocidad del aire. En este paradigma, una cavidad grande con un agujero es análoga a un condensador que almacena energía compressional cuando la presión dependiente del tiempo se desvía de la presión atmosférica. Un agujero (o tubo largo) es análogo a un inductor que almacena energía cinética asociada con el flujo de aire.
• Un circuito fue utilizado para modelar la estabilización de la regeneración de una inestabilidad hidrodinámica de plasma en un espejo magnético En esta aplicación, el esfuerzo fue mantener la columna de plasma centrada aplicando tensiones en las placas, y excepto por la presencia de turbulencia y efectos no lineales, el plasma es un elemento de circuito eléctrico real (no un análogo).

Analogía hidráulica con flujo de agua horizontal

Voltaje, corriente y la carga

Potencial eléctrico

En general, esto es equivalente a cabeza hidráulica. Este modelo asume que el agua fluye horizontalmente, de modo que la fuerza de gravedad puede ser ignorada. En este caso es equivalente a potencial eléctrico presión. El voltaje (o caída de voltaje o diferencia de potencial) es una diferencia de presión entre dos puntos. Tensión y potencial eléctrico se miden generalmente en voltios.

Corriente

Equivalente a un hidráulico tasa de flujo de volumen; es decir, la cantidad volumétrica de flujo de agua en el tiempo. Suele medirse en amperios.

Carga eléctrica

Equivalente a una cantidad de agua.

Elementos del circuito básico

• 

  Realización de alambre:una tubería simple.

• 

  Resistor:un tubo estrecho.

• 

  Nodo en Regla de ensambladura de Kirchoff:A Te de la pipa lleno de fluir agua.

Realización de alambre

Un tubo relativamente amplio completamente llenado de agua es equivalente a un trozo de alambre. Al comparar a un trozo de alambre, la tubería debe ser pensada como teniendo semipermanentes tapas en los extremos. Uno de los extremos de un cable de conexión a un circuito es equivalente a ONU tapado un extremo de la tubería y conectarlo a otro tubo. Con pocas excepciones (como una fuente de alimentación de alto voltaje), un alambre con sólo un extremo conectado a un circuito no hará nada; el tubo permanece tapado en el extremo libre y por lo tanto no aporta nada al circuito.

Resistor

Una constricción en el diámetro de la tubería que requiere más presión para pasar la misma cantidad de agua. Todos los tubos tienen una resistencia al flujo, al igual que todos los cables tienen cierta resistencia a la corriente.

Nodo (o intersección) en Regla de ensambladura de Kirchoff

A Te de la pipa. El flujo neto de agua hacia una camiseta de tuberías (llenado de agua) debe ser igual el flujo neto hacia fuera.

• 

  Condensador:un diafragma flexible sellado dentro de un tubo.

• 

  Inductor:una pesada rueda de paleta o turbina colocada en la corriente.

• 

  Voltaje o actual Fuente: Una bomba de dinámica con control de regeneración.

Condensador

Un tanque con una conexión en cada extremo y una hoja de goma dividiendo el tanque en dos longitudinalmente (un acumulador hidráulico). Cuando el agua es forzada a una pipa, agua igual al mismo tiempo es forzado a salir el otro tubo, pero agua no puede penetrar la membrana de goma. Energía es almacenada por el estiramiento de la goma. Como más actual atraviesa "" el condensador, la presión (tensión) se convierte en "leads" mayor, por lo tanto corriente voltaje en un capacitor. La contrapresión de la estirada de goma acerca a la presión aplicada, la corriente se convierte en cada vez menos. Así las diferencias de presión constante "filtrar" los condensadores y las diferencias de presión lentamente variable, baja frecuencia, mientras que permite rápidos cambios en la presión para pasar a través.

