বিদ্যুত্প্রবাহ

তড়িৎ প্রবাহের সংজ্ঞা

তামার মতো পরিবাহীতে ইলেকট্রন থাকে যা উচ্চ গতিতে এলোমেলোভাবে অবাধে চলাচল করে কিন্তু ধাতু থেকে বেরিয়ে যায় না। যে ইলেকট্রনগুলো অবাধে চলাচল করতে পারে, তাদের মুক্ত ইলেকট্রন বলা হয়। যদিও ইলেকট্রনগুলো সব দিকে অবাধে চলাচল করে, কোনো একটি নির্দিষ্ট দিকে ইলেকট্রনের মোট 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 তামার তারের অভ্যন্তরে একটি তড়িৎ ক্ষেত্র আবির্ভূত হয়। তড়িৎ ক্ষেত্রের উপস্থিতির কারণে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো F = q E = e E তড়িৎ বল অনুভব করে, যেখানে F = তড়িৎ বল , e = ইলেকট্রনের আধান, E = তড়িৎ ক্ষেত্র । এই তড়িৎ বলের কারণে মুক্তভাবে গতিশীল সমস্ত ইলেকট্রন একত্রে ত্বরান্বিত হয়, যা তড়িৎ বলের দিকের অনুরূপ।

একসাথে চলাচলকারী মুক্ত ইলেকট্রনগুলো তামার তারে থাকা পরমাণুগুলোর মাঝে অবস্থান করে, ফলে সমস্ত ইলেকট্রন পরমাণুগুলোর সাথে সংঘর্ষে লিপ্ত হয়। এই সংঘর্ষের কারণে মুক্ত ইলেকট্রনগুলোর গতির দিক পরিবর্তিত হয়। এই সমস্ত ইলেকট্রন সর্বদা একটি বৈদ্যুতিক বল অনুভব করে, ফলে সমস্ত ইলেকট্রন বৈদ্যুতিক বলের দিকের সাথে একই দিকে ত্বরান্বিত হয়। কিছুক্ষণ চলার পর, মুক্ত ইলেকট্রনগুলো তামার তারের পরমাণুগুলোর সাথে সংঘর্ষে লিপ্ত হয়। কিন্তু মুক্ত ইলেকট্রনগুলো সর্বদা একটি বৈদ্যুতিক বল অনুভব করে, ফলে সমস্ত ইলেকট্রন আবার 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 দিক 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 গতির বেগ খুব কম। বৈদ্যুতিক বলের দিকে মুক্ত ইলেকট্রনগুলোর এই গতিকে ড্রিফট স্পিডও বলা হয় ।

একটি নির্দিষ্ট সময়কালে কোনো পরিবাহীর প্রস্থচ্ছেদ দিয়ে তড়িৎ আধানের প্রবাহকে তড়িৎ প্রবাহ হিসেবে সংজ্ঞায়িত করা হয়। চুক্তি অনুসারে, তড়িৎ প্রবাহের দিক ধনাত্মক আধানের দিকের অনুরূপ। এই চুক্তিটি করা হয়েছিল এটা জানার আগে যে, পরিবাহীর মধ্যে আসলে ঋণাত্মক আধানযুক্ত মুক্ত ইলেকট্রন চলাচল করে। পরিবাহীর মধ্যে ইলেকট্রনের চলাচলের দিক তড়িৎ প্রবাহের দিকের বিপরীত। সুতরাং, যদি আমরা পরিবাহীর মধ্যে প্রবাহিত প্রবাহ নিয়ে আলোচনা করি, তাহলে যা বোঝানো হয় তা হলো ধনাত্মক আধানের প্রবাহ, যাকে প্রচলিত প্রবাহও বলা হয় কারণ এটি একটি চুক্তির ফল।

তড়িৎ প্রবাহের সমীকরণ

গাণিতিকভাবে, তড়িৎ প্রবাহকে নিম্নলিখিত সমীকরণ দ্বারা প্রকাশ করা হয়:

I = Δ Q / Δt

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, যা ফরাসি পদার্থবিজ্ঞানী আঁদ্রে মারি অ্যাম্পিয়ারের (১৭৭৫-১৮৩৬) নামানুসারে রাখা হয়েছে। ১ অ্যাম্পিয়ার = ১ কুলম্ব/সেকেন্ড (১ A = ১ C/s)। অন্য কথায়, ১ অ্যাম্পিয়ার তড়িৎ প্রবাহ হলো ১ কুলম্ব তড়িৎ আধানের সমান, যা ১ সেকেন্ড ধরে একটি তারের প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফলের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়। অ্যাম্পিয়ারে প্রকাশ করা ছাড়াও, তড়িৎ প্রবাহকে মিলিঅ্যাম্পিয়ার (১ mA = ১০⁻³ ^A ), মাইক্রোঅ্যাম্পিয়ার (১ μA = ১০⁻⁶ ^A ), ন্যানো অ্যাম্পিয়ার (১ nA = ১০⁻⁹ A) বা পিকোঅ্যাম্পিয়ারে (১ pA = ১০⁻¹² ^A ) প্রকাশ করা হয়।

