La analogía del agua parece implicar que potencia = corriente. ¿Por qué es esto incorrecto?

Question

Mucha gente piensa en la analogía del agua para intentar explicar cómo se suministra la energía electromagnética a un dispositivo en un circuito. Utilizando esa analogía, en un circuito de corriente continua, uno podría imaginar que el dispositivo que consume energía es como una rueda de agua que es empujada por la corriente.

En el caso de una rueda hidráulica real, cuanta más agua fluya por unidad de tiempo, más energía se entregará a la rueda por unidad de tiempo: potencia = corriente pero en los circuitos eléctricos potencia = tensión x corriente .

¿Por qué?

Answer 1

La potencia de una rueda hidráulica depende tanto de la corriente (cantidad de agua suministrada) como de la altura (caída vertical del agua al girar la rueda). Por lo tanto, la la analogía del agua tiene DOS variables que se multiplican para obtener la potencia: la corriente, que mide (por ejemplo) el caudal de agua en el Niágara, y la caída vertical (como la altura de las cataratas del Niágara).

La corriente NO es lo mismo que la energía, en un río, porque los tramos largos de agua en movimiento en un canal no disipan la energía tanto como una cascada. Situar una central hidroeléctrica en las cataratas del Niágara tiene sentido. En la analogía con la electricidad, un cable puede suministrar corriente con poca tensión de tensión (y tiene una mínima disipación de energía), pero una resistencia que tiene esa misma corriente se calentará (tiene una importante caída de tensión de terminal a terminal).

Answer 2

Esta es una forma sencilla de mantener estas cosas claras.

La potencia es siempre el producto de una variable de esfuerzo y una variable de flujo. En los sistemas hidráulicos, la variable de esfuerzo es la presión y la variable de flujo es el caudal.

Para el flujo en canales abiertos, la variable de esfuerzo suele ser muy pequeña (pero no nula) y la variable de flujo es muy grande. El intercambio de energía BTW que se produce con un esfuerzo bajo y un flujo grande representa el régimen de baja impedancia.

Answer 3

En tu ejemplo del agua, la potencia no puede ser igual a la corriente porque tienen unidades diferentes (la potencia es una energía por unidad de tiempo, mientras que la corriente sería algo así como el número de partículas que pasan por una superficie por unidad de tiempo).

...cuanta más agua fluye por unidad de tiempo, más energía se entrega a la rueda por unidad de tiempo

Lo que ha notado aquí a través de su analogía es que el poder es proporcional a la corriente (como ejemplo, cuanta más fuerza se aplica a un objeto, mayor es su aceleración, pero esto no significa que fuerza y aceleración sean iguales). En un elemento del circuito esta proporcionalidad es el voltaje, ya que te indica cuánta energía está asociada a una "unidad de corriente". Necesitarías una forma similar para convertir la corriente de agua en la energía generada por esa corriente (aunque esto podría ser un modelo simplista de cómo se genera la energía utilizando una rueda de agua).

También hay que tener en cuenta que es una analogía, y todas las analogías tienen imperfecciones. Con la analogía del agua, la energía es generada por el agua que empuja una rueda. En los circuitos, $P=IV$ es mucho más general y se aplica a cualquier carga que sufra una diferencia de potencial.

Answer 4

Uno de los retos que plantea el uso de analogías como la del agua es asegurarse de que se utilizan los objetos correctos para establecer la analogía. En muchas respuestas se afirma que la potencia hidráulica depende del volumen y presión. Esto es cierto si su rueda de agua se parece a esto:

Este es un dibujo del aspecto de una turbina hidroeléctrica moderna. Están diseñadas para poder extraer energía de forma eficiente de grandes volúmenes de agua con grandes caídas de presión, como la caída de presión desde el fondo de un lago hasta la presión atmosférica. En estos casos, la analogía del agua funciona bastante bien, como era de esperar.

Sin embargo, cuando pienso en una "rueda de agua", tengo una imagen diferente. Me imagino algo mucho más antiguo:

Estos funcionan de forma diferente, y llevan a la conclusión que has sacado, que es que las ruedas hidráulicas generan energía sólo con la corriente. La razón por la que acabas sacando esta conclusión es porque este tipo de rueda hidráulica residuos ninguna potencia a partir de la presión o la velocidad. El único potencial del que es eficaz para generar energía es el de la energía gravitacional del agua desde una altura elevada hasta una altura baja. Si se rociara agua a alta presión en una de estas ruedas hidráulicas, la mayor parte de la energía se desperdiciaría al salpicar el agua de las aspas. Una parte de la energía se transferiría a la rueda, pero sería un tremendo despilfarro.