Inductor

Una pesada rueda de paleta colocado en la corriente. El masa de la rueda y el tamaño de las láminas de restringir la capacidad del agua para cambiar rápidamente su tasa de flujo (actual) a través de la rueda debido a los efectos de inercia, pero, con el tiempo, una constante corriente pasará en su mayoría sin obstáculos a través de la rueda, como resulta en la misma velocidad que el flujo de agua. El área de masivo y la superficie de la rueda y sus hojas son análogos a la inductancia y fricción entre el eje y los cojinetes del eje corresponde a la resistencia que acompaña a cualquier inductor no superconductores.
Un modelo alternativo de inductor es simplemente un tubo largo, tal vez enrollado en espiral para mayor comodidad. Este dispositivo de inercia líquido se utiliza en la vida real como un componente esencial de una cilindro hidráulico. El inercia del agua que fluye a través del tubo produce el efecto de la inductancia; inductores "filtrar" rápidos cambios en el flujo, permitiendo variaciones lentas en corriente para pasar a través. El arrastre impuesto por las paredes de la tubería es algo análogo a la resistencia parásita.
En cada modelo, la diferencia de presión (tensión) en el dispositivo debe estar presente antes de que la corriente pone en marcha, así en inductores voltaje "conduce" actual. Como los aumentos actuales, acercándose a los límites impuestos por su propia fricción interna y de la corriente que puede proporcionar el resto del circuito, la caída de presión a través del dispositivo se convierte en más baja e inferior.

Ideal fuente de tensión (ideal batería) o ideal fuente de corriente

A bomba dinámica con control de retroalimentación. Un medidor de presión en ambos lados demuestra que independientemente de la corriente se producen este tipo de bomba produce la diferencia de presión constante. Si una terminal se mantiene fija en el suelo, otra analogía es un gran cuerpo de agua a una alta elevación, lo suficientemente grande como para que el agua dibujado no afecta el nivel de agua. Para crear el equivalente de un ideal fuente de corriente, utilice un bomba de desplazamiento positivo:: Un medidor de corriente (poco rueda de paleta) demuestra que cuando este tipo de bomba es conducida a una velocidad constante, mantiene una velocidad constante de la rueda de paleta pequeño.

Otros elementos del circuito

• 

  Una válvula de retención tipo bola ida simple, en su estado "abierto" actúa como un diodo en su estado llevando a cabo.

• 

  Una válvula accionada por presión combinada con una válvula unidireccional actúa como un transistor.

• 

  Como una válvula unidireccional, a cuadras de diodo corriente que fluye al revés. Corriente que fluye el camino atraviesa casi sin cambios.

• 

  Un circuito de aire acondicionado simple consiste en una bomba oscilante, una válvula "diodo" y un tanque "condensador". Cualquier tipo de motor puede ser utilizado aquí para conducir la bomba, mientras oscila.

Diodo

Equivalente a un solo sentido válvula de retención con un asiento de la válvula ligeramente agujereado. Al igual que con un diodo, una diferencia pequeña presión es necesario antes de que la válvula se abre. Y al igual que un diodo, demasiado Reverse bias puede dañar o destruir el ensamble de la válvula.

Transistor

Una válvula en el cual un diafragma, controlado por una señal de baja corriente (corriente para cualquier constante una BJT o presión constante para un FET), se mueve un émbolo que afecta a la corriente a través de otra sección de la tubería.

CMOS

Una combinación de dos MOSFET transistores. La presión de entrada cambia, los pistones permiten la salida conectar al positivo o cero presión.

Memristor

A válvula de aguja operado por un medidor de flujo. Como el agua fluye a través de la dirección de avance, la válvula de aguja restringe el flujo de más; como corrientes de agua la otra dirección, válvula de aguja del abre además ofrece menos resistencia.

Equivalentes de principio

EM onda velocidad (velocidad de propagación)

Velocidad del sonido en el agua. Cuando se gira un interruptor de luz, la onda eléctrica viaja muy rápidamente a través de los cables.

Velocidad (flujo de cargavelocidad de deriva)

Velocidad de la partícula de agua. Las cargas móviles se mueven muy lentamente.

