Hydraulische Analogie – Elektrisch-Flüssigkeits-Analogie
In jedem Schaltkreis, sei es ein Flüssigkeits- oder ein elektrischer Schaltkreis, der mehrere Verzweigungen und parallele Elemente aufweist, muss die Durchflussrate an jedem Querschnitt gleich sein. Dies wird manchmal als das Prinzip der Kontinuität bezeichnet. In der Hydraulik stabilisiert sich die Durchflussrate an dem Punkt, an dem die Reibungsverluste der Schleife die Pumpencharakteristiken schneiden. Ähnlich verhält es sich in einem elektrischen Schaltkreis, in dem sich der Strom dort stabilisiert, wo R x I der Quellenspannung entspricht.
Hydraulische Analogie
Die hydraulische Analogie, oder die Elektrisch-Flüssigkeits-Analogie, ist eine weit verbreitete Analogie zwischen Hydraulik und Elektrizität, die ein nützliches Werkzeug für die Lehre und für diejenigen ist, die Schwierigkeiten haben, zu verstehen, wie Schaltkreise funktionieren. Sie kann auch auf Wärmetransportprobleme angewendet werden. Da elektrischer Strom unsichtbar ist und die Prozesse in der Elektronik oft schwer zu demonstrieren sind, werden die verschiedenen elektronischen Komponenten durch hydraulische Äquivalente dargestellt.
Ohmsches Gesetz und Hagen-Poiseuille-Gleichung
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 beide lineare Modelle sind, die Fluss und Potenzial in ihren jeweiligen Systemen in Beziehung setzen. Elektrizität (sowie Wärme) wurde ursprünglich als eine Art Flüssigkeit verstanden, und die Namen bestimmter elektrischer Größen (wie Strom) stammen von hydraulischen Äquivalenten ab.
Spannung, Strom und Widerstand
Spannung ist wie der Druckunterschied, der Wasser durch den Schlauch drückt. Sie wird in Volt (V) gemessen. Dieses Modell geht davon aus, dass das Wasser horizontal fließt, sodass die Schwerkraft ignoriert werden kann. Der Strom ist äquivalent zu einer hydraulischen Volumenflussrate; das heißt, der volumetrische Durchfluss von Wasser über die Zeit. Normalerweise gemessen in Ampere. Je weiter das Rohr ist, desto mehr Wasser wird hindurchfließen. Es wird in Ampere (I oder A) gemessen.
Elektrische Ladung entspricht einer Wassermenge. Widerstand ist wie 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.
Komponentenvergleich
Batterien können als Wasserpumpen betrachtet werden, die Wasser durch einen Schlauch zirkulieren lassen, der in einer geschlossenen Schleife zurück zur Batterie führt. Die Pumpe entspricht der idealen Spannungs- oder Stromquelle in einem Gleichstromkreis. Widerstände sind vergleichbar mit einem Abschnitt des Rohrnetzwerks, in dem der Radius des Rohrs eingeschränkt ist, was die Fließrate der Flüssigkeit in diesem Bereich einschränkt, so wie ein Widerstand den Strom begrenzt.
Kondensatoren entsprechen einem Tank mit einer Verbindung an jedem Ende und einer Membran, die den Tank längs in zwei Hälften teilt (ein hydraulischer Akkumulator). Induktoren sind vergleichbar mit einem schweren Schaufelrad, das in den Flüssigkeitsfluss eingebaut ist. Dioden in der hydraulischen Analogie entsprechen ziemlich gut einem Richtungssteuerventil. Transistoren sind wie Steuerventile. Wir können sie verwenden, um den Fluss (EIN/AUS) zu steuern, oder wir können sie verwenden, um die Flussrate (den Strom) zu steuern.
Analogie zum Ohmschen Gesetz
Eine hydraulische Analogie wird manchmal verwendet, um das Ohmsche Gesetz zu beschreiben. Ohmsches Gesetz für elektrischen Stromfluss und Poiseuilles Gesetz für den gleichmäßigen Fluss von Flüssigkeiten sind von derselben Form. Nach diesem Gesetz sind Spannung, Strom und Widerstand alle miteinander verbunden. Ändert man eines von ihnen in einem Schaltkreis, ändern sich auch die anderen. Speziell gilt: Spannung ist gleich Strom multipliziert mit Widerstand: Ohmsches Gesetz: V = I · R. Wenn man Sand in den Schlauch gibt und den Druck gleich hält, ist das so, als würde man den Durchmesser des Schlauchs verringern. Dann wird weniger Wasser fließen. Wir sagen, dass die Durchflussrate von Wasser durch einen Blendenrestriktor proportional zum Unterschied im Wasserdruck über den Restriktor ist. Ähnlich verhält es sich mit der Flussrate des elektrischen Ladungsstroms durch einen elektrischen Widerstand, die proportional zum Unterschied in der gemessenen Spannung über dem Widerstand ist.
