Analogia hidràulica
i un circuit elèctric (dreta)
La analogia elèctric hidràulica (coneguda despectivamente com la teoria dels desaiguadors pel físic britànic Oliver Joseph Lodge (1851-1940))[1] és un procediment utilisat per a simular per mig de dispositius hidràulics el comportament de la corrent en un circuit elèctric. Com la corrent elèctrica no és visible i els processos en joc en l'electrònica a sovint són difícils de demostrar, els distints components electrònics es poden simular per mig de dispositius hidràulics equivalents. L'electricitat (aixina com el fluix de la calor) es va entendre originalment com un tipo de decorregut, i els noms de certes cantitats elèctriques (com la corrent) es deriven d'equivalents hidràulics. De la mateixa manera que en totes les analogia, exigix una comprensió tan formada com a intuïtiva dels paradigmas bàsics de l'electrònica i de l'hidràulica.
Paradigmes
[editar | editar còdic]
No hi ha un paradigma únic per a establir esta analogia. Es poden usar dos paradigmes per a presentar el concepte als estudiants, utilisant la pressió produïda per la gravetat o per bombes.
En la versió en pressió per gravetat, es mantenen uns depòsits elevats plens o en diferents nivells d'aigua, i l'energia potencial de l'aigua és la font de pressió. Este fet recorda als diagrames elèctrics en una flecha cap a dalt que apunta a +V, en contactes conectats a terra que d'una atra manera no apareixerien conectats a res. Açò té la ventaja de poder associar el potencial elèctric en el potencial gravitatorio.
Un segon paradigma és una versió completament tancada, en bombes que solament proporcionen pressió pero no potencial gravitatorio. Açò recorda al diagrama d'un circuit en una font de voltage i els cables que realment completen un circuit. Este cas s'analisa més en detalle a continuació.
Atres paradigmes resalten les similituts entre les equacions que governen el fluix d'un decorregut i el fluix de les càrregues elèctriques. Les variables de fluix i pressió poden calcular-se tant en situacions de fluix estable com a transitori, en l'us de l'analogia de la resistència hidràulica.[2][3] Els ohms hidràulics són les unitats d'impedència hidràulica, que es definixen com la relació entre pressió i cabal. Les variables de pressió i fluix volumètric es tracten com fasors en esta definició, per lo que posseïxen una fase i una magnitut.[4]
S'utilisa un paradigma llaugerament diferent en l'acústica, a on l'impedència acústica es definix com una relació entre la pressió i la velocitat de l'aire. En este paradigma, una gran cavitat en un orifici és anàloga a un condensador que almagasena energia de compressió quan la pressió depenent del temps es desvia de la pressió atmosfèrica. Un orifici (o tubo llarc) és anàlec a un inductor que almagasena l'energia cinètica associada en el fluix d'aire.[5]
També s'ha utilisat un circuit hidràulic per a modelizar el control d'una inestabilitat de plasma hidrodinàmic en un espill magnètic per mig de per retroalimentación[6] En esta aplicació, es tractava de mantindre una columna de plasma centrada aplicant voltages a les plaques, i llevat per la presència de turbulències i efectes no llineals, el plasma era un element del circuit elèctric real (no un element anàlec).
Analogia hidràulica en cabal d'aigua horisontal
[editar | editar còdic]Tensió, corrent i càrrega
[editar | editar còdic]En general, el potencial elèctric és equivalent a la càrrega piezométrica. Este model assumix que l'aigua fluïx horisontalment, per lo que la força de la gravetat pot ignorar-se. En este cas, el potencial elèctric és equivalent a la pressió. La tensió (caiguda de tensió o diferència de potencial) és la diferència de pressió entre dos punts. El potencial elèctric i la tensió generalment es medixen en volts. La corrent elèctrica és equivalent a un fluix volumètric hidràulic; és dir, el cabal que s'expressa com el volum d'aigua que fluïx per una secció determinada en un periodo de temps donat. Generalment es medix en amperis. Per un atre costat, la càrrega elèctrica és equivalent a la cantitat d'aigua.[7]
Elements bàsics dels circuits
[editar | editar còdic]-
Cable conductor: canonada senzilla.
-
Resistor: canonada estretida.
-
Nodo d'una ret de Kirchhoff: conexió en "T" entre dos canonades.
