Quelqu'un a-t-il une analogie non conventionnelle pour expliquer les éléments d'un circuit?

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Je me demandais si quelqu'un pourrait expliquer par analogie ce que font les inductances, les condensateurs, les transistors, les diodes et les amplificateurs opérationnels.

Je comprends l'idée de base; Je suis actuellement étudiant en génie électrique. Je connais déjà les définitions des manuels, mais je me demandais simplement si quelqu'un avait une sorte d'analogie pour résumer tout ce qui n'est pas quelque chose d'un manuel. :) J'aimerais améliorer encore ma compréhension, mais pour être honnête, apprendre des trucs à partir des cours et des livres est difficile et douloureux et ennuyeux, car en tant qu'étudiant, c'est toujours un défi de voir la GRANDE image.

Kenny Truong
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La réponse de Steeven me semble plutôt bonne, mais je peux dire que le courant de conduction n'est pas le seul courant. Jetez un œil à Taming Light de Nader Engheta à l'échelle nanométrique: "Il est important de noter que le courant de déplacement ne consiste pas en des particules chargées dérivantes comme le fait le courant de conduction". Pour une analogie, imaginez que vous êtes dans un canot en mer, et une grosse vague vient à vous. Le courant de déplacement est comme l'écoulement ascendant de l'eau qui vous porte. Il y a alors un flux descendant. La lumière est comme un courant de déplacement alternatif , d'où l'impédance du vide.
Souvent utilisé dans mes cours de génie mécanique pour aider les étudiants en génie électrique: un système masse-ressort-amortisseur du génie mécanique a exactement la même équation différentielle qu'un système inducteur-condensateur-résistance du génie électrique.
Sanchises
Les transistors et amplis op sont généralement considérés comme hors sujet sur Phys.SE.
Qmechanic
Réalisez que l' analogie non-manuel est un peu difficile (et je ne sais pas exactement à quoi servirait une réponse complètement inédite - le type de site de questions-réponses SE est bon pour fournir des réponses canoniques, pas pour être un concours de créativité). Presque tout ce qui a été dit dans les réponses ci-dessous contient un bon nombre de manuels.
Fizz

Réponses:

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Une analogie du débit d'eau est classique et assez bonne dans la compréhension des circuits électriques. Pensez à l'eau qui coule dans un système de tuyaux. C'est un peu difficile à régler dans la zone AC, difficile, mais mérite une mention pour DC et un bon point de départ.

Analogies pour certaines définitions:

  • Charge [C] Quantité d'eau [kg]
  • Courant [C/s] Débit d'eau [kg/s]
  • Potentiel [J/C] Pression [Pa]
    • Différence de tension ou de potentiel [J/C] Différence de pression [Pa]
  • La résistance [Ω] Une partie étroite d'un tuyau ou d'une roue de moulin.

(Dans ce contexte, voir cette autre réponse: /physics/161650/could-someone-intuitively-explain-to-me-ohms-law/161701#161701 )

Analogies pour les parties du circuit:

  • Condensateur Un blocage total du tuyau avec une membrane élastique (aucune eau ne passe jamais la membrane, mais une pression d'un côté la fait se dilater et "pousser" le côté opposé avec une pression égale mais la force dirigée dans le sens opposé)

  • Diode Un robinet à tournant sphérique unidirectionnel (une diode empêche la charge dans un sens mais permet sans résistance dans l'autre sens)

  • Batterie Une pompe ramenant l'eau à un point de départ.

  • Amplificateur opérationnel (ampli opérationnel) Une pompe augmentant la pression (placée en un point du circuit de canalisation).

  • Transistor Une valve réglable (les transistors sont des "ajusteurs" où un petit signal peut faire de grands changements de courant / tension)

  • Inducteur Une roue de moulin lourde (au début, elle ne bouge pas, mais après un certain temps elle le fait et ne donne plus de résistance à l'écoulement.)

Steeven
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J'aimerais sauvegarder cette roue de moulin, nous en parlions il y a quelque temps. Voir le cours d'électronique de Daniel Reynolds .
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Vous voudrez peut-être préciser qu'il s'agit d'un condensateur en série, tandis qu'un condensateur lié à la terre est comme un réservoir de rétention. Je ne sais pas comment décrire une inductance liée à la terre.
Carl Witthoft du
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D'ailleurs je ne sais pas de quelle sœur vous parlez, l'analogie pour un ampli op est désactivée. Ils sont si polyvalents qu'il n'y a vraiment aucune analogie, et dire que c'est une pompe donne l'impression qu'ils ont une source d'énergie externe, tandis que leur énergie est alimentée par le circuit dont ils font partie. S'il y a une analogie pour sa configuration la plus courante, c'est "Dispositif magique qui rend la pression des tuyaux de sortie égale à la différence de pression entre ses deux entrées".
PlasmaHH
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Je ne vois pas en quoi il s'agit d'une analogie non conventionnelle.
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J'ai pris non-manuel pour signifier "me parler à travers elle en termes profanes", plutôt que "l'expliquer en utilisant une analogie complètement nouvelle qui n'a jamais paru auparavant dans aucun manuel".
Oscar Bravo du
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J'essaierai ... Tout cela me vient à l'esprit et devrait être vérifié en lisant un manuel après.

