বৈদ্যুতিক প্রবাহ

তড়িৎ প্রবাহের সংজ্ঞা

তামার মতো পরিবাহীর ভিতরে ইলেকট্রন থাকে যা উচ্চ গতিতে অবাধে এবং এলোমেলোভাবে চলাচল করে কিন্তু ধাতু থেকে বেরিয়ে যায় না। যে ইলেকট্রনগুলো অবাধে চলাচল করতে পারে, তাদের মুক্ত ইলেকট্রন বলা হয়। যদিও ইলেকট্রন সব দিকে অবাধে চলাচল করে, কোনো নির্দিষ্ট দিকে ইলেকট্রনের কোনো নীট প্রবাহ থাকে না। এই অবস্থাটি ঘটে যখন তামার তারের দুই প্রান্তের মধ্যে কোনো বিভব পার্থক্য থাকে না।

যখন কোনো তারকে বৈদ্যুতিক উৎসের সাথে সংযুক্ত করা হয়, তখন তামার তারের দুই প্রান্তের মধ্যে একটি বিভব পার্থক্য সৃষ্টি হয়, যার ফলে তারটিতে একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি হয়। বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের উপস্থিতির কারণে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো একটি বৈদ্যুতিক বল F = q E = e E অনুভব করে , যেখানে F = বৈদ্যুতিক বল, e = ইলেকট্রনের আধান, E = বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র । এই বৈদ্যুতিক বলের কারণে সমস্ত মুক্তভাবে গতিশীল ইলেকট্রনগুলো বলের দিকেই একটি সাধারণ ত্বরণ অনুভব করে।

এই মুক্ত ইলেকট্রনগুলো একসাথে গতিশীল থেকে তামার তারের স্থির পরমাণুগুলোর মাঝে অবস্থান করে, যার ফলে সমস্ত ইলেকট্রন এই পরমাণুগুলোর সাথে সংঘর্ষে লিপ্ত হয়। এই সংঘর্ষের কারণে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো তাদের গতির দিক পরিবর্তন করে। এই সমস্ত ইলেকট্রন ক্রমাগত একটি বৈদ্যুতিক বলের অধীন থাকে, যার ফলে তারা বৈদ্যুতিক বলের দিকেই ত্বরান্বিত হয়। কিছুক্ষণ চলার পর, মুক্ত ইলেকট্রনগুলো তামার তারের পরমাণুগুলোর সাথে আবার সংঘর্ষে লিপ্ত হয়। তবে, মুক্ত ইলেকট্রনগুলো সর্বদা একটি বৈদ্যুতিক বলের অধীন থাকে, যার ফলে সমস্ত ইলেকট্রন পুনরায় ত্বরান্বিত হয়।

সুতরাং, বিভিন্ন দিকে এলোমেলোভাবে চলার পাশাপাশি, সমস্ত মুক্ত ইলেকট্রন বৈদ্যুতিক বলের দিকে এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের বিপরীত দিকেও ধীরে ধীরে একসাথে চলে। বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের দিকটি উচ্চ বৈদ্যুতিক বিভব থেকে নিম্ন বৈদ্যুতিক বিভবের দিকে, যেখানে ইলেকট্রনগুলো নিম্ন বিভব থেকে উচ্চ বিভবের দিকে চলে। প্রতিটি মুক্ত ইলেকট্রনের এলোমেলো গতির বেগ খুব বেশি, যেখানে বৈদ্যুতিক বলের দিকে মুক্ত ইলেকট্রনগুলোর সম্মিলিত গতির বেগ খুব কম। বৈদ্যুতিক বলের দিকে মুক্ত ইলেকট্রনগুলোর এই সম্মিলিত গতিকে ড্রিফট বেগও বলা হয়।

একটি নির্দিষ্ট সময় ব্যবধানে কোনো পরিবাহীর প্রস্থচ্ছেদ দিয়ে তড়িৎ আধানের প্রবাহকে তড়িৎ প্রবাহ হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয় । প্রচলিত নিয়ম অনুযায়ী, তড়িৎ প্রবাহের দিক ধনাত্মক আধানের গতির দিকের অনুরূপ। এই ধারণাটি তখন প্রচলিত ছিল যখন জানা যায়নি যে পরিবাহীর মধ্যে আসলে মুক্ত, ঋণাত্মক আধানযুক্ত ইলেকট্রন চলাচল করে। পরিবাহীর মধ্যে ইলেকট্রনের চলাচলের দিক তড়িৎ প্রবাহের দিকের বিপরীত। সুতরাং, যখন কোনো পরিবাহীর মধ্যে দিয়ে প্রবাহিত প্রবাহ নিয়ে আলোচনা করা হয়, তখন ধনাত্মক আধানের প্রবাহকেই বোঝানো হয়, যা প্রচলিত প্রবাহ নামেও পরিচিত, কারণ এটি এই ধারণারই ফল।

