miniaturadaimagem|300x300px| Analogia entre um circuito hidráulico (à esquerda) e um circuito eletrônico (à direita). A analogia eletrônico – hidráulica (ironicamente referida como teoria dos tubos de drenagem por Oliver Lodge ) Paul J. Nahin, Oliver Heaviside: The Life, Work, and Times of an Electrical Genius of the Victorian Age, JHU Press, 2002 page 59 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 (assim como o calor ) foi originalmente entendida como um tipo de fluido, e os nomes de certas quantidades elétricas (como corrente) são derivados dos equivalentes hidráulicos. Como em todas as analogias, esta exige uma compreensão intuitiva e competente dos paradigmas originais (eletrônica e hidráulica).

Paradigmas 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.

Outros paradigmas destacam as similaridades entre as equações que governam a vazão de um fluido e o fluxo de carga. As variáveis de vazão e pressão podem ser calculadas em situações de vazão de fluido estacionária e transitória com o uso da analogia do ohm hidráulico.A. Akers, M. Gassman, & R. Smith, Hydraulic Power System Analysis. Taylor & Francis, New York, 2006, Chapter 13, .A. Esposito, "A Simplified Method for Analyzing Circuits by Analogy". Machine Design, October 1969, pp. 173-177. Os ohms hidráulicos são unidades de impedância hidráulica, que são definidos como a razão entre a pressão e a taxa de vazão de volume. As variáveis de pressão e taxa de vazão de volume são tratadas como fasores nesta definição, portanto, possuem magnitude e ângulo de fase.Brian J. Kirby, Micro- and Nanoscale Fluid Mechanics, p. 69, Cambridge University Press, 2010 .

Um paradigma ligeiramente diferente é usado em acústica, onde a impedância acústica é definida como uma relação entre a pressão acústica e a velocidade de partícula acústica. Nesse paradigma, uma grande cavidade com um orifício é análoga a um capacitor que armazena energia compressiva quando a pressão dependente do tempo se desvia da pressão atmosférica. Um orifício (ou tubo longo) é análogo a um indutor que armazena energia cinética associada ao fluxo de ar.Schelleng, John C. "The violin as a circuit." The Journal of the Acoustical Society of America 35.3 (2005): 326-338. http://www.maestronet.com/forum/index.php?app=core&module=attach&section=attach&attach_id=13435

Um circuito foi usado para modelar a estabilização por feedback de uma instabilidade de plasma hidrodinâmico em um espelho magnético "Axial feedback stabilization of a flute mode in a simple mirror reactor, by M. A. Lieberman and S. L. Wong, Plasma Physics, Vol. 19, pp. 745-55 (1977). The article contains an L-C circuit that is unstable because the "capacitance" is negative: http://iopscience.iop.org/0032-1028/19/8/005/pdf/0032-1028_19_8_005.pdf Nesta aplicação, o esforço foi para manter a coluna de plasma centralizada aplicando-se tensões às placas e, exceto pela presença de turbulência e efeitos não lineares, o plasma era um elemento de circuito elétrico real (não era realmente um análogo).

Analogia hidráulica com fluxo de água horizontal

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.

Um nó (ou junção) na regra dos nós de Kirchhoff é equivalente a uma conexão de cano em T . O vazão total de água entrando em um cano em T (preenchido de água) deve ser igual à vazão total de saída. Um capacitor é equivalente a um tanque com uma conexão em cada extremidade e uma membrana de borracha dividindo o tanque em dois longitudinalmente (um acumulador hidráulico ). Quando a água é forçada a entrar em um cano, a mesma quantidade de água é forçada simultaneamente a sair do outro cano, entretanto nenhuma água pode penetrar no diafragma de borracha. A energia é armazenada pelo alongamento da borracha. À medida que mais corrente flui "através" do capacitor, a contrapressão (tensão elétrica) se torna maior, assim a corrente "está adiantada" da tensão em um capacitor. À medida que a contrapressão da borracha esticada se aproxima da pressão aplicada, a corrente se torna cada vez menor. Assim, os capacitores "filtram" diferenças de pressão constantes e diferenças de pressão com variação lenta e de baixa frequência, enquanto permitem que mudanças rápidas na pressão passem.

Um indutor é equivalente a uma roda de pás pesada colocada no fluxo de água. A massa da roda e o tamanho das pás restringem a capacidade da água de variar rapidamente sua taxa de vazão (corrente) através da roda devido aos efeitos da inércia, mas, com o tempo, um fluxo de água constante passará praticamente desimpedido pelo roda, à medida em que ela gira na mesma velocidade do fluxo de água. A massa e a área de superfície da roda e de suas pás são análogas à indutância, e o atrito entre o eixo e os mancais do eixo corresponde à resistência que acompanha qualquer indutor não supercondutor. Um modelo alternativo de indutor é simplesmente um cano longo, talvez enrolado em espiral por conveniência. Este dispositivo de inércia de fluido é usado na vida real como um componente essencial de um carneiro hidráulico . A inércia da água que flui através do cano produz o efeito de indutância; os indutores "filtram" mudanças rápidas na vazão, enquanto que permitem que variações lentas de corrente sejam passadas. O arrasto imposto pelas paredes do cano é um tanto análogo à resistência parasítica. Em qualquer um dos modelos, a diferença de pressão (tensão elétrica) no dispositivo deve estar presente antes que a corrente comece a se mover e, dessa forma, nos indutores, a tensão "está adiantada" da corrente. À medida que a corrente aumenta, aproximando-se dos limites impostos pelo seu próprio atrito interno e da corrente que o restante do circuito pode fornecer, a queda de pressão no dispositivo torna-se cada vez menor.

Uma fonte de tensão ideal ( bateria ideal) ou fonte de corrente ideal é uma bomba dinâmica com controle de feedback. Um medidor de pressão nos dois lados mostra que, independentemente da corrente que está sendo produzida, esse tipo de bomba produz diferença de pressão constante. Se um terminal é mantido fixo no solo, outra analogia é um grande corpo de água em uma elevação alta, suficientemente grande para que a água retirada não afete seu nível. Para criar o análogo de uma fonte de corrente ideal, usa-se uma bomba de deslocamento positivo : Um medidor de corrente (pequena roda de pás ) mostra que, quando esse tipo de bomba é acionada a uma velocidade constante, mantém-se uma velocidade constante na pequena roda de pás.

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.

Um memristor é uma válvula de agulha operada por um medidor de vazão. À medida que a água flui na direção direta, a válvula da agulha restringe mais o fluxo. À medida que a água flui na outra direção, a válvula da agulha se abre mais, fornecendo menos resistência.

Principais equivalentes 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.

A faísca indutiva usada nas bobinas de indução é semelhante ao golpe de aríete, causado pela inércia da água.

Exemplos de equações Alguns exemplos de equações elétricas e hidráulicas análogas: tipo hidráulico elétrico térmico mecânico quantidade volume [m 3 ] carga [C] calor [J] impulso [N.s] fluxo da quantidade Taxa de vazão volumétrica [m 3 / s] corrente [A = C / s] taxa de transferência de calor [J / s] força [N] densidade de fluxo velocidade [m/s] densidade de corrente [C / (m 2 · s) = A / m²] fluxo de calor [W / m 2 ] estresse [N / m 2 = Pa] potencial pressão [Pa = J / m 3 = N / m 2 ] potencial [V = J / C = W / A] temperatura [K] velocidade [m / s = J / N.s] modelo linear Lei de Poiseuille Lei de Ohm Lei de Fourier dissipador viscoso Se as equações diferenciais tiverem a mesma forma, a resposta será semelhante.

Limites da analogia