Comprender la ingeniería eléctrica con analogías

Hay que tener cuidado con las analogías. Aquí hay algunos problemas en la analogía que describe:

el agua comienza a fluir desde un colector (batería)

Nada en un circuito eléctrico funciona realmente como un colector de agua. En su analogía, el agua es una carga eléctrica que, en los metales, es transportada por electrones que se desplazan lentamente. Las baterías no almacenan carga, no son un depósito de carga (ni de electrones).

Las baterías almacenan energía en forma química. Una mejor analogía es que una batería primaria es una bomba de agua alimentada con carbón que agotará su reserva de carbón a medida que bombea agua. Una batería secundaria es un poco como una bomba alimentada por un resorte de cuerda, se puede hacer funcionar en reversa para enrollar el resorte. Estas bombas solo pueden bombear agua si sus salidas están conectadas a un circuito de tuberías que eventualmente regresa a sus entradas.

¿Significa eso que el voltaje y la corriente aumentan?

El voltaje no es algo que mides en un punto, es algo que mides entre dos puntos, es una diferencia.

Si mide el voltaje en cada milímetro del circuito con respecto al terminal negativo de las baterías, verá que el voltaje disminuye monótonamente a medida que avanza por el circuito‡.

La corriente medida en cualquier punto del circuito‡ es la misma. Ni aumenta ni disminuye

... pero el número de electrones disminuiría

No es muy útil pensar en el número de electrones aumentando o disminuyendo. ¿Adónde irían? ¿De dónde aparecerían?

Mide una corriente† de agua en litros por segundo. Mide una corriente de electricidad en culombios por segundo (amperios). En un sistema de estado estable, esta corriente es la misma en todas las partes de un circuito en serie simple, ya sea de tuberías o de agua. Una constricción en una tubería no puede hacer desaparecer n litros por segundo de agua.

Si gira ligeramente una válvula de compuerta en una tubería de agua, el flujo de agua (litros por segundo) disminuye en todas las partes del circuito, incluida la bomba.

la resistencia aumenta, lo que hace que la presión y la velocidad del agua aumenten, pero el volumen disminuiría.

¡Así no es como funciona el agua!

Si imaginamos un circuito simple donde una bomba de agua bombea agua alrededor de un circuito de tubería. La tubería es de tamaño uniforme excepto en un lugar donde tenemos una sección de tubería más estrecha.

resistencia

La resistencia es mayor en la tubería más estrecha (una mayor proporción del agua está cerca de las paredes de la tubería y experimenta fricción)

presión

Sin embargo, la presión es más baja, ¡no más alta!

velocidad

Es la presión más baja la que hace que el agua se acelere a una velocidad más alta al entrar en la sección estrecha.

volumen

Cuando dices que aumenta el volumen, creo que te refieres a que aumenta la velocidad. El agua es relativamente incompresible, su volumen no cambia mucho con las presiones que se aplican en nuestra analogía.

El caudal (volumen por segundo) no cambia.

notas al pie

† Esta es una de las áreas donde la analogía comienza a romperse. La palabra "actual" se usa de manera inconsistente. Si le pidieras a alguien que midiera la corriente en un río, podría darte una respuesta en metros por segundo ("corriente" = velocidad de deriva promedio de las moléculas de H2O) en lugar de litros por segundo ("flujo" = litros por segundo que pasan por un punto fijo ).

‡ Esta respuesta se aplica solo a un circuito simple de batería y resistencia conectados por cables de cobre.

E=analogía IR
Los electrones fluyen de negativo a positivo en el circuito
y de positivo a negativo en la fuente de alimentación.

Una analogía del agua para los condensadores que he visto en algún lugar hace mucho tiempo es pensar en un condensador como un tanque de agua que se llena con agua y tiene una membrana elástica que lo separa en dos partes. Se vería algo como esto:

Tanto el lado izquierdo como el derecho del tanque están llenos de agua y la membrana en el medio si está en posición relajada.

Ahora supongamos que conectamos el tanque a dos tuberías de agua conectadas a algún sistema y supongamos que la presión en la tubería derecha es mayor que la presión en la tubería izquierda. La mayor presión del agua en el lado derecho ejercería fuerza sobre la membrana y trabajaría para empujar la membrana elástica hacia la izquierda para aumentar su volumen.

La membrana empujaría un poco de agua en el lado izquierdo fuera del tanque y el volumen del agua en el lado derecho se expandiría para llenar el espacio dejado por el agua en el lado izquierdo. En un punto, la expansión del agua del lado derecho se detendrá, una vez que se equilibren los efectos de las fuerzas de la presión del agua en el lado derecho y la presión del agua en el lado izquierdo más la elasticidad de la membrana.

