Entendiendo la ingeniería eléctrica con analogías

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

Debes 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 realmente funciona 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 analogía mejor es que una batería primaria es una bomba de agua que funciona con carbón que agotará su almacén de carbón cuando bombee agua. Una batería secundaria es un poco como una bomba accionada por un resorte de cuerda, puede funcionar en reversa para enrollar el resorte. Estas bombas solo pueden bombear agua si sus salidas están conectadas a un circuito de tuberías que finalmente regresa a sus entradas.

  

significa que el voltaje y la corriente aumentan ...

El voltaje no es algo que se mide en un punto, es algo que se mide 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. No aumenta ni disminuye.

  

... pero el número de electrones disminuiría

No es muy útil pensar que la cantidad de electrones aumenta o disminuye. ¿A dónde irían? ¿De dónde aparecerían?

Mides una corriente de agua en litros por segundo. Se mide una corriente de electricidad en coulombs 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, incluso en la bomba.

  

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

¡No es así como funciona el agua!

Si imaginamos un circuito simple donde una bomba de agua está bombeando agua alrededor de un bucle de tubería. El tubo es de tamaño uniforme, aparte de un lugar donde tenemos una sección de tubo más estrecho.

resistance

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 menor, no mayor!

speed

Es la presión más baja la que hace que el agua se acelere a una velocidad mayor a medida que entra en la sección estrecha.

volume

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

El caudal (volumen por segundo) no se modifica.

Notas al pie

† Esta es una de las áreas donde la analogía comienza a descomponerse. La palabra "actual" se usa inconsistentemente. Si le pide a alguien que mida la corriente en un río, es posible que le den 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 simple circuito de batería y resistencia conectados por cables de cobre.

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 una 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 una 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 hacia afuera 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 los efectos de las fuerzas de la presión del agua en el lado derecho y la presión del agua en la izquierda más la elasticidad de la membrana queden uniformes.

Nuestro tanque "lleno" tiene la misma cantidad de agua que 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 fluya a través del tanque y luego el flujo descenderá a cero cuando la distribución del agua se estabilice.

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

Otracosaqueimaginaresquésucedecuandoaveceslapresiónsobrelaizquierdaesmayoryotraslapresiónsobreladerecha.Enesecaso,elaguaalternativamentesemoverádeunaseccióndeltanqueaotra.Simedimoselflujodeagua,veremosqueescontinuo.Asíescomoloscondensadorespasanlacorrientealternaatravésdeellos.

Aveces,silatasadecambioeslosuficientementealta,laelasticidad(insuficientementealta)delamembranayeldiámetrodelastuberíasdisminuiráelflujodeaguaatravésdelasconexionesdeltanque.Asíescomopodemospensarenlosefectossecundarios"parásitos" de un condensador como ESL, ESR, etc.

Algunos puntos que deben mencionarse: siempre noté que utilizamos 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 del tanque del condensador se almacena dentro de la membrana. Esto es lo mismo que estirar una banda de goma. Cuando se libere, intentará volver a su forma original.

También tengo una idea de cómo pensar acerca de la corriente de CA, aunque los electrones se mueven de un lado a otro.

Imaginaesto:tenemosunabarradepanyqueremoscortarunarebanadadepandelabarra.Ahorasupongamosquetenemosuncuchillosuficientementelargo.Podríamospresionarelcuchillocontraelpanyluegomoverloenunadirecciónhastaquesecorte.Sisolotuviéramosqueobservarestetipodemovimiento,podríamospensarquelaprofundidadalaquecortamoslarebanadadependedeladistanciatotaldelaposicióninicialdelacuchilla.Ampliandoestaidea,podríamosafirmarquesimoviéramoselcuchillohaciaatrás,noseríacapazdecortarelpan.

Porsupuesto,sabemosquepodemosmoverlacuchillaenambasdireccionesyobtenerelmismoefectoquesemuestraenlasiguienteimagen:

Aquí es donde la idea de "cortar funciona solo si movemos la cuchilla en una dirección" se rompería. Si analizamos el movimiento de la cuchilla, podríamos determinar que no es la distancia actual de la cuchilla desde su punto de inicio lo que afecta el corte del pan, sino la longitud de la trayectoria que la cuchilla movió y que afecta el corte.

La misma idea también funciona con AC. A pesar de que los electrones se mueven en ambas direcciones, todavía funcionan.

