Elektrizität – Magnetismus

Hydraulische Analogie

Die hydraulische Analogie oder die Analogie zwischen Strom und Flüssigkeit ist eine weit verbreitete Analogie zwischen Hydraulik und Elektrizität, die ein nützliches Hilfsmittel für den Unterricht und für diejenigen ist, die Schwierigkeiten haben zu verstehen, wie Stromkreise funktionieren. es kann auch auf Wärmeübertragungsprobleme angewendet werden.

Da elektrischer Strom unsichtbar ist und die Vorgänge in der Elektronik oft schwer zu veranschaulichen sind, werden die verschiedenen elektronischen Bauteile durch hydraulische Äquivalente dargestellt. Die Beziehung zwischen Spannung und Strom wird (bei ohmschen Geräten wie Widerständen) durch das Ohmsche Gesetz definiert. Das Ohmsche Gesetz ist analog zur Hagen-Poiseuille-Gleichung, da es sich bei beiden um lineare Modelle handelt, die Fluss und Potenzial in ihren jeweiligen Systemen in Beziehung setzen.

Ursprünglich wurde Elektrizität (wie auch Wärme) als eine Art Flüssigkeit verstanden, und die Namen bestimmter elektrischer Größen (wie Strom) sind von hydraulischen Äquivalenten abgeleitet.

• Die Spannung ist wie der Druckunterschied, der das Wasser durch den Schlauch drückt. Sie wird in Volt (V) gemessen. Bei diesem Modell wird davon ausgegangen, dass das Wasser waagerecht fließt, so dass die Schwerkraft vernachlässigt werden kann.
• Die Strömung ist gleichbedeutend mit einem hydraulischen Volumenstrom, d. h. der volumetrischen Menge des fließenden Wassers über die Zeit. Wird normalerweise in Ampere gemessen. Je breiter das Rohr ist, desto mehr Wasser kann hindurchfließen. Sie wird in Ampere (I oder A) gemessen.
• Die elektrische Ladung entspricht einer Wassermenge.
• Widerstände sind z. B. Rohrdurchmesser oder Hindernisse im Schlauch, die den Wasserfluss verlangsamen. Er wird in Ohm (Ω) gemessen. In der Hydraulik wird der Widerstand mit dem Druckverlustkoeffizienten in Verbindung gebracht.

• Batterien kann man sich wie Wasserpumpen vorstellen, die Wasser durch einen Schlauch zirkulieren lassen, der in einem geschlossenen Kreislauf zurück zur Batterie führt. Die Pumpe entspricht der idealen Spannungs- oder Stromquelle in einem Gleichstromkreis. In jeder der folgenden Beschreibungen wird vom Vorhandensein einer Hydraulikpumpe ausgegangen.
• Widerstände sind vergleichbar mit einem Abschnitt des Rohrnetzes, in dem der Radius des Rohres verengt ist, wodurch der Flüssigkeitsstrom in diesem Bereich begrenzt wird, so wie ein Widerstand den Strom begrenzt.
• Drähte und ihre Beziehung zu Pumpen sind ziemlich einfach, da der Kupferdraht direkt mit einem wassergefüllten Rohr vergleichbar ist. Der Widerstand des Drahtes selbst ist vergleichbar mit dem Widerstand des Wassers, das durch ein Rohr fließt.
• Kondensatoren entsprechen einem Behälter mit einem Anschluss an jedem Ende und einer Membran, die den Behälter in Längsrichtung in zwei Teile teilt (Hydraulikspeicher). Wenn die Pumpe im System beginnt, Wasser zu fördern, dehnt sich die Membran als Reaktion auf den Druck des Wassers. Die Bedeutung der Dehnung ist vergleichbar mit der Ladungsmenge, die sich in einem Kondensator niederschlägt. Aus dieser Beschreibung sollte leicht ersichtlich sein, dass die Ausdehnung dieser Membran dem Spannungsabfall in einem elektrischen Stromkreis entspricht, und die Entladung eines Kondensators ist ebenfalls mit der Rückkehr der Membran zu ihrer ursprünglichen Ausdehnung vergleichbar.
• Induktoren entsprechen einem schweren Schaufelrad, das in der Strömung platziert wird. Die Masse des Rades und die Größe der Schaufeln schränken die Fähigkeit des Wassers ein, seine Fließgeschwindigkeit (Strömung) durch das Rad aufgrund von Trägheitseffekten schnell zu ändern, aber mit der Zeit wird ein konstant fließender Strom größtenteils ungehindert durch das Rad fließen, da es sich mit der gleichen Geschwindigkeit wie der Wasserstrom dreht.
• Dioden in der hydraulischen Analogie lassen sich recht gut mit einem Wegeventil vergleichen.
• Transistoren sind wie Steuerventile. Wir können sie zur Steuerung des Durchflusses (EIN/AUS) oder zur Steuerung der Durchflussmenge (des Stroms) verwenden.