নমুনা সমস্যা ১:

একটি তারের মধ্য দিয়ে ৮ সেকেন্ড ধরে ২ অ্যাম্পিয়ার তড়িৎ প্রবাহিত হয়। একটি নির্দিষ্ট বিন্দুর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত আধানের পরিমাণ এবং সেই আধানে থাকা ইলেকট্রনের সংখ্যা নির্ণয় করুন।

জ্ঞাত:

তড়িৎ প্রবাহ (I) = ০.৫ অ্যাম্পিয়ার

সময় ব্যবধান (t) = ২ সেকেন্ড

প্রয়োজনীয়: চার্জ (Q) এবং ইলেকট্রন সংখ্যা (e)

সমাধান:

তড়িৎ প্রবাহের সমীকরণ:

I = Q/t

I = তড়িৎ প্রবাহ, Q = তড়িৎ আধান, t = সময় ব্যবধান

বৈদ্যুতিক চার্জ:

Q = I t = (2 অ্যাম্পিয়ার)(8 সেকেন্ড) = 16 C.

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

ধনাত্মক চার্জটি পর্যালোচনা করুন যা তড়িৎ ক্ষেত্র E-এর দিকে v বেগে ডানদিকে সরে যাচ্ছে।

একটি পরিবাহীর প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল A। t সময় ব্যবধানে ধনাত্মক আধান s = vt দূরত্ব অতিক্রম করে।

যদি প্রতি আয়তনে আহিত কণার সংখ্যা (আহিত কণার ঘনত্ব) n হয় এবং পরিবাহীর আয়তন A s = A vt হয়,

তাহলে পরিবাহীর আয়তনে আহিত কণার সংখ্যা হলো n A v t। যদি প্রতিটি আহিত কণার আধান q হয়, তবে t সময়কালে পরিবাহীর প্রান্ত দিয়ে প্রবাহিত আধানের পরিমাণ হলো Q = nq A v t। সুতরাং, পরিবাহীর অগ্রভাগের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত তড়িৎ প্রবাহ হলো I = Q / t = nq A v। অপরদিকে, তড়িৎ ঘনত্ব বা প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল A প্রতি তড়িৎ প্রবাহ হলো J = I / A = nq v।

এই সিদ্ধান্তে আসা যায় যে, পরিবাহীর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত তড়িৎপ্রবাহ হলো আহিত কণার ঘনত্ব (n)-এর গুণফল,

প্রতিটি কণার আধানের পরিমাণ (q), পরিবাহীর ক্ষেত্রফল (A) এবং আহিত কণার বেগ (v)।

নিম্নলিখিত উদাহরণ প্রশ্নগুলো অধ্যয়ন করুন।

নমুনা সমস্যা ১:

একটি তামার তারের মধ্য দিয়ে ১০ অ্যাম্পিয়ারের একটি স্থির তড়িৎপ্রবাহ প্রবাহিত হয়, যার প্রস্থচ্ছেদ ক্ষেত্রফল 3 x 10⁻⁶ ^m² । ^{মুক্ত} ইলেকট্রনের ঘনত্ব হলো 8.4 x ^10²⁸ ইলেকট্রন/m³ ^। মুক্ত ইলেকট্রনের প্রবাহের গতি নির্ণয় করুন।

জ্ঞাত:

তড়িৎ প্রবাহ (I) = ০.৫ অ্যাম্পিয়ার

তারের প্রস্থচ্ছেদের ক্ষেত্রফল (A) = 3 x 10 ^-6 মি ²

মুক্ত ইলেকট্রন ঘনত্ব (n) = 8.4 x 10 ²⁸ m ^-3

ইলেকট্রনের চার্জ (q) = 1.6 x 10 ^-19 C

الطلوب: মুক্ত ইলেকট্রন প্রবাহের গতি (v)

সমাধান:

ইলেকট্রনের গতিবেগ পূর্বে প্রতিপাদিত একটি সূত্র ব্যবহার করে গণনা করা হয়:

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

ইলেকট্রন প্রবাহের গতিবেগ হলো 0.248 x 10⁻³ ^{মিটার} /সেকেন্ড = 0.248 মিলিমিটার/সেকেন্ড।

একটি তারের মধ্যে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো একত্রে প্রতি সেকেন্ডে ০.২৪৮ মিলিমিটার গতিতে চলে। অন্য কথায়, প্রতি সেকেন্ডে সমস্ত মুক্ত ইলেকট্রন ঠিক 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 বাতিটি কেন জ্বলে ওঠে?

এটা বোঝার জন্য, পরিবাহীর মধ্