Elektrik, elektron hareketlerinin incelendiği, bu hareketlerin mekanik ve elektriksel etkilerinin ortaya koyulduğu bilim dalıdır. Yani elektriğin en küçük yapıtaşı olarak elektronlar söylenebilir. Elektrik hesaplamaları yapılırken, elektronların hareketleri tek tek incelenemeyeceğinden benzetim yapılabilecek en önemli bilim dalı hidroliktir. Hidrolik, sıvıların mekanik özelliklerini inceleyen bir mühendislik ve bilim dalıdır.Vikipedi Hidrolik sayfası Elektrik ile hidrolik arasındaki benzetim yöntemi hesaplama ve elektriğin gözde canlanması açısından oldukça faydalıdır. Alttaki tablo, elektrik ve hidrolik bilimleri arasındaki benzetimleri sunar.
style="background:white"
| Elektrik | Hidrolik |
|---|---|
| Elektron >| Sıvı damlası | |
| | ``Sıvı basıncı`` | |
| | ``Sıvı akış hızı`` | |
| | ``Boru yarıçapı`` | |
| | ``Sıvı miktarı`` | |
| | ``Sıvı tankının taban alanı`` | |
| | ``Frekans`` |
Tek yönlü sıvı akışı
DC kaynak, ``genliği ve yönü değişmeyen elektrik enerjisi`` olarak tanımlanabilir. Bir DC kaynaktan çıkan elektronların yerlerinden ayrılma basınçları, hızları ve çıkış yönleri değişmez çünkü gerilim ve kaynağın pozitif ucu her zaman sabittir. Bu bilgiler Hidrolikte uygulanırsa DC kaynak, içinden geçen sıvının basıncınıni hızının ve yönünün hiç değişmediği sıvı pompasına benzetilebilir.Basınç farkı, bir tanka giren sıvı basıncıyla çıkan sıvı basıncı arasındaki fark olarak bulunur. Uçları arasına ``P`` sıvı basıncı uygulanan bir sıvı tankının çıkış borusunun kapalı olduğu, dolayısıyla çıkış basıncının olmadığı varsayılıp giriş borusundaki sıvı basıncı ``P`` olarak verilebilir. Bu benzetim yandaki animasyonda verilmiştir.
Uçları arasında sıvı basınç farkı olan tankın içinde sıvı birikmesi başlar. İlk anda tank boş olduğundan, pompadan gelen sıvı basıncının önünde bir engel yoktur ve sıvı akış hızı en büyük halindedir. Tank dolmaya başladıkça biriken sıvı, ağırlığı dolayısıyla pompaya ters yönde ve zamanla artan bir basınç uygular, net basınç pompa sıvı basıncı ile tankta biriken sıvı basıncı arasındaki fark olduğundan ve basınç farkı zamanla azalır. Basınç farkının azalması, tanka sıvı giriş hızının azalması anlamı da taşıdığından tankın sıvıyla dolma hızı gittikçe yavaşlar.
1. Tank dolu ve pompa basıncı sıvı basıncından büyüktür...``
Tank tamamen dolduğu anda pompa basıncı tankın içindeki sıvı basıncından büyükse oluşan basınç farkı tank çeperlerini zorlamaya başlar. Basınç farkı tank çeperinin dayanabileceği şiddette olursa sıvı akışı durur ve denge sağlanır, eğer çeperler basınç farkına dayanamıyorsa bu zorlama bir süre sonra çeperleri deforme eder ve sonuçta tank patlar.
* Çözüm:`` Pompa basıncını dengelemesi için daha yüksek bir sıvı tankına ihtiyaç vardır. Eğer tankın aldığı sıvı miktarı değişmeyecekse taban alanı daha küçük ancak boyu daha uzun bir tank tercih edilir. Böylece sıvı miktarı sabit kalır, basınç dengelenir ve tank çeperleri zorlanmaz.
``Yani``, kondansatörler çalışma gerilimlerinin üzerinde bir gerilime maruz bırakılmamalıdır. Yalıtkan malzeme dayanamayacağı gerilimler altında deforme olur ve patlamaya yol açar. Bunun yerine daha yüksek gerilimlere dayanabilen ve kullanılan yük miktarında değişim olmaması için kapasitesi nispeten düşük kondansatörler tercih edilir.
2. Tank dolu, pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı miktarı az...``
Tank tamamen dolduğu anda sıvı basıncı pompa basıncını dengeliyorsa, net basınç sıfır olur ve tank çeperlerinde bir zorlanma olmaz. Ancak sıvı miktarının az olması, sıvının kullanılırken daha önceden bitmesine ve işte verimsizliğe yol açar.
* Çözüm:`` Basınç dengesinin bozulmaması amacıyla sıvı tankının yüksekliği değiştirilmez, ancak taban alanı artırılarak aynı basınç değerinde daha fazla sıvı depolanabilir. Taban alanının artışıyla tank hacmi ve maliyet artar.
``Yani``, nominal gerilimde çalıştırılan bir kondansatörün daha büyük elektriksel yükü depolaması ve daha uzun süre devreye enerji sağlaması için hidrolikte taban alanı eşdeğeri olan kapasitesi artırılır. Yandaki resimde sıvı tankının hacmi ve iş görme süresi iki katına çıktığı gibi, kapasitesi iki katına çıkan kondansatör de iki kat yük depolar ve iki kat süre dayanım gösterir.
