Analogia hidráulica
A analogia eletrônico – hidráulica é a analogia mais amplamente usada para "fluido de elétrons" em um condutor metálico. Como a corrente elétrica é invisível e os processos em jogo na eletrônica geralmente são difíceis de demonstrar, os vários componentes eletrônicos são representados por equivalentes hidráulicos. A eletricidade foi originalmente entendida como um tipo de fluido, e os nomes de certas quantidades elétricas são derivados dos equivalentes hidráulicos. Como em todas as analogias, esta exige uma compreensão intuitiva e competente dos paradigmas originais.
Não há um paradigma único para estabelecer essa analogia. Dois paradigmas podem ser usados para introduzir o conceito para estudantes, usando a pressão induzida pela gravidade ou por bombas. Na versão com pressão induzida pela gravidade, grandes tanques de água são mantidos no alto ou preenchidos com diferentes níveis de água, e a energia potencial da carga piezométrica da água é a fonte de pressão. Isso lembra os diagramas elétricos com uma seta para cima apontando para +V, pinos aterrados que, de outra forma, não são mostrados, não conectados em nada, e assim por diante. Isso tem a vantagem de associar o potencial elétrico com o potencial gravitacional. Um segundo paradigma é uma versão completamente fechada, com apenas bombas fornecendo a pressão e sem gravidade. Isso lembra um diagrama de circuito com uma fonte de tensão mostrada e os fios realmente completando o circuito. Este paradigma é discutido mais abaixo.
Tensão, corrente e carga
Em geral, o potencial elétrico é equivalente à carga piezométrica . Este modelo pressupõe que a água esteja fluindo horizontalmente, para que a força da gravidade possa ser ignorada. Nesse caso, o potencial elétrico é equivalente à pressão . A tensão elétrica (ou queda de tensão ou diferença de potencial ) é uma diferença de pressão entre dois pontos. O potencial elétrico e a tensão são geralmente medidos em volts . A corrente elétrica é equivalente à taxa de vazão de volume hidráulico; isto é, a quantidade volumétrica de água fluindo ao longo do tempo. Geralmente medido em amperes . A carga elétrica é equivalente à quantidade de água.
Elementos básicos de circuito
Um cano relativamente largo completamente cheio de água é equivalente a um fio condutor . Quando comparado com um pedaço de fio, o cano deve ser imaginado como tendo tampas semi-permanentes nas extremidades. Conectar uma ponta de um fio a um circuito equivale a destampar uma extremidade do cano e conectá-la a outro. Com poucas exceções (como uma fonte de energia de alta tensão), um fio com apenas uma extremidade conectada a um circuito não fará nada; o cano permanece tampado na extremidade livre e, portanto, não adiciona nada ao circuito. Um resistor é equivalente a uma constrição na seção do cano, que requer mais pressão para passar a mesma quantidade de água. Todos os canos têm alguma resistência ao fluxo de água, assim como todos os fios têm alguma resistência à corrente.
Outros elementos de circuito
Um diodo é equivalente a uma válvula de retenção unidirecional com um selo que vaza ligeiramente. Como em um diodo, é necessária uma pequena diferença de pressão antes que a válvula se abra. E, como um diodo, uma polarização reversa muito grande pode danificar ou destruir o conjunto da válvula. Um transistor é uma válvula na qual um diafragma, controlado por um sinal de corrente baixa (seja corrente constante para um BJT ou pressão constante para um FET ), move um êmbolo que afeta a corrente através de outra seção do cano. O CMOS é uma combinação de dois transistores MOSFET . À medida que a pressão de entrada muda, os pistões permitem que a saída se conecte à pressão zero ou positiva.
A velocidade das ondas eletromagnéticas ( velocidade de propagação ) é equivalente à velocidade do som na água. Quando um interruptor de iluminação é acionado, a onda elétrica viaja muito rapidamente através dos fios. A velocidade do fluxo de carga ( velocidade de deriva ) é equivalente à velocidade das partículas de água. As cargas em movimento se movem bem devagar. CC é equivalente à vazão constante de água em um circuito de canos. CA de baixa frequência é equivalente à água oscilando para frente e para trás em um cano. CA de alta frequência e linhas de transmissão equivalem um pouco ao som transmitido pelos canos de água, embora isso não reflita adequadamente a reversão cíclica da corrente elétrica alternada. Conforme descrito, a vazão de um fluido gera flutuações de pressão, mas os fluidos não se revertem em altas taxas em sistemas hidráulicos, o que a comparação de "baixa frequência" acima descreve com precisão. Um conceito melhor (se as ondas sonoras fossem o fenômeno) é o de corrente contínua com "ondulação" de alta frequência sobreposta.
Alguns exemplos de equações elétricas e hidráulicas análogas: Se as equações diferenciais tiverem a mesma forma, a resposta será semelhante.
Se levada longe demais, a analogia hidráulica pode criar conceitos errôneos. Para que seja útil, é preciso permanecer ciente das regiões onde a eletricidade e a água se comportam de maneira muito diferente. Campos ( equações de Maxwell, indutância ): Os elétrons podem empurrar ou puxar outros elétrons distantes através de seus campos, enquanto que as moléculas de água experimentam forças apenas do contato direto com outras moléculas. Por esse motivo, as ondas na água viajam na velocidade do som, mas ondas no mar de carga viajam muito mais rapidamente, pois as forças de um elétron são aplicadas a muitos elétrons distantes e não apenas aos seus vizinhos em contato direto. Em uma linha de transmissão hidráulica, a energia flui como ondas mecânicas através da água, mas em uma linha de transmissão elétrica a energia flui como campos no espaço ao redor dos fios e não flui dentro do metal. Além disso, um elétron em aceleração arrastará com ele seus vizinhos enquanto os atrai, ambos por causa de forças magnéticas.