তড়িৎ প্রবাহের সূত্র

গাণিতিকভাবে, তড়িৎ প্রবাহকে নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা প্রকাশ করা হয়:
I = ΔQ / Δt
সূত্রের বর্ণনা: I = তড়িৎ প্রবাহ, ΔQ = তড়িৎ আধানের পরিমাণ, Δt = সময় ব্যবধান।

তড়িৎ প্রবাহের একক

বৈদ্যুতিক আধানের একক হলো কুলম্ব, সময়ের একক হলো সেকেন্ড, সুতরাং তড়িৎ প্রবাহের একক হলো কুলম্ব/সেকেন্ড। কুলম্ব/সেকেন্ডকে অ্যাম্পিয়ারও বলা হয় , যার নামকরণ করা হয়েছে ফরাসি পদার্থবিজ্ঞানী আঁদ্রে মারি অ্যাম্পিয়ারের (১৭৭৫-১৮৩৬) নামে। ১ অ্যাম্পিয়ার = ১ কুলম্ব/সেকেন্ড (১ A = ১ C/s)। অন্য কথায়, ১ অ্যাম্পিয়ার তড়িৎ প্রবাহ হলো ১ সেকেন্ড ধরে কোনো তারের প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফলের মধ্য দিয়ে ১ কুলম্ব তড়িৎ আধানের প্রবাহের সমান। অ্যাম্পিয়ারে প্রকাশ করা ছাড়াও, তড়িৎ প্রবাহকে মিলিঅ্যাম্পিয়ার (১ mA = ১০⁻³ ^A ), মাইক্রোঅ্যাম্পিয়ার (১ μA = ১০⁻⁶ ^A ), ন্যানোঅ্যাম্পিয়ার (১ nA = ১০⁻⁹ ^A ) বা পিকোঅ্যাম্পিয়ারে (১ pA = ১০⁻¹² ^A ) প্রকাশ করা হয়।

উদাহরণ প্রশ্ন ২:

একটি তারের মধ্য দিয়ে ৮ সেকেন্ড ধরে ২ অ্যাম্পিয়ার তড়িৎ প্রবাহিত হয়। একটি নির্দিষ্ট বিন্দুর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত আধানের মান এবং সেই আধানে ইলেকট্রনের সংখ্যা নির্ণয় করুন।
আলোচনা
এটা জানা যায় যে:
তড়িৎ প্রবাহ (I) = ২ অ্যাম্পিয়ার
সময় ব্যবধান (t) = ২.৮ সেকেন্ড
জিজ্ঞাসা করা হয়েছে: চার্জ (Q) এবং ইলেকট্রনের সংখ্যা (e)
উত্তর :
তড়িৎ প্রবাহের সূত্র:
I = Q/t
সূত্রের বিবরণ: I = তড়িৎ প্রবাহ, Q = তড়িৎ আধান, t = সময় ব্যবধান
বৈদ্যুতিক চার্জ:
Q = I t = (2 অ্যাম্পিয়ার)(8 সেকেন্ড) = 16 কুলম্ব।

একটি ইলেকট্রনের চার্জ হলো 1,6 x 10⁻¹⁹ ^{কুলম্ব} , সুতরাং 16 কুলম্ব চার্জে 16 C / 1,6 x ^10⁻¹⁹ কুলম্ব = 10 x ^10¹⁹ টি ইলেকট্রন থাকে।

তড়িৎ প্রবাহ, প্রবাহ বেগ এবং প্রবাহ ঘনত্ব

A প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল বিশিষ্ট একটি পরিবাহীতে, E তড়িৎ ক্ষেত্রের প্রভাবে v প্রবাহ বেগে ডানদিকে গতিশীল একটি ধনাত্মক আধান বিবেচনা করুন। ধনাত্মক আধানটি t সময় ব্যবধানে s = vt দূরত্ব অতিক্রম করে।