3. Pompa basıncı ile sıvı basıncı eşit, ancak sıvı tankı tamamen dolmadı...``
Tank tamamen dolmadan içindeki sıvı basıncı pompa basıncına eşit olursa sıvı akışı durur ve tankın üstünde boş kısımlar kalır. Bu durum eldeki tankın gereğinden büyük olduğunu gösterir ve fazladan maliyet getirir.
* Çözüm:`` Sıvı basıncının pompa basıncını dengelediği yükseklikte bir sıvı tankı tercih edilir. Sıvı tankının gereğinden büyük olması verimsiz kullanıma örnektir.
``Yani``, kondansatörler ya tam uygulanacak gerilim değerine yada aşırı olmayacak şekilde yüksek gerilim değerlerine göre tercih edilir. Uygulanan gerilimin çok üstünde olan çalışma gerilimi, maliyeti fazla olan kondansatör anlamına gelir ve elemanın verimsiz kullanılmasıdır.
Çift yönlü sıvı akışı
AC kaynak, ``genliği ve yönü belli bir frekansa göre zamanla değişen elektrik enerjisi`` olarak tanımlanır. Elektron hareketleri sürekli değişim gösterir, kaynaktan ayrılan elektronlar bir periyodun yarısında bir yöne doğru ilerlerken diğer yarısında zıt yöne ilerlerler. Elektron kopuş hızı ve basınçlarının bir maksimum ve minimum değeri vardır ve değişim gösterir. ``Yani``, kaynağın pozitif ve negatif ucu sürekli yer değiştirir. Gerilim kaynağının hidrolikteki eşdeğeri olan pompaya AC kaynak özelliği kazandırılması, sıvı akış yönü, hızı ve basıncının belli bir frekansa göre değiştirilmesiyle sağlanır.
Kondansatör eşdeğeri olan sıvı tankına bağlanmış bir pompadan, periyodun bir yarısında tanka sıvı verildiği diğer yarısında tanktan sıvı çekildiği, basınç değişiminin de sinüsoidal şekilde olduğu benzetimi ile AC kaynağa bağlanmış bir kondansatör gözde daha kolay canlanır.
Tek yönlü sıvı akışının uygulandığı bir sıvı tankı, bir süre sonra basınç eşitliğini sağlar ve sıvı akışına engel olur. Ancak sıvı akış yönünün değiştiği sistemlerde sıvı tankı sürekli dolup boşalma hareketi yapar, sıvı akışı durmaz ancak sıvı akışına karşı bir direnç oluşur. Bu direncin bağlı olduğu büyüklükler şöyle sıralanabilir.
- Frekans: Sıvı tankının dolması için bir süre gerekir, bu süre tankın hacmine, yani taban alanına ve yüksekliğine bağlıdır. Frekansın büyük olması periyotun küçülmesini gerektirir. Periyotun yarısında tanka sıvı dolduğu diğer yarısında da çekildiği göz önüne alınırsa, periyot küçüldükçe kısa sürede tanka dolan sıvı miktarı daha da düşer, tank tamamen dolup pompayı tıkama işlemini yapamaz ve tankın direnci azalır. ``Yani, frekansın artması sıvı tankında olduğu gibi kondansatörlerde de dirence ters orantılı etki yapar.``
- Taban alanı: Taban alanının genişlemesi, aynı miktarda sıvının daha az yükseklikte ancak daha geniş yüzeyde birikmesi anlamına gelir. Sıvı tankında biriken sıvının yüksekliğinin azalması da pompaya tanktan uygulanan basınç değerinde azalmaya yol açar, böylece sıvı daha kolayca tanka dolar ve tankın direnci azalır. ``Yani, taban alanının büyümesi sıvı tankının direncini azalttığı gibi kondansatörlerde de kapasite değerindeki artış kondansatör direncini azaltır ve ters orantı söz konusudur.``
Üstteki formülasyon bir sıvı tankının basıncı sinüsoidal şekilde değişen pompadan sıvı girişine gösterdiği direncin nelere bağlı olduğunu ifade eder. Hidrolikteki eşdeğerleriyle yer değiştirdiğinde ise kondansatörün AC kaynakta elektron ve akım akışına gösterdiği direnç elde edilir. Formülasyonlar arasındaki tek fark olan çarpanı, kondansatörün AC direnci ifadesinde açısal frekansın kullanılmasından kaynaklanır. Kapasite değeri ve çalışma frekansının artması kondansatör direncinin düşmesine neden olur.
Sıvı pompası basıncının sinüsoidal şekilde olması, bir periyotun yarısında tanka sıvı gönderip diğer yarısında sıvı çektiği anlamına gelir. Sıvı gönderme sürecinin sonlarına doğru sinüsoidal grafikten kaynaklanan nedenle, sıvı tanka doğru itilmesine karşın pompa basıncı oldukça düşer ve sıfıra yaklaşır. Ancak tankta birikmiş sıvının basıncı pompa basıncından büyük hale gelir ve basınç farkı ``pompa sıvıyı tanka doğru itmesine karşın negatif çıkar``. Yani, pompa basıncı tanka doğrudur ancak sıvı akışı tanktan dışarıya doğru gerçekleşir, dolayısıyla ``sıvı akışı faz olarak pompa basıncından ileridedir.`` Kondansatör benzetiminde eşdeğer büyüklükler kullanılırsa ``akım fazörü gerilim fazöründen ileridedir`` denilir.