Elettricità – Magnetismo

Analogia idraulica

L’analogia idraulica, o analogia elettricità-fluido, è un’analogia ampiamente utilizzata tra l’idraulica e l’elettricità, che rappresenta uno strumento utile per l’insegnamento e per coloro che hanno difficoltà a comprendere il funzionamento dei circuiti. può essere applicato anche a problemi di trasferimento di calore.

Poiché la corrente elettrica è invisibile e i processi in gioco nell’elettronica sono spesso difficili da dimostrare, i vari componenti elettronici sono rappresentati da equivalenti idraulici. La relazione tra tensione e corrente è definita (nei dispositivi ohmici come le resistenze) dalla legge di Ohm. La legge di Ohm è analoga all’equazione di Hagen-Poiseuille, in quanto entrambi sono modelli lineari che mettono in relazione flusso e potenziale nei rispettivi sistemi.

L’elettricità (così come il calore) era originariamente intesa come un tipo di fluido e i nomi di alcune grandezze elettriche (come la corrente) derivano da equivalenti idraulici.

• La tensione è come la differenza di pressione che spinge l’acqua attraverso il tubo. Si misura in volt (V). Questo modello presuppone che l’acqua scorra orizzontalmente, in modo da poter ignorare la forza di gravità.
• La corrente equivale a una portata volumetrica idraulica, cioè alla quantità volumetrica di acqua che scorre nel tempo. Di solito si misura in ampere. Più il tubo è largo, più l’acqua passa. Si misura in ampere (I o A).
• La carica elettrica equivale a una quantità d’acqua.
• La resistenza è costituita dal diametro del tubo o da ostacoli che rallentano il flusso dell’acqua. Si misura in ohm (Ω). In idraulica, la resistenza è associata al coefficiente di perdita di pressione.

• Le batterie possono essere considerate come pompe d’acqua che fanno circolare l’acqua attraverso un tubo che viaggia in un circuito chiuso fino alla batteria. La pompa corrisponde alla sorgente ideale di tensione o corrente in un circuito CC. In tutte le descrizioni seguenti si presuppone la presenza di una pompa idraulica.
• I resistori sono paragonabili a una sezione della rete di tubature in cui il raggio del tubo è ristretto, limitando la velocità di flusso del fluido in quella regione, nello stesso modo in cui un resistore limita la corrente.
• I fili e le loro relazioni con le pompe sono piuttosto semplici, poiché il filo di rame è direttamente analogo a un tubo pieno d’acqua. La resistenza del filo stesso è analoga alla resistenza dell’acqua che scorre in un tubo.
• I condensatori sono equivalenti a un serbatoio con un attacco a ciascuna estremità e una membrana che divide il serbatoio in due nel senso della lunghezza (un accumulatore idraulico). Quando la pompa del sistema inizia a spingere l’acqua, la membrana si allunga in risposta alla pressione dell’acqua. L’importanza dell’allungamento è paragonabile alla quantità di carica depositata su un condensatore. Da questa descrizione dovrebbe essere abbastanza facile capire che l’allungamento della membrana rappresenta la caduta di tensione in un circuito elettrico e che la scarica di un condensatore è paragonabile al ritorno della membrana alla sua estensione originale.
• Gli induttori sono equivalenti a una pesante ruota a pale posizionata nel flusso del fluido. La massa della ruota e le dimensioni delle pale limitano la capacità dell’acqua di cambiare rapidamente la sua velocità di flusso (corrente) attraverso la ruota a causa degli effetti dell’inerzia, ma, con il tempo, un flusso costante passerà per lo più senza ostacoli attraverso la ruota, che gira alla stessa velocità del flusso d’acqua.
• Nell’analogia idraulica, i diodi sono abbastanza simili a una valvola di controllo direzionale.
• I transistor sono come valvole di controllo. Possiamo usarli per controllare il flusso (ON/OFF) o per controllare la portata (la corrente).