La première chose à noter est que la plupart de ces composants n'ont de sens qu'avec un signal électrique oscillant, c'est-à-dire AC. Ils ne sont pas très utiles dans un circuit DC [ bien que je parie que quelqu'un peut penser à un ... voir les commentaires ]

  • Inducteur : Fondamentalement, une bobine de fil. Lorsqu'un courant commence à circuler, un champ magnétique commence à augmenter. Cela prend du travail lorsque vous "chargez" le champ magnétique pour qu'il résiste au changement de courant . Cela fait une forte pointe dans le signal, se transforme en une bosse émoussée. Il lisse donc le signal (utile dans un circuit redresseur).

  • Condensateur : Un dispositif de stockage de charge: Initialement, il permet au courant de circuler rapidement mais en se chargeant, il résiste au flux et présente une résistance toujours croissante au flux jusqu'à ce que son potentiel soit le même que le potentiel de conduite. La charge croissante du côté entraîné induit une charge similaire de l'autre côté et transmet donc un courant changeant (même s'il est en circuit ouvert pour le courant continu). En série, peut être utilisé comme filtre - il aura une très faible impédance pour les signaux à sa fréquence de résonance. En parallèle, il lisse les différentiels entre les deux rails (redresseurs à nouveau)

  • Diode : grille unidirectionnelle: le courant ne peut circuler que dans un sens.

  • Transistor : Le nom signifie Transfer Resistor - qui ne vous dit rien! Fondamentalement, vous connectez le collecteur au rail supérieur (par exemple + 5V), l'émetteur à la terre via une résistance et la base est votre entrée de signal. Sans rien connecté à la base, l'émetteur flotte à une certaine tension donnée par une simple division de tension ohmique (disons, + 2V). Lorsque vous injectez un courant dans la base, cela réduira la résistance effective de la jonction collecteur-émetteur et l'émetteur augmentera en tension. Réduisez le courant de base et l'émetteur retombera. Ainsi, la sortie (Emitter) suivra simplement ce que fait l'entrée (Base). La partie intelligente est que le courant dans la sortie provient du collecteur et peut donc être aussi fort que vous le souhaitez - vous avez amplifié le signal de base! (kerannng!)

  • Ampli-OP : Un amplificateur de tension: Il s'agit d'un circuit intégré "complexe", composé de plusieurs des éléments ci-dessus. Fondamentalement; petite différence de tension entre les bornes d'entrée = gros $ V_ {diff} $ entre les sorties. Comprenez bien tout ce qui précède avant de vous demander comment ?

Bonne chance avec vos études!

Oscar Bravo
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De cette "explication" du fonctionnement d'un transistor (configuration de collecteur commun), je déduis que la TENSION de l'émetteur suit le COURANT de base. Pour moi, une explication quelque peu "discutable". Et - avec un nœud de base ouvert - l'émetteur "flottera à une certaine tension donnée par une simple division de tension ohmique" ???
Niv.7 oct.15
@LvW Si vous voulez écrire une "meilleure" explication, au niveau "requis" par l'OP, allez à droite "en avant"!
Oscar Bravo
Merci beaucoup! C'est pour AC surtout? C'est ce que j'étudie en ce moment ..
Kenny Truong
@ Owen-Boyle, la description correcte et logique de la fonction BJT est que le courant de collecteur Ic est déterminé / contrôlé par la tension base-émetteur Ic = f (Vbe). Par conséquent, les propriétés d'amplification d'un transistor sont caractérisées par sa transconductance gm.
LvW
@LvW La première chose que je fais lorsque je réponds / commente un message est de cliquer sur l'utilisateur pour avoir une idée de la personne derrière la question. L'OP est un gamin qui débute (pas d'offense, KT!). J'essaie de présenter ma réponse à ce que je suppose être approprié pour le lecteur, sans compromettre la précision. J'accepte que ma réponse est un peu floconneuse et ondulée à la main. Votre commentaire ajoute de la rigueur et une terminologie utile. J'espère que l'OP pourra profiter de la combinaison des deux!
Oscar Bravo
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apprendre des trucs à partir des cours et des livres est dur et douloureux et ennuyeux

Bienvenue dans l'ingénierie. :-)

Les analogies peuvent être utiles au tout début, mais en fin de compte, il n'y a pas de substitut pour comprendre directement le sujet, en particulier lorsque vous abordez des sujets plus complexes comme les amplificateurs opérationnels. Comprendre la vue d'ensemble est quelque chose qui prend du temps et une large base de connaissances. Soyez assuré que votre travail acharné et pénible sera payant. Portez une attention particulière aux principes de base - analyse de circuits, électronique, champs E&M, analyse de signaux. Au fur et à mesure que vous étudiez et (surtout) faites vos devoirs, vous acquérez une intuition sur le comportement des circuits électroniques, ainsi que sur les modèles mathématiques plus profonds derrière eux.

Cela étant dit, l'analogie du débit d'eau n'est pas terrible. Si vous avez une solide formation mathématique, l' analogie mécanique (tension / courant / résistance = force / vitesse / frottement) pourrait vous aider. Bien sûr, cela ne vaut que votre compréhension de l'hydraulique et de la mécanique.

Ce qui pourrait aider davantage, c'est de lire de nombreuses explications sur le même sujet. Parfois, les écoles choisissent des manuels terribles, alors cherchez-en d'autres dans votre bibliothèque. Il existe également de nombreuses explications de démarrage de ces concepts en ligne. ( William Beaty a de bonnes choses.)

Adam Haun
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