Nuestro tanque "lleno" tiene la misma cantidad de agua que tenía cuando estaba vacío, pero la distribución es diferente. Esto es lo que sucede cuando conectamos el condensador a un circuito de CC. Habrá algún tiempo durante el cual el agua fluirá a través del tanque y luego el flujo caerá a cero cuando la distribución del agua se estabilice.

Si tuviéramos que conectar los extremos del tanque de alguna manera usando una tubería llena de agua, la membrana empujará el agua desde el lado izquierdo hacia afuera y hacia el lado derecho y obtendríamos la primera imagen. Esto es lo que sucede cuando cortocircuitamos un condensador cargado.

Otra cosa para imaginar es lo que sucede cuando a veces la presión sobre la izquierda es mayor y otras veces la presión sobre la derecha es mayor. En ese caso, el agua se moverá alternativamente de una sección del tanque a otra. Si medimos el flujo de agua, veremos que es continuo. Así es como los condensadores pasan la corriente alterna a través de ellos.

A veces, si la tasa de cambio es lo suficientemente alta, la elasticidad (insuficientemente alta) de la membrana y el diámetro de las tuberías ralentizarán el flujo del agua a través de las conexiones del tanque. Así es como podemos pensar en los efectos secundarios "parásitos" de un condensador como ESL, ESR, etc.

Algunos puntos que deben mencionarse: siempre noté que usamos tuberías que ya están llenas de agua para conectar el tanque y que el tanque ya está lleno. Esto se debe a que ya tenemos electrones dentro de los conductores y ya hay electrones dentro del capacitor. No está vacío y no necesita ser "llenado". Toda la energía dentro del modelo de tanque del capacitor se almacena dentro de la membrana. Esto es lo mismo que estirar una banda elástica. Cuando se suelta, intentará volver a su forma original.

También tengo una idea de cómo pensar en la potencia de transporte de corriente alterna, a pesar de que los electrones se mueven hacia adelante y hacia atrás.

Imagina esto: Tenemos una hogaza de pan y queremos cortar una rebanada de pan de la hogaza. Ahora supongamos que tenemos un cuchillo suficientemente largo. Podríamos presionar el cuchillo contra el pan y luego mover el cuchillo en una dirección hasta que se corte la rebanada. Si solo observáramos este tipo de movimiento, podríamos pensar que la profundidad a la que cortamos la rebanada depende de la distancia total de la posición inicial del cuchillo. Ampliando esta idea, podríamos afirmar que si moviéramos el cuchillo hacia atrás, no podría cortar el pan.

Por supuesto, sabemos que podemos mover el cuchillo en ambas direcciones y obtener el mismo efecto que se muestra en la siguiente imagen:

Aquí es donde la idea de "cortar solo funciona si movemos el cuchillo en una dirección" se derrumbaría. Si analizamos el movimiento del cuchillo, podríamos determinar que no es la distancia actual del cuchillo desde su punto de partida lo que afecta el corte del pan, sino la longitud del recorrido del cuchillo lo que afecta el corte.

La misma idea también funciona con AC. Aunque los electrones se mueven en ambas direcciones, siguen trabajando.

La presión del agua no es una analogía terrible, pero su analogía particular tiene algunas fallas. Su configuración básicamente tiene una fuente de voltaje, un cable y una resistencia. La corriente en el cable o más bien en todo el circuito es la misma en todas partes del circuito (al menos en este ejemplo simple porque ha elegido una fuente de presión; tenga en cuenta que esto se invertiría si elige una fuente de fluido o en EE jerga de una fuente actual). La ley de Ohm establece que V = IR (voltaje = corriente * resistencia). Si comienza con un voltaje conocido (o fuente de agua) y pone una carga en el voltaje, la ley de ohm le dirá cuál es la corriente. La potencia disipada se encuentra por P = I*R (o use la ley de ohm y sustituya I o R y encuentre una de algunas ecuaciones equivalentes). Puedes pensar en la presión como voltaje y el flujo como corriente, pero obviamente la dinámica de fluidos se vuelve bastante complicada/complicada al igual que los circuitos. La analogía debe usarse para cosas básicas (por ejemplo, un voltaje más alto produce más corriente para una carga fija al igual que más presión de agua produce más flujo en un tubo fijo), pero más allá de eso, trataría de evitar confiar demasiado en él.