DC

Flujo constante de agua en un circuito de tubería

De baja frecuencia AC

Oscila hacia adelante y hacia atrás en una pipa de agua

Mayor frecuencia AC y líneas de transmisión

Sonido se transmite a través de las tuberías de agua (esto no correctamente reflejan la inversión cíclica de corriente eléctrica alterna). Como se describe, el flujo de fluido transmite fluctuaciones de la presión, pero fluidos no revertir a tasas elevadas en sistemas hidráulicos, que describen con exactitud la entrada anterior de "baja frecuencia". Un concepto mejor (si las ondas sonoras son el fenómeno) es el de corriente continua con alta frecuencia "ripple" superpuestos.

Chispa inductivo

Utilizado en bobinas de inducción, similar a martillo de agua, causado por la inercia del agua

Véase también Gráfico de Bond.

Ejemplos de la ecuación

Algunos ejemplos de ecuaciones equivalentes eléctricas e hidráulicas:

tipo	hidráulico	eléctrico	térmica	mecánica
cantidad	volumen $V$ [m3]	carga $q$ [C]	calor $Q$ [J]	impulso $P$ [Ns]
potencial	presión $p$ [Pa = J/m3]	potencial $\phi$ [V = J/C]	temperatura $T$ [K = J /$k_B$]	velocidad $v$ [m/s]
flujo	Flujo volumétrico $\Phi_{V}$ [m3/ s]	actual $I$ A = C [s]	velocidad de transferencia de calor $\dot{Q}$ J [s]	fuerza $F$ [N]
densidad de flujo	velocidad $v$ [m/s]	densidad de corriente $j$ [C / (m2·s) = A/m²]	flujo de calor $\dot{Q}''$ [W/m2]	estrés $\sigma$ [N/m2 = Pa]
modelo lineal	Ley de Poiseuille $\Phi_{V} = \frac{\pi r^{4}}{8 \eta} \frac{\Delta p^{\star}}{\ell}$	La ley de Ohm $j=-\sigma \nabla \phi$	Ley de Fourier $\dot{Q}''=\kappa \nabla T$	Amortiguador $\sigma = c \Delta v$

Si las ecuaciones diferenciales tienen la misma forma, la respuesta será similar.

Límites a la analogía

Si toma demasiado lejos, la analogía del agua puede crear conceptos erróneos. Para que sea útil, uno debe seguir siendo consciente de las regiones donde agua y electricidad se comportan muy diferentemente.

Campos (Ecuaciones del Maxwell, Inductancia)

Los electrones pueden empujar o jalar otros electrones distantes mediante sus campos, mientras que las moléculas de agua experimentan fuerzas solamente con el contacto directo con otras moléculas. Por este motivo, las ondas en el agua viajan a la velocidad del sonido, pero las olas en un mar de carga viajará mucho más rápido que las fuerzas de un electrón se aplican muchos electrones distantes y no sólo los vecinos en contacto directo. En una línea de transmisión hidráulica, la energía fluye como ondas mecánicas a través del agua, pero en una línea de transmisión eléctrica la energía fluye como campos en el espacio que rodea los cables y no fluye dentro del metal. También, un electrón acelerado llevaba a sus vecinos mientras que los atrae, tanto por fuerzas magnéticas.

Carga

A diferencia de agua, portadores móviles de la carga pueden ser positivo o negativo, y los conductores pueden exhibir una carga neta global positiva o negativa. Los operadores de telefonía móviles en las corrientes eléctricas son generalmente los electrones, pero a veces están acusados positivamente, como los iones positivos en un electrolito, la H ⁺iones en conductores del protón o agujeros en semiconductores de tipo p y algunos conductores (muy raros).

