Électricité – Magnétisme

Analogie hydraulique

L’analogie hydraulique, ou analogie du fluide électrique, est une analogie largement utilisée entre l’hydraulique et l’électricité, qui constitue un outil utile pour l’enseignement et pour ceux qui ont du mal à comprendre le fonctionnement des circuits. il peut également être appliqué aux problèmes de transfert de chaleur.

Comme le courant électrique est invisible et que les processus en jeu dans l’électronique sont souvent difficiles à démontrer, les différents composants électroniques sont représentés par des équivalents hydrauliques. La relation entre la tension et le courant est définie (dans les dispositifs ohmiques tels que les résistances) par la loi d’Ohm. La loi d’Ohm est analogue à l’équation de Hagen-Poiseuille, les deux étant des modèles linéaires reliant le flux et le potentiel dans leurs systèmes respectifs.

L’électricité (tout comme la chaleur) était à l’origine considérée comme une sorte de fluide, et les noms de certaines grandeurs électriques (comme le courant) sont dérivés d’équivalents hydrauliques.

• La tension est comme la différence de pression qui pousse l’eau dans le tuyau. Elle est mesurée en volts (V). Ce modèle suppose que l’eau s’écoule horizontalement, de sorte que la force de gravité peut être ignorée.
• Le courant est l’équivalent d’un débit hydraulique, c’est-à-dire la quantité volumétrique d’eau qui s’écoule dans le temps. Généralement mesuré en ampères. Plus le tuyau est large, plus l’eau s’écoule. Elle est mesurée en ampères (I ou A).
• La charge électrique est équivalente à une quantité d’eau.
• La résistance est le diamètre du tuyau ou les obstacles dans le tuyau qui ralentissent l’écoulement de l’eau. Elle est mesurée en ohms (Ω). En hydraulique, la résistance est associée au coefficient de perte de charge.

• Les batteries peuvent être considérées comme des pompes à eau qui font circuler l’eau dans un tuyau qui revient en boucle fermée jusqu’à la batterie. La pompe correspond à la source de tension ou de courant idéale dans un circuit à courant continu. La présence d’une pompe hydraulique est supposée dans chacune des descriptions suivantes.
• Les résistances sont comparables à une section du réseau de canalisations dont le rayon est réduit, ce qui limite le débit du fluide dans cette région, de la même manière qu’une résistance limite le courant.
• Les fils et leurs relations avec les pompes sont assez simples, car le fil de cuivre est directement analogue à un tuyau rempli d’eau. La résistance du fil lui-même est analogue à la résistance de l’eau qui s’écoule dans un tuyau.
• Les condensateurs sont équivalents à un réservoir avec un raccord à chaque extrémité et une membrane divisant le réservoir en deux dans le sens de la longueur (un accumulateur hydraulique). Lorsque la pompe du système commence à pousser l’eau, la membrane s’étire en réponse à la pression de l’eau. L’importance de l’étirement est comparable à la quantité de charge déposée sur un condensateur. Cette description devrait permettre de comprendre assez facilement que l’étirement de cette membrane représente la chute de tension dans un circuit électrique, et que la décharge d’un condensateur est également comparable au retour de la membrane à son étendue d’origine.
• Les inducteurs sont équivalents à une lourde roue à aubes placée dans l’écoulement du fluide. La masse de la roue et la taille des pales limitent la capacité de l’eau à modifier rapidement son débit (courant) à travers la roue en raison des effets de l’inertie, mais, avec le temps, un flux constant passera presque sans entrave à travers la roue, car celle-ci tourne à la même vitesse que le flux d’eau.
• Dans l’analogie hydraulique, les diodes se comparent assez bien à une vanne de contrôle directionnel.
• Les transistors sont comme des vannes de contrôle. Nous pouvons les utiliser pour contrôler le débit (ON/OFF), ou nous pouvons les utiliser pour contrôler le taux de débit (le courant).