.svg){kind=link}
.svg){kind=link}
Un tubo relativament ample completament ple d'aigua és equivalent a un aram conductor. Quan es compara en un tros de cable, deu pensar-se com si la canonada tinguera unes tapes semipermanentes en els extrems. Conectar un extrem d'un cable a un circuit equival a tapar un extrem de la canonada i conectar-ho a una atra. En poques excepcions (com una font d'alimentació d'alt voltage), un cable en solament un extrem conectat a un circuit no farà res; el tubo permaneix tapat en l'extrem lliure, i per lo tant no agrega res al circuit.
Un resistor és equivalent a una constricció en l'orifici de la canonada que requerix més pressió per a que circule la mateixa cantitat d'aigua. Totes les canonades tenen certa resistència al fluix, de la mateixa manera que tots els cables tenen certa resistència al pas de la corrent.
Un nodo (o unió) d'una ret de Kirchhoff és equivalent a una conexió entre dos canonades en forma de "T". El fluix net d'aigua que entra en una d'estes conexions (ompli d'aigua) deu ser igual al fluix net cap a fòra.
-
Condensador elèctric: un diafragma flexible sagellat dins d'una canonada.
-
Bobina: una roda de pala o una turbina alimentada per la corrent.
-
Font elèctrica: una bomba de impulsión retroalimentada.
Un condensador elèctric és equivalent a un tanc en una conexió en cada extrem i una làmina de goma que dividix el tanc en dos[8] transversalment (un acumulador hidràulic). Quan el pas de l'aigua és forçat en una canonada, ix d'ella al mateix temps, pero no pot travessar el diafragma de goma, i s'almagasena energia gràcies al estiramiento del caucho. A mida que més corrent intenta travessar un condensador, la contrapresión (voltage) aumenta, i per lo tant, la corrent "conduïx" el voltage al condensador. A mida que la contrapresión del caucho estirat s'acosta a la pressió aplicada, la corrent disminuïx cada volta més. Per lo tant, els condensadores "filtren" les diferències de pressió constants i les diferències de pressió de baixa freqüència que varien llentament, al mateix temps que permeten el pas de canvis ràpits de pressió.
Una inducció és equivalent a una roda de paleta pesada colocada en la corrent. La massa de la roda i el tamany de les paleta restringixen la capacitat de l'aigua per a canviar ràpidament la seua velocitat de fluix (corrent) a través de la roda, pels efectes del seu inèrcia, pero passat un cert temps, una corrent que fluïx constantment passarà en la seua majoria sense obstàculs a través de la roda, ya que acaba girant a la mateixa velocitat que el fluix d'aigua. La massa i la superfície de la roda i les seues paleta són anàlogues a l'inductància; i la fricció entre el seu eix i els cojinetes correspon a la resistència que acompanya a qualsevol inductor no superconductor.[9]
Un model d'inducció alternatiu és simplement un tubo llarc, que pot enrollarse en espiral per a manejar-se millor. Este dispositiu d'inèrcia de decorreguts s'utilisa en la vida real com un component essencial d'una bomba d'ariet. l'inèrcia de l'aigua que fluïx a través de la canonada produïx l'efecte d'inductància; les induccions "filtren" els canvis ràpits en el fluix, al mateix temps que permeten passar les variacions llentes de la corrent. La resistència imposta per les parets de la canonada és alguna cosa similar a la resistència parasitaria.
En qualsevol dels dos models, la diferència de pressió (voltage) en el dispositiu deu estar present ans que la corrent comence a moure's, per lo tant, en els inductores, el voltage "conduïx" a la corrent. A mida que aumenta la corrent, acostant-se als llímits imposts per la seua pròpia fricció interna i de la corrent que pot proporcionar el restant del circuit, la caiguda de pressió a través del dispositiu es torna més i més baixa.