Fugas de tuberías

El carga eléctrica de un circuito eléctrico y sus elementos generalmente es casi igual a cero, por lo tanto es constante (casi). Esto se formaliza en Ley actual de Kirchhoff, que no tiene una analogía para sistemas hidráulicos, donde la cantidad de líquido no es generalmente constante. Incluso con incompresible líquido el sistema puede contener elementos tales como pistones y piscinas, así que puede cambiar el volumen del líquido contenido en una parte del sistema. Por esta razón, siguiendo las corrientes eléctricas requieren cerrado bucles más abierta fuente/sumidero de hidráulica asemejándose a grifos y cubos.

Velocidad del fluido y la resistencia de los metales

Como con mangueras de agua, la velocidad de deriva de portador en los conductores es directamente proporcional a la corriente. Sin embargo, experiencias solamente agua arrastre mediante la superficie interna de los tubos, mientras que los cargos son retrasados en todos los puntos dentro de un metal, como con el agua a través de un filtro. También, la velocidad típica de los portadores de carga dentro de un conductor es menos centímetros por minuto, y la "fricción eléctrica" es extremadamente alta. Si cargas alguna vez fluyeron tan rápido como el agua puede fluir en tubos, la corriente eléctrica sería inmensa, y los conductores se incandescentemente calientes y quizás vaporizar. Para modelar la resistencia y la velocidad de carga de metales, tal vez un tubo lleno de esponja, o una pajita estrecha llenos de jarabe, sería una mejor analogía que una tubería de agua de gran diámetro. Resistencia en la mayoría de los conductores eléctricos es una función lineal: a medida que los aumentos actuales, caída de tensión aumenta proporcionalmente (la ley de Ohm). Resistencia a líquidos en tuberías no es lineal con el volumen, variables como la Plaza de flujo volumétrico (véase Ecuación de Darcy – Weisbach).

Mecánica cuántica

Aisladores y conductores sólidos contienen cargos en más de una discreto nivel de energía atómica de la órbita, mientras que el agua en una región de una tubería sólo puede tener un único valor de la presión. Por esta razón no hay ninguna explicación hidráulica para cosas tales como un bateríala carga de bombeo capacidad, un diodoes capa de agotamiento y caídas de tensión, célula solar funciones, Efecto Peltier, etc., sin embargo los dispositivos equivalentes pueden ser diseñados que exhiben respuestas similares, aunque algunos de los mecanismos solo serviría para regular las curvas de flujo en lugar de contribuir a la función principal del componente.

Utilidad requiere que el lector o el estudiante tenga un conocimiento sustancial de los principios del sistema (hidráulica) modelo. También exige que los principios pueden ser transferidos al sistema (eléctrico) de destino. Sistemas hidráulicos son engañosamente simples: el fenómeno de la cavitación de la bomba es un problema conocido, complejo que pocas personas fuera de las industrias de energía o el riego fluidas entendería. Para quienes lo hacen, la analogía hidráulica es divertida, como no "cavitación" equivalente existe en ingeniería eléctrica. La analogía hidráulica puede dar un sentido equivocado de entendimiento que se expondrá una vez que se requiere una descripción detallada de la teoría de circuitos eléctricos.

Uno debe considerar también las dificultades en tratar de hacer una analogía con la realidad totalmente. La encima "fricción eléctrica" ejemplo, donde el análogo hidráulico es un tubo llenado de material esponjoso, ilustra el problema: el modelo debe incrementarse en complejidad más allá de cualquier escenario realista.

Véase también

• Fluídicas
• Circuito hidráulico

Enlaces externos

• Hyperphysics
• Hyperphysics 2 — No tiene el depósito.
• Con animaciones! — La paleta se comporta como un resistor si la paleta de sí mismo es sin masa y fricción y como un inductor si es sin fricción y tiene masa. También dispone de ecuaciones equivalentes.
• La ley de Ohm
• Analogía del condensador
• Analogía circuito condensador
• Hilo de noticias con un montón de buenas analogías y unos cuantos malos
• Comprensión electricidad — una analogía con el agua
• Analogía de agua a los transistores Versión ligeramente mejor sería algo así como un recirculación de los gases de escape Válvula (EGR)
• Teoría de circuitos básicos
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