Elektriciteit – Magnetisme

Hydraulische analogie

De hydraulische analogie, of de elektrische-vloeistofanalogie, is een veelgebruikte analogie tussen hydraulica en elektriciteit, die een nuttig hulpmiddel is bij het lesgeven en voor mensen die moeite hebben om te begrijpen hoe schakelingen werken. Het kan ook worden toegepast op problemen met warmteoverdracht.

Omdat elektrische stroom onzichtbaar is en de processen die in elektronica spelen vaak moeilijk te demonstreren zijn, worden de verschillende elektronische componenten voorgesteld door hydraulische equivalenten. De relatie tussen spanning en stroom wordt (in ohmse apparaten zoals weerstanden) gedefinieerd door de wet van Ohm. De wet van Ohm is analoog aan de vergelijking van Hagen-Poiseuille, aangezien beide lineaire modellen zijn die flux en potentiaal in hun respectieve systemen relateren.

Elektriciteit (net als warmte) werd oorspronkelijk gezien als een soort vloeistof en de namen van bepaalde elektrische grootheden (zoals stroom) zijn afgeleid van hydraulische equivalenten.

• Spanning is als het drukverschil dat water door de slang duwt. Het wordt gemeten in volt (V). Dit model gaat ervan uit dat het water horizontaal stroomt, zodat de zwaartekracht kan worden genegeerd.
• Stroom is gelijk aan een hydraulische volumestroom; dat is de volumetrische hoeveelheid stromend water in de tijd. Meestal gemeten in ampère. Hoe breder de pijp, hoe meer water er door stroomt. De stroom wordt gemeten in ampère (I of A).
• Elektrische lading is gelijk aan een hoeveelheid water.
• Weerstand is zoals de diameter van de pijp of obstakels in de slang die de waterstroom vertragen. De weerstand wordt gemeten in ohm (Ω). In de hydraulica wordt weerstand geassocieerd met de drukverliescoëfficiënt.

• Accu’s kunnen worden gezien als waterpompen die water laten circuleren door een slang die in een gesloten lus terug naar de accu loopt. De pomp komt overeen met de ideale spannings- of stroombron in een gelijkstroomcircuit. In elk van de volgende beschrijvingen wordt de aanwezigheid van een hydraulische pomp verondersteld.
• Weerstanden zijn vergelijkbaar met een deel van het leidingnetwerk waar de straal van de leiding is ingesnoerd, waardoor de vloeistofstroom in dat gebied wordt beperkt, op dezelfde manier waarop een weerstand de stroom beperkt.
• Draden en hun relatie tot pompen is vrij eenvoudig, omdat de koperdraad direct analoog is aan een met water gevulde pijp. De weerstand van de draad zelf is analoog aan de weerstand van het water dat door een pijp stroomt.
• Condensatoren zijn gelijk aan een tank met een aansluiting aan elk uiteinde en een membraan dat de tank in de lengte in tweeën deelt (een hydraulische accumulator). Als de pomp in het systeem water begint te pompen, zal het membraan uitrekken als reactie op de druk van het water. Het belang van het uitrekken is vergelijkbaar met de hoeveelheid lading die op een condensator wordt afgezet. Uit deze beschrijving kan vrij gemakkelijk worden afgeleid dat het uitrekken van dit membraan de spanningsval in een elektrisch circuit vertegenwoordigt en dat het ontladen van een condensator vergelijkbaar is met het terugkeren van het membraan naar zijn oorspronkelijke omvang.
• Inductors zijn vergelijkbaar met een zwaar schoepenrad dat in de vloeistofstroom wordt geplaatst. De massa van het wiel en de grootte van de schoepen beperken het vermogen van het water om snel van stroomsnelheid (stroom) door het wiel te veranderen door de effecten van traagheid, maar na verloop van tijd zal een constant stromende stroom grotendeels ongehinderd door het wiel gaan, omdat het met dezelfde snelheid draait als de waterstroom.
• Diodes in de hydraulische analogie zijn goed te vergelijken met een richtingsgevoelige regelklep.
• Transistors zijn als regelkleppen. We kunnen ze gebruiken om de stroom te regelen (AAN/UIT) of we kunnen ze gebruiken om de stroomsnelheid (de stroom) te regelen.