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 todo el circuito (al menos en este ejemplo simple porque ha elegido una fuente de presión; tenga en cuenta que esto se revertiría si eligiera una fuente de fluido o en EE Parlanear una fuente actual). La ley de ohmios establece que V = IR (voltaje = corriente * resistencia). Si comienzas con un voltaje conocido (o fuente de agua) y pones una carga en el voltaje, entonces la ley de ohmios te dirá cuál es la corriente. El poder disipado se encuentra con P = I * R (o usa la ley de ohm y sustituye I o R y encuentra una de las pocas ecuaciones equivalentes). Se puede pensar en la presión como la tensión y el flujo como en la corriente, pero obviamente la dinámica de los fluidos se vuelve bastante complicada / complicada como lo hacen los circuitos. La analogía debería usarse para cosas básicas (por ejemplo, un mayor voltaje produce más corriente para una carga fija, al igual que una mayor presión del agua produce más flujo en un tubo fijo), pero más allá de eso, trataría de evitar depender demasiado de ella.

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 pasa de negativo a positivo, el flujo convencional ve las cargas positivas pasando 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 es 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 viendo.

Puede ayudar a visualizar la cubierta de las flechas superior o inferior con un pedazo de papel.

Puedes decir lo mismo de un reloj de arena

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

  

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

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

Para un uso adecuado de la analogía hidráulica de un circuito eléctrico, debe recordarse 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, comprenda 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 cambios de presión se propagan mucho más rápidamente al igual que, en el caso de los circuitos eléctricos, el flujo de electrones (o lo que sea el portador de carga relevante). ) pueden ser bastante lentos, pero los cambios en el voltaje y la corriente se propagan cerca de la velocidad de la luz. Ver línea de transmisión.

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

Ahora, imagine que la tubería se contrae 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). p>

Tenga en cuenta que la presión P aparecerá en 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.

Como nota aparte, he notado que la analogía hidráulica de un condensador se ha introducido en otra respuesta.

Así que, 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 fluye más allá del impulsor debe ejercer una presión para hacer que el impulsor gire pero, una vez que gira a las rpm apropiadas, 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.

Repare la física en su ejemplo simple de agua:

X volumen de agua comienza a fluir desde un colector (batería) a través del tubo con Y libras de presión a Z caudal másico cuando llega a una parte más delgada del tubo (resistencia).

Cuando llega a una parte del tubo con deflectores (los tubos delgados solo ofrecen una resistencia muy pequeña en los flujos subsónicos), la resistencia aumenta causando un cambio medible en la presión entre la entrada y la salida (y una fuerza neta en la tubería) y caudal másico del agua permanecerá igual . Esto significa que la tensión a través de una resistencia aumentará con la resistencia, pero la velocidad de flujo de electrones / corriente seguirá siendo la misma.

  

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

No, la analogía puede funcionar considerando el flujo de corriente o el flujo de electrones siempre y cuando sea consistente. El flujo masivo de líquido es análogo al flujo de carga, ya sea considerada 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 principio de Bernoulli. Si desea tener el principio de Bernoulli como parte de su analogía, la conservación de 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 para 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 los vórtices y el cizallamiento), y usted necesita un modelo donde la velocidad de los electrones sea lo suficientemente alta para que su energía cinética ser significativo Quizás algo como un cañón de electrones tenga la velocidad suficiente para mostrar una transferencia entre PE y KE sin efectos de resistencia.

El agua es una gran analogía para comprender lo básico e incluso para intuir cosas más complicadas en general.

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

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

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

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

A medida que la tubería se estrecha, necesita más presión para mantener constante la tasa de flujo. Piense en una pajita conectada a un cubo en la parte superior del Empire State Building. A pesar de que hay un gran diferencial de altura, la cantidad de agua que fluye a través de la paja 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 ningún flujo hasta que la presión sea tan alta que rompa la obstrucción. Ninguna corriente fluirá a través de un aislante, a menos que el voltaje sea más alto que el voltaje de ruptura.

Incluso puedes modelar otros componentes.

El agua fluirá hacia un tanque de presión siempre que la presión en la tubería Es 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 va al tanque y mantendrá esa presión indefinidamente (a menos que tenga una fuga). Cuando abres la válvula, el agua saldrá y la presión caerá a medida que más agua salga del tanque hasta que esté a la misma presión que la tubería a la que está conectado. Los tanques más grandes tardan más en llenarse y más en vaciarse que los más pequeños. (La presión en el tanque es como la carga almacenada en un condensador).

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

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

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

Si recién estás empezando a aprender esto, aquí hay un libro que cambió mi vida ...

enlace

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 veces que fallan y que saben lo que hacen los electrones y por qué todo tiene sentido.