اصل برنولی در برق

وقتی الکترون ها مثل آب رفتار می کنند؛ اصل برنولی در قلمرو برق

در فیزیک، گاهی مفاهیم مرزی ندارند؛ از دنیای مایعات به دنیای الکترون ها سرک می کشند و نشان می دهند که طبیعت، یک زبان مشترک دارد. یکی از این مفاهیم، اصل زیبای برنولی است؛ اصلی که به ظاهر فقط درباره ی سیالات (مایعات و گازها) صحبت می کند، اما اگر خوب نگاه کنیم، رد پای آن را در دنیای برق هم می توان دید آنجا که جریان، دیگر آب نیست، بلکه سیلی از الکترون هاست.

اصل برنولی چیست؟

اصل برنولی، به زبان ساده، می گوید:

«در یک جریان پایدار سیال، هرچه سرعت افزایش یابد، فشار کاهش می یابد.»

اگر تا به حال دیده باشید که هواپیما چگونه پرواز می کند، یا چرا آبپاش باغچه به جای مکیدن آب، آن را می پاشد، یا چگونه یک اسپری خوشبوکننده کار می کند، باید بدانید که در پشت این پدیده ها، اصل برنولی در حال هنرنمایی است.

اما آیا ممکن است این اصل در دنیایی که هیچ آب یا هوا در کار نیست یعنی در دنیای برق هم نقشی بازی کند؟

پاسخ: بله، و آن هم بسیار جالب و استعاری

مدل سازی الکتروهیدرولیک؛ وقتی سیم مثل لوله می شود

یکی از رویکردهای آموزشی بسیار موثر در مهندسی برق، استفاده از مدل های هیدرولیکی برای توضیح مفاهیم الکتریکی است. این مدل ها به ما اجازه می دهند تا مدارهای برقی را به صورت شبکه هایی از لوله ها، مخازن، سوپاپ ها و پمپ ها تصور کنیم.

در این مدل ها:
الکتریسیته =سیالات
ولتاژ= فشار
جریان= دبی
مقاومت= تنگی یا مانع
خازن= مخزن انعطاف پذیر
سلف= اینرسی سیال

حالا اگر به یک مدار نگاه کنیم و آن را مثل لوله ای در نظر بگیریم که الکترون ها در آن جریان دارند، آنگاه می توانیم بپرسیم: اگر جریان الکترون ها زیاد شود، چه بلایی سر ولتاژ می آید؟

این جاست که اصل برنولی وارد می شود. درست مثل افزایش سرعت هوا در بال هواپیما که باعث کاهش فشار روی سطح آن می شود، در یک مسیر با جریان شدید، افت ولتاژ رخ می دهد یا به زبان ساده تر: افزایش سرعت الکترون ها با افت فشار الکتریکی (ولتاژ) همراه است.

ترانزیستورهای FET؛ دریچه هایی با رفتار برنولی وار

در ترانزیستورهای اثر میدانی (FET)، یک جریان کوچک کنترل کننده باعث باز یا بسته شدن «دریچه ای» می شود که اجازه می دهد یک جریان بزرگ تر عبور کند. این رفتار، شباهت زیادی به رفتار سیالات دارد:

تصور کنید یک لوله ی آب دارید که فشار سیال در آن، با پیچاندن یک شیر تنظیم می شود. در FET نیز با یک ولتاژ کوچک در «گیت»، عبور جریان از «کانال» کنترل می شود شبیه کنترل فشار جریان سیال.

حتی جالب تر اینکه در شرایط خاص، پدیده ای در این ترانزیستورها اتفاق می افتد که به آن pinch-off می گویند؛ یعنی کانال به قدری باریک می شود که تقریبا بسته می گردد، اما جریان همچنان عبور می کند، درست مثل لوله ای که به واسطه ی سرعت زیاد، سیال را با فشار کم عبور می دهد شباهتی خیره کننده با اصل برنولی!

منابع تغذیه سوییچینگ؛ بازی با سرعت و فشار الکترون ها

در منابع تغذیه سوییچینگ (Switching Power Supplies)، مدارها با فرکانس های بالا، جریان را به سرعت قطع و وصل می کنند تا ولتاژ و جریان را به دلخواه تنظیم کنند. این فرایند در بسیاری موارد شبیه جریان سریع سیالات در نازل هاست؛ جایی که باید با بازی با سرعت، فشار (ولتاژ) را تنظیم کرد.

وقتی جریان زیاد می شود، افت ولتاژ رخ می دهد و این همان فلسفه ای است که در اصل برنولی می درخشد.

دنیای مفاهیم استعاری: از طبیعت تا تکنولوژی

اصل برنولی و دنیای برق، شاید از دو قلمرو متفاوت فیزیکی آمده باشند یکی از دنیای مولکول ها و دیگری از جهان بارهای الکتریکی اما ذهن انسان همیشه راهی برای پیوند دادن آن ها پیدا کرده است.

گاهی در آموزش برق، همین مفاهیم استعاری باعث درک بهتر می شود. وقتی به دانشجو بگوییم که یک مقاومت مثل «تنگی لوله» است که جریان را کند می کند، یا خازن مثل «مخزن انعطاف پذیر» است که فشار را ذخیره می کند، آن وقت درک رفتار پیچیده ی مدارها آسان تر می شود.

سخن پایانی: وقتی قوانین طبیعت زبان مشترک پیدا می کنند
شاید اصل برنولی در نگاه اول فقط برای هواپیماها و لوله کشی ها مفید باشد، اما اگر عمیق تر نگاه کنیم، خواهیم دید که این قانون، پلی است بین دنیای مایعات و دنیای الکترون ها؛ پلی که به ما نشان می دهد طبیعت با منطق یکسانی در همه جا عمل می کند، فقط کافی است زبانش را بفهمیم.

در جهانی که مکانیک، الکترونیک، ترمودینامیک و حتی زیست شناسی همه به هم متصل اند، درک چنین مفاهیمی نه تنها جذاب، بلکه ضروری است. اصل برنولی فقط یک قانون فیزیکی نیست؛ نمادی است از هم زبانی پدیده ها در جهان طبیعت.