La rueda hidráulica es más eficaz en los casos en los que la mayor parte de la energía del agua se almacena en forma de energía potencial gravitatoria, es decir, energía procedente de la altura. Y es mejor para convertir el agua que está exactamente a la altura de la rueda. Si se deja caer agua desde lo alto de la rueda, ésta girará, pero la mayor parte de la energía se desperdiciará en salpicaduras y chapoteos.

Así, en nuestra analogía eléctrica, trataríamos esta rueda hidráulica como un dispositivo de "tensión constante". La configuración alrededor de la rueda tiene el efecto de garantizar que la mayor parte del potencial del agua se encuentra a su altura fija al entrar en la rueda. Toda la energía que sobrepasa esta altura se desperdicia en forma de calor. Y, de hecho, si nos fijamos en las matemáticas, cuando el voltaje es constante, la potencia es efectivamente proporcional a la corriente. Es el caso especial en el que esto es cierto.

Efectivamente, tenemos dispositivos que funcionan así, pero hay que entrar en el mundo de los semiconductores para hacerlo. Los diodos son pequeñas uniones semiconductoras que sirven para que la corriente fluya sólo en un sentido. Si se intenta que fluya en sentido contrario, son como una válvula de retención que detiene el flujo de agua.

Bueno, casi como una válvula de retención. Funcionan como una válvula de retención hasta un punto, llamado "tensión de ruptura". Si pones un voltaje mayor que éste a través del diodo en la dirección equivocada, empieza a dejar pasar la corriente. Disipará en forma de calor toda la energía que se derive del paso de la corriente a través de esta caída de tensión.

Así que lo que más se parece a la rueda de agua antigua es un motor con un diodo de polarización inversa. Cualquier potencial del agua que supere la energía potencial gravitatoria que la rueda puede manejar se pierde en forma de salpicaduras y chapoteos. Cualquier potencial de tensiones más altas aplicadas al diodo y al circuito del motor se pierde en forma de calor cuando la corriente fluye a través del diodo. El potencial gravitacional restante del agua multiplicado por el volumen de agua enviado a través de la rueda indica la cantidad de energía mecánica generada por la rueda de agua. El voltaje a través de ese motor (después de que el diodo lo limite) multiplicado por la corriente que pasa por el motor es cuánta potencia mecánica genera el motor. La analogía se mantiene, sólo que se necesita un circuito más complejo para modelar el dispositivo de 6000 años de antigüedad.

Por cierto, en realidad diseñamos circuitos así. En los circuitos modernos, a menudo tenemos "diodos zener" que tienen una tensión de ruptura cuidadosamente ajustada para ser una "referencia de tensión", y tenemos reguladores de tensión que están diseñados para resistir el flujo de electricidad lo suficiente como para asegurar una tensión específica a través del circuito restante.

Answer 5

El agua y el flujo de corriente, así como otras analogías "mecánicas" (resistencia de las tuberías frente a la resistencia eléctrica, tensión frente a la presión, etc.) son útiles para introducir los conceptos de los circuitos eléctricos a un nivel elemental. Esto se debe a que los conceptos mecánicos son más fáciles de visualizar, mientras que los conceptos eléctricos son más abstractos. Las analogías sólo pueden llegar hasta cierto punto sin una comprensión más profunda.

La corriente no es igual a la potencia eléctrica y el flujo de agua tampoco es igual a la potencia mecánica.

La corriente eléctrica ( $\frac {Coul}{s}$ ) por la tensión (en fase) ( $\frac {J}{Coul}$ ) es igual a la potencia ( $\frac {J}{s}$ = vatios).

Flujo de corriente ( $\frac {m^3}{s}$ ) por la presión ( $\frac {N}{m^2}$ ) es igual a la potencia ( $\frac {J}{s}$ = vatios). La presión del agua para la rueda hidráulica puede provenir del agua que cae desde una altura superior a la rueda (energía potencial) o incluso de una manguera dirigida horizontalmente, según la orientación de la rueda hidráulica.

Para completar la analogía entre la corriente y el flujo de agua con respecto a la potencia eléctrica y mecánica, se necesita además la analogía entre la tensión (potencial eléctrico) y la presión (potencial mecánico).

Espero que esto ayude.