Problema al aplicar la analogía de la presión del agua a los circuitos eléctricos

Primero, las analogías pueden ser buenas para obtener los conceptos básicos, pero solo pueden llegar muy lejos. Un error común con la analogía del agua es que, a diferencia del aire alrededor de una manguera, el aire alrededor de un cable no es contaminante. También puede hacer que el requisito de corriente de bucle cerrado sea difícil de comprender más adelante. Alguien que sostiene el extremo de una manguera y el agua que se derrama en el suelo es una imagen mental que usted quiere que NO tenga de circuitos eléctricos.

Esto no significa que la analogía del agua no pueda ser útil. Puede, pero no lo hagas demasiado. Úselo para introducir los conceptos de voltaje (presión) y corriente (caudal), pero no vaya demasiado lejos. Los detalles no coinciden bien con los circuitos eléctricos, así que salga de la analogía del agua una vez que se hayan introducido los conceptos básicos.

Al cubrir parcialmente la abertura de una manguera de agua, lo que crea resistencia, la presión del agua de salida aumenta

NO! Parece que has caído en la analogía del agua demasiado profundamente. Las analogías son ayudas para el aprendizaje, no sustitutos para saber algo en realidad.

No hay un equivalente eléctrico simple de una manguera abierta. Si la manguera continuara, la presión después de la constricción sería menor que en frente de ella. En realidad, con la manguera abierta es aún más baja. No puedes observar la presión, solo fluye. Usted ve un chorro de agua y asume erróneamente que tiene alta presión. Puede tener una alta velocidad , pero eso no es presión.

Esta es otra fuente de confusión de la analogía del agua. La velocidad del agua (metros / segundo, por ejemplo) realmente no se asigna a nada útil en electricidad. Se adhieren a la velocidad de flujo (galones / minuto), que se asigna al flujo de corriente eléctrica (amperios).

Uno de los grandes problemas con la analogía del agua es que intuitivamente sabemos que el agua tiene un impulso, incluso cuando no somos conscientes de que estamos viendo el agua de esa manera. El chorro de agua producido por la boquilla se basa en el impulso. No hay nada análogo en la electricidad (sí, sé de cañones de electrones, pero cuando los entiendes, habrás pasado la muleta inicial de la analogía del agua).

Estás construyendo la analogía de manera incorrecta. Toma un tanque de agua y coloca una manguera en la parte inferior. La presión entre el extremo de la manguera y la superficie del agua (para caudales bajos) es solo la diferencia de altura entre la superficie del agua y la ubicación del extremo de la manguera (llamada cabeza) por la densidad del agua . Cuando la tasa de flujo aumenta, se obtiene un efecto que lo engaña: la presión se desarrolla en los puntos donde el flujo se restringe. Entonces, en su primer caso, sin constricción en el extremo de la manguera, es la longitud y el diámetro de la manguera que controla el caudal. Cuando coloca el dedo en el extremo de la manguera, suceden dos cosas: primero, se reduce el caudal, no se mantiene constante. Segundo. siente que la presión aumenta en su dedo, pero esta no es la presión total sobre el agua. Dado que el caudal ha disminuido, hay una menor caída de presión en la manguera.

Intenta hacer tu analogía de una manera diferente. Toma un tanque de paredes delgadas y haz un agujero en la parte inferior. El agua se agotará a un determinado caudal. Ahora aumente el tamaño del orificio, y la velocidad de flujo aumentará, pero no habrá cambio en la presión en el orificio; es solo la profundidad del tanque multiplicada por la densidad del agua. Debería parecer bastante claro que si doblas el área del agujero obtendrás el doble de la velocidad de flujo (nuevamente, para agujeros pequeños).

Este es un buen ejemplo de uno de los escollos del razonamiento de la analogía con la experiencia cotidiana: parte de esa experiencia no es tan simple como parece a primera vista.

  

Al cubrir parcialmente la abertura de una manguera de agua, lo que crea resistencia, la presión del agua de salida aumenta pero la cantidad de agua que fluye es la misma.

La analogía es imperfecta, y ya la has complicado considerablemente. Lo que tienes en mente es esto:

El tanque de agua tiene una presión constante (voltaje) y en teoría puede suministrar una corriente infinita en una pequeña resistencia. Pero ya asumió que la manguera tiene una gran resistencia, lo que limitará la corriente.

Además, ha asumido que la cantidad de resistencia que puede aplicar con su dedo es pequeña, tan pequeña que no puede reducir el flujo de agua. Efectivamente, la combinación de tanque y manguera de gran resistencia actúa como una fuente de corriente constante. Reemplace su dedo con una válvula adecuada y usted podrá reducir (y finalmente cortar) el flujo de agua. Esto sería análogo a un divisor potencial.

Para su intención original, que era una resistencia limitadora de corriente, considere solo un tanque grande de presión constante, con un pequeño toque conectado directamente a él. El flujo dependerá solo de la resistencia del grifo.

Desafortunadamente, la analogía del agua solo llega hasta cierto punto, pero aún así puede ir lo suficientemente lejos para tus propósitos.

La presión del agua de, por ejemplo, un tanque elevado de agua, es Voltaje. El grosor de los tubos es la resistencia. La cantidad de agua que fluye por unidad de tiempo es actual.

Entonces, cuanto más alto está el tanque de agua (mayor energía potencial debido a la gravedad), más agua fluye a través de la tubería por unidad de tiempo, todas las demás cosas son iguales. Y cuanto más ancha es la tubería, más agua fluye por unidad de tiempo, todas las demás cosas son iguales.

Si coloca el dedo sobre una parte del extremo de la tubería, literalmente está disminuyendo el diámetro, por lo que fluirá menos agua por unidad de tiempo. Si agrega una conexión en Y, la mitad del agua pasará por cada una, la mitad de la corriente. No se deje confundir por el efecto de la cantidad de agua que saldrá del extremo de una manguera si aprieta el extremo, ya que podría escupir más, pero aún así, de hecho, habrá menos agua saliendo por unidad de tiempo. porque has aumentado la resistencia al flujo de agua.

En la situación paralela su interpretación es incorrecta. El voltaje permanece igual en el circuito eléctrico porque en realidad se define como un voltaje constante. Por eso se llama fuente de voltaje. Usted está tratando el sistema hidráulico más como una fuente de corriente. El verdadero equivalente sería si tuviera una fuente de presión constante para el sistema hidráulico. Algo que puedes hacer con un tanque de agua muy grande para crear presión en el fondo del tanque. El agua que sale de la manguera en la parte inferior del tanque provocará una caída muy pequeña en el nivel del agua y casi la misma presión, incluso si utiliza un conector en Y.