¿Es posible hacer una analogía completa entre la electricidad y algo más asequible? (por ejemplo, los fluidos)

Question

Se ha planteado una pregunta similar aquí pero el mío es más general.

He aquí los antecedentes: me parece que la electricidad no es tan intuitiva como puede parecer. Por ejemplo, mucha gente (no especializada, como yo) piensa que un enchufe eléctrico es como un grifo (de agua): da lo que puede, y se detiene en un caudal máximo. Pero no es posible impedir que el agua fluya, poniendo un cubo demasiado grande debajo de un grifo, mientras que si se enchufa una lavadora ¡se puede romper la corriente!

Mejorar la comprensión con la analogía parece ser una forma eficaz de aprender (sin hablar de cosas escolares) sobre la electricidad y "sentirla" (aunque no demasiado intensamente).

El agua parece ser un buen candidato para estas analogías: corriente/flujo de agua, electrón/molécula, tensión/diferencia de altura, resistencia/disminución de la sección del tubo, condensador/volumen con membrana. También he oído hablar de una analogía entre electricidad/agua para el transistor.

Mi pregunta es: ¿es posible definir un global analogía, que sería: (i) permitiría comprender mejor cualquier circuito eléctrico [idealmente, sería posible una transcripción completa], (ii) sería exhaustiva (es decir, funcionaría para cualquier componente electrónico/eléctrico). Otros ejemplos son permitir entender qué pasaría si la frecuencia de la electricidad cambiara, o si una central eléctrica produjera energía en exceso, etc.

Insisto: No soy ingeniero eléctrico. Sólo tengo curiosidad :)

Answer 1

El uso de analogías con la dinámica de fluidos (aire/agua) es útil para algunos propósitos para el completo novato, pero también puede llevar a la confusión. Si alguien realmente quiere comprender electricidad, tienen que prescindir de las analogías con los fluidos y limitarse a aprender cómo funcionan los campos y las cargas eléctricas. Realmente no hay una global la analogía.

Me parece útil consultar la obra de William J. Beaty artículos sobre conceptos erróneos de electricidad .

También al sitio web Todo sobre los circuitos .

Y por último, el libro de referencia más profundo, El arte de la electrónica por Paul Horowitz y Winfield Hill.

Answer 2

La respuesta de JYelton es muy buena en mi opinión, pero voy a añadir una respuesta alternativa.

La electricidad es única y no existe una analogía completa entre la electricidad y otra cosa. No se trata sólo de mover electrones.

La electricidad es compleja y "contiene" muchos fenómenos diferentes

• campos magnéticos
• campos eléctricos
• reacciones iónicas
• reacciones químicas

No existe una analogía completa con la electricidad en el mundo "macro".

Para entender mejor cómo funciona la electricidad hay que aprender algo de química, física e intentar construir alguna imagen de los campos eléctricos y magnéticos en la mente.

Puedes leer algunos libros muy antiguos (1900-1950) sobre física, química y electricidad. Estos libros antiguos son sorprendentemente buenos para los principiantes y la mayoría de ellos no requieren conocimientos de ingeniería moderna.

Answer 3

Apliques de física de Falstad: Circuitos con electricidad visible

Si utilizamos la analogía del agua, encontramos muchas cosas interesantes que son difíciles de entender... ¡sobre el agua! Por ejemplo, el agua fluye lentamente por una manguera, pero la energía hidráulica fluye increíblemente rápido. Además, la energía hidráulica es contraintuitiva: puede fluir fácilmente hacia atrás en relación con el flujo de agua. O bien, el agua puede moverse de un lado a otro en una tubería, mientras que la energía corre en una sola dirección. La compañía de agua no nos vende agua, sino que ofrece un costoso servicio de bombeo, y todas las mangueras estaban llenas de agua antes de empezar. (Al fin y al cabo, el agua no es una forma de energía... y la electricidad tampoco, por supuesto: las corrientes eléctricas no son flujos de energía, los amperios no son vatios).

Además, en un bucle cerrado lleno de agua (un circuito hidráulico), los transitorios de arranque son bastante difíciles de captar. También lo son las reflexiones de energía de las juntas y las conexiones en T, los fenómenos de resonancia para el "agua AC" y la pérdida de energía de las mangueras como sonido radiado (que es análogo a las antenas y la energía que se pierde como ondas de radio).

Además, el agua es invisible. Bueno, en realidad es como la electricidad: si tienes una corriente de agua en una tubería transparente, no ves nada, sólo parece una barra estática de vidrio sólido. Podría estar moviéndose lentamente, o fluyendo rápidamente, o moviéndose de un lado a otro, pero sin suciedad o burbujas no tenemos ninguna pista. En esto es como la electricidad: las corrientes eléctricas son invisibles, mientras que la electricidad en sí se ve fácilmente, los electrones móviles dentro de los metales son de color plateado. Los metales son reflectantes como espejos porque cualquier "fluido" denso de electrones es reflectante como un espejo.

Así que deberíamos empezar a usar tubos de vidrio llenos de mercurio líquido como una analogía mejorada de los fluidos para los circuitos eléctricos: los generadores son bombas de mercurio líquido, las resistencias son tubos llenos de mercurio y arena comprimida, tubos de fricción que se calientan siempre que hay una corriente de Hg. La cosa plateada de Hg siempre va lentamente en un círculo, mientras que la energía hidráulica corre de un lugar a otro en las tuberías a una velocidad extrema, sin embargo, cuando miramos los tubos transparentes llenos de Hg, no vemos que ocurra nada, sólo unas finas varillas plateadas con una capa de plástico transparente.

Answer 4

Una analogía que me gustaba utilizar para entender la corriente es un tren. Piensa en los electrones como carros conectados en un tren. Si empujo un carro (aunque sea un poco) este primer carro se moverá ya que están conectados.

Entonces, las vías paralelas o los carros más grandes pueden describir otras propiedades.

Answer 5

La analogía de los fluidos es defectuosa en algunos aspectos, por ejemplo, debido a que se permiten circuitos abiertos y al hecho de que las moléculas del fluido se mueven activamente a través del tubo, mientras que los electrones del conductor se limitan a empujar a sus vecinos, que a su vez empujan a sus vecinos y así sucesivamente, lo que se propaga mucho más rápido que la velocidad real de movimiento de los electrones (que es lento ).

Así que, en mi opinión, una analogía mejor, aunque no trivial, sería una pista (cerrada) de ruedas magnéticas:

<===============================> connected to start
   S     S     S    S   .......
   |     |     |    |
   N     N     N    N   .......
<===============================>

Si empujas el del lado izquierdo, repelerá al siguiente y se ralentizará (y quizá retroceda ligeramente, pero no del todo a su origen), mientras que el siguiente se acelera hasta repeler al segundo al siguiente y así sucesivamente.

• El hecho de que las ruedas se muevan ligeramente hacia la dirección de la "conductancia" explica por qué el "circuito" debe estar cerrado, de lo contrario te quedarás sin ruedas
• Los imanes de la propia vía pueden simular la resistencia
• una placa de unión, cuyo interruptor está equipado con un imán también, puede actuar como un transistor

(Aunque todavía no se me ha ocurrido una analogía para un condensador)