যদি প্রতি আয়তনে আহিত কণার সংখ্যা (আধানিত কণার ঘনত্ব) n হয় এবং পরিবাহীর আয়তন A s = A vt হয়, তাহলে পরিবাহীর আয়তনে আহিত কণার সংখ্যা হবে n A v t। যদি প্রতিটি আহিত কণার আধান q হয়, তাহলে t সময় ব্যবধানে পরিবাহীর প্রান্ত দিয়ে যে পরিমাণ আধান প্রবাহিত হয় তা হলো Q = nq A v t। সুতরাং পরিবাহীর প্রান্ত দিয়ে প্রবাহিত তড়িৎ প্রবাহ হলো I = Q/t = nq A v। অপরদিকে, তড়িৎ প্রবাহ ঘনত্ব বা প্রতি প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল A-তে তড়িৎ প্রবাহ হলো J = I/A = nq v। এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, পরিবাহীতে প্রবাহিত তড়িৎ প্রবাহ হলো আহিত কণার ঘনত্ব (n), প্রতিটি কণার আধানের মান (q), পরিবাহীর প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল (A) এবং আহিত কণার প্রবাহ বেগ (v)-এর গুণফল।

প্রতিটি আহিত কণার গতি এবং সকল আহিত কণার প্রবাহ গতির মধ্যে পার্থক্য বোঝার জন্য নিম্নলিখিত উদাহরণ সমস্যাটি অধ্যয়ন করুন।

উদাহরণ প্রশ্ন ২:

3 x 10 বর্গ মিটার প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল বিশিষ্ট একটি তামার তারের মধ্যে দিয়ে 10 অ্যাম্পিয়ারের একটি স্থির তড়িৎ প্রবাহ প্রবাহিত হয়।^-6 m²মুক্ত ইলেকট্রনের ঘনত্ব হলো 8,4 x 10²⁸ ইলেকট্রন/মি³মুক্ত ইলেকট্রনগুলোর প্রবাহ বেগ নির্ণয় করুন।
আলোচনা
এটা জানা যায় যে:
তড়িৎ প্রবাহ (I) = ২ অ্যাম্পিয়ার
তারের প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল (A) = 3 x 10^-6 m²
মুক্ত ইলেকট্রন ঘনত্ব (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
ইলেকট্রন চার্জ (q) = 1,6 x 10^-19 C
জিজ্ঞাসা করা হয়েছে: মুক্ত ইলেকট্রন প্রবাহ গতি (v)
উত্তর :
পূর্বে প্রতিপাদিত সূত্র ব্যবহার করে ইলেকট্রনের গতিবেগ গণনা করা হয়:

বর্ণনা: I = তড়িৎ প্রবাহ, n = আহিত কণার ঘনত্ব, v = মুক্ত ইলেকট্রনের ঘনত্ব, q = একটি ইলেকট্রনের আধান, A = পরিবাহীর প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল, v = ইলেকট্রনের প্রবাহ বেগ

ইলেকট্রনের প্রবাহ বেগ হলো ০.২৪৮ x ১০⁻³ ^{মিটার} /সেকেন্ড = ০.২৪৮ মিলিমিটার/সেকেন্ড।

একটি তারের মধ্যে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো একত্রে প্রতি সেকেন্ডে ০.২৪৮ মিলিমিটার গতিতে চলে। অন্য কথায়, প্রতি সেকেন্ডে সমস্ত মুক্ত ইলেকট্রন ০.২৪৮ মিলিমিটার দূরত্ব অতিক্রম করে। এটি একটি অত্যন্ত ধীর গতি। মুক্ত ইলেকট্রনের গতি যদি এতই ধীর হয়, তবে সুইচ অন করার সাথে সাথেই বৈদ্যুতিক বাতি কেন জ্বলে ওঠে?

এটা বোঝার জন্য, একটি পরিবাহীতে ইলেকট্রনের প্রবাহকে একটি হোস পাইপে জলের প্রবাহ হিসেবে বিবেচনা করুন। যদি হোস পাইপটি জলে পূর্ণ থাকে, তবে এর এক প্রান্ত একটি কলের সাথে সংযুক্ত করলে, সঙ্গে সঙ্গে অন্য প্রান্ত দিয়ে জল বেরিয়ে আসবে। একইভাবে, তামার তার এবং লাইট বাল্বের তারে মুক্ত ইলেকট্রন থাকে। যখন সুইচটি চালু করা হয়, তখন আলোর গতির কাছাকাছি (আলোর গতি = ৩ x ১০⁸ ^{মিটার} /সেকেন্ড) একটি বৈদ্যুতিক ক্ষেত্র তৈরি হয়, যার ফলে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো সঙ্গে সঙ্গে একসাথে চলতে শুরু করে। লাইট বাল্বের তারে আগে থেকেই মুক্ত ইলেকট্রন থাকে, তাই লাইট বাল্বটি সঙ্গে সঙ্গে জ্বলে ওঠে।