Una font elèctrica ideal (com una bateria o una font de corrent ideals) és una bomba dinàmica en control de realimentació. Un medidor de pressió en abdós costats mostra que, independentment de la corrent produïda, este tipo de bomba produïx una diferència de pressió constant. Si un terminal es manté fix conectat a terra, una atra analogia és una gran massa d'aigua en un depòsit elevat, lo suficientment gran com per a que l'aigua extreta no afecte significativament al nivell de l'aigua. Per a crear l'anàlec d'una font de corrent ideal, es pot usar una bomba hidràulica: un medidor de corrent (una chicoteta roda de paleta) mostra que quan este tipo de bomba es acciona a una velocitat constant, manté una velocitat constant de la chicoteta roda de paleta.[7]
Atres elements d'un circuit
[editar | editar còdic]-
Vàlvula de bola unidireccional (en el seu estat d'obertura), actua com un diodo semiconductor.
-
Una vàlvula accionada per pressió combinada en una vàlvula unidireccional actua com un transistor d'efecte de camp.
-
Com una vàlvula unidireccional, un diodo bloqueja la corrent que fluïx en el sentit incorrecte. La corrent que fluïx en el sentit correcte circula sense canvis.
-
Un circuit senzill de corrent alterna consistix en una bomba oscilante, una vàlvula "diodo", i un depòsit com "condensador". Pot usar-se qualsevol tipo de motor per a impulsar la bomba, en tal de que esta oscile.
.svg){kind=link}
.svg){kind=link}
.svg){kind=link}
Un diodo és equivalent a una vàlvula antirretorno unidireccional en fugues d'assent molt reduïdes. De la mateixa manera que en un diodo, es necessita una chicoteta diferència de pressió ans que s'òbriga la vàlvula. I com un diodo, una tensió contrària massa alta pot danyar o destruir el conjunt de la vàlvula.
Una transistor és una vàlvula en la que un diafragma, controlat per una senyal de baixa corrent (ya siga una corrent constant per a un transistor d'unió bipolar o una pressió constant per a un transistor d'efecte camp), mou un émbolo que afecta a la corrent a través d'una atra secció del tubo.
Un semiconductor complementari d'òxit metàlic és una combinació de dos transistors d'efecte de camp metal-òxit-semiconductor. A mida que canvia la pressió d'entrada, els pistones permeten que l'eixida es conecte a una pressió positiva o quede a zero.
Un memristor és una vàlvula d'agulla operada per un medidor de fluix. A mida que l'aigua fluïx cap a avant, la vàlvula d'agulla restringix més el fluix; a mida que l'aigua fluïx en l'atra direcció, la vàlvula d'agulla s'obri encara més, proporcionant menys resistència.[7][9]
Vore també
[editar | editar còdic]Referències
[editar | editar còdic]- ↑ Paul J. Nahin, Oliver Heaviside: The Life, Work, and Claves of an Electrical Genius of the Victorian Age, JHU Press, 2002 ISBN 0801869099 page 59
- ↑ A. Akers, M. Gassman, & R. Smith, Hydraulic Power System Analysis. Taylor & Francis, New York, 2006, Chapter 13, ISBN 0-8247-9956-9.
- ↑ A. Esposito, "A Simplified Method for Analyzing Circuits by Analogy". Machine Design, October 1969, pp. 173-177.
- ↑ Brian J. Kirby, Micro- and Nanoscale Fluïu Mechanics, p. 69, Cambridge University Press, 2010 ISBN 1139489836.
- ↑ Schelleng, John C. "The violin as a circuit." The Journal of the Acoustical Society of America 35.3 (2005): 326-338. http://www.maestronet.com/forum/index.php?app=core&module=attach§ion=attach&attach_aneu=13435
- ↑ "Axial feedback stabilization of a flute mode in a simple mirror reactor, by M. A. Lieberman and S. L. Wong, Plasma Physics, Vol. 19, pp. 745-55 (1977). L'artícul conté un circuit L-C que és inestable pel seu "capacitancia" negativa: http://iopscience.iop.org/0032-1028/19/8/005/pdf/0032-1028_19_8_005.pdf
- ↑ 7,0 7,1 7,2 Sergey N. Makarov, Reinhold Ludwig, Stephen J. Bitar (2016). Practical Electrical Engineering, Springer, pp. 987. ISBN 9783319211732.
- ↑ «ELECTRICITY MISCONCEPTIONS: Capacitor».
- ↑ 9,0 9,1 «Understanding Electricity with Hydraulics». en. Consultat el 17 de novembre de 2018.
Referències
[editar | editar còdic]
- Este artícul conté una traducció derivada de «Analogía hidráulica» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.