Voy a señalar por qué es posible tener dos convenciones de la dirección de la corriente.

La convención que elija realmente no importa, el flujo de electrones va de negativo a positivo, el flujo convencional ve cargas positivas que van de positivo a negativo. No es necesario que existan cargas positivas, la ausencia de un electrón puede percibirse como una carga positiva virtual.

Si un electrón va en esta dirección ->, el espacio que queda atrás está en la dirección opuesta <-.

Hice esta animación, espero que puedas ver lo que está pasando. ¿Cuál es la dirección de esta animación? depende del color que estés mirando.

Puede ser útil visualizar cubriendo las flechas superior o inferior con una hoja de papel.

Puedes decir lo mismo de un reloj de arena

¿En qué dirección va? Depende si te refieres al agua o al aire. El agua baja al mismo tiempo que el vacío sube.

X volumen de agua comienza a fluir desde un colector (batería) a través de la tubería con Y libras de presión a Z velocidad cuando se encuentra con una porción más delgada de tubería (resistencia).

Esto no pretende ser una respuesta completa, sino más bien un comentario extenso que puedo extender a una respuesta completa.

Para un uso adecuado de la analogía hidráulica de un circuito eléctrico, se debe recordar que las tuberías que forman el camino cerrado para el flujo de agua están llenas de agua . (Después de todo, un conductor no está vacío de portadores de carga móviles, sino que está lleno de ellos).

Pensando cuidadosamente en esto, date cuenta de que la velocidad del sonido en el agua es la velocidad con la que los cambios de presión se propagan a través del circuito.

Por lo tanto, no es productivo pensar en términos de "cuando [el volumen] de agua alcanza la... porción más delgada...".

El flujo de agua puede ser bastante lento dentro de las tuberías, pero los cambios de presión se propagan mucho más rápidamente al igual que, en el caso de los circuitos eléctricos, el flujo de electrones (o cualquiera que sea el portador de carga relevante) puede ser bastante lento, pero los cambios de voltaje y la corriente se propaga cerca de la velocidad de la luz. Véase línea de transmisión.

Considere una bomba de agua conectada a una tubería llena de agua e imagine que la tubería ofrece esencialmente cero fricción. Esto significa que el agua fluye prácticamente con una presión cero proporcionada por la bomba.

Ahora, imagine que la tubería se constriñe repentinamente en algún punto a lo largo del camino, de modo que, para mantener el mismo flujo de agua, debe haber una presión P a través de la constricción (la constricción es análoga a una resistencia).

Tenga en cuenta que aparecerá una presión P a través de la bomba casi inmediatamente, ya que el cambio de presión se propagará desde la constricción hacia la bomba a la velocidad del sonido del agua en la tubería.

Aparte, noté que la analogía hidráulica de un capacitor se introdujo en otra respuesta.

Entonces, para completar, la analogía hidráulica de un inductor podría ser algo así como un impulsor dentro de la tubería con algún momento de inercia. El agua que pasa por el impulsor debe ejercer una presión para que el impulsor comience a girar pero, una vez que gira a las rpm adecuadas, no se requiere presión para mantener la rotación. Si el flujo de agua comienza a disminuir, el impulsor actuará para crear una presión que se oponga al aumento.

Arreglemos la física en tu ejemplo simple de agua:

X volumen de agua comienza a fluir desde un colector (batería) a través de la tubería con Y libras de presión a Z tasa de flujo de masa cuando se encuentra con una porción más delgada de tubería (resistencia).

Cuando golpea una parte de la tubería con deflectores (las tuberías delgadas solo ofrecen una resistencia muy pequeña en flujos subsónicos), la resistencia aumenta y provoca un cambio medible en la presión entre la entrada y la salida (y una fuerza neta en la tubería) y la tasa de flujo másico del el agua seguirá siendo la misma . Esto significa que el voltaje a través de una resistencia aumentará con la resistencia, pero la tasa de flujo de electrones/corriente permanece igual.

Además, dado que los electrones en realidad fluyen de negativo a positivo (flujo de electrones), en contraste con el flujo convencional, ¿eso hace que esta analogía se rompa en un circuito real (especialmente con numerosos componentes)?

No, la analogía puede funcionar considerando el flujo de corriente o el flujo de electrones siempre que seas consistente. El flujo másico de líquido es análogo al flujo de carga, ya sea que se considere como corriente convencional o como flujo de electrones.

Su descripción original incluía el aumento de la velocidad y la disminución de la presión en una catarata. Esto se conoce como el principio de Bernoulli. Si desea tener el principio de Bernoulli como parte de su analogía (la conservación de la energía significa una presión más baja para una velocidad más alta en un fluido no viscoso), entonces necesita trabajar en un dominio eléctrico que sea físicamente similar. No necesita viscosidad, y que haya una transferencia de energía entre la energía potencial y la energía cinética del flujo. La viscosidad es el efecto que hace que la resistencia fluya en una tubería (el fluido que toca las paredes es estacionario, la energía se pierde por vórtices y cizallamiento), y necesita un modelo en el que la velocidad de los electrones sea lo suficientemente alta como para que su energía cinética ser significativo

El agua es una gran analogía para comprender los conceptos básicos e incluso para intuir cosas más complicadas en general.

El agua es como la carga. Las tuberías son como cables. La tasa de flujo del agua a través de una sección transversal de una tubería es como la corriente.

Me gusta pensar en el voltaje como la altura del agua sobre el suelo. El suelo es "tierra".

El agua fluirá de un punto más alto a un punto más bajo. Solo las diferencias de altura realmente importan para determinar la tasa de flujo. Cuanto mayor sea la diferencia en las alturas, más presión habrá detrás del agua que fluye.

Si tiene una tubería muy gruesa, puede mover rápidamente una gran cantidad de agua incluso con una diferencia de altura muy pequeña al conducirla. Piensa en el río Hudson. Es tan ancho que puede transportar miles de millones de galones de agua más allá de un punto por hora a pesar de que la diferencia de altura es de solo unos pocos pies. Esto es como un cable con muy baja resistencia, puede tener un gran flujo de corriente incluso con un pequeño voltaje a través de él.

A medida que la tubería se vuelve más estrecha, necesita más presión para mantener constante la tasa de flujo. Piense en una pajilla conectada a un balde en la parte superior del Empire State Building. Aunque hay una gran diferencia de altura, la cantidad de agua que fluye a través de la pajilla es pequeña.

Hay un equilibrio entre el tamaño de la tubería y la presión. A medida que aumenta la resistencia en un cable, necesita más voltaje para mantener la misma cantidad de corriente que fluye a través de él.

Si la tubería se bloquea, no habrá flujo hasta que la presión sea tan alta que elimine la obstrucción. No fluirá corriente a través de un aislador, a menos que el voltaje sea más alto que el voltaje de ruptura.

Incluso puede modelar otros componentes.

El agua fluirá hacia un tanque de presión siempre que la presión en la tubería sea mayor que la presión en el tanque. A medida que aumenta la presión en el tanque, el agua fluirá más lentamente hasta que se detenga cuando hayan alcanzado la misma presión. En ese momento, puede cerrar la válvula (interruptor) que ingresa al tanque y mantendrá esa presión indefinidamente (a menos que tenga una fuga). Cuando abra la válvula, el agua saldrá y la presión disminuirá a medida que salga más agua del tanque hasta que tenga la misma presión que la tubería a la que está conectado. Los tanques más grandes tardan más en llenarse y en vaciarse que los más pequeños. (La presión en el tanque es como la carga almacenada en un capacitor).

Si inserta una turbina en una tubería de agua corriente, inicialmente las aspas bloquearán el flujo de agua. A medida que las aspas de la turbina giran, se permitirá que pase más y más agua hasta que las aspas giren a la misma velocidad que el agua que fluye a través de ellas y la velocidad de flujo sea la que tenía cuando comenzó. Si luego baja la presión del agua, el impulso de la turbina la mantendrá girando y comenzará a bombear agua a través de ella, generando presión como una bomba. A medida que las palas disminuyen la velocidad, la presión caerá hasta que se detengan y no haya diferencia de presión en la turbina. (La turbina es un inductor y el momento de las aspas que giran es el campo magnético).

Incluso podría modelar un transistor como una válvula piloto. El flujo de una pequeña cantidad de agua en una tubería pequeña puede controlar un flujo mucho mayor en una tubería grande.

Siempre he querido construir algunos circuitos de demostración usando estas analogías. Debería poder hacer un oscilador LRC que en realidad funcionaría como su primo electrónico, excepto que podría ver lo que estaba sucediendo.

Si recién está comenzando a aprender estas cosas, aquí hay un libro que cambió mi vida...

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Es para niños de secundaria y fácil de seguir. En realidad, realmente explica lo que está pasando sin analogías. Las analogías son geniales y, a menudo, las uso en mi mente cuando pienso en estas cosas, pero hay momentos en que fallan y saber qué están haciendo los electrones y por qué hace que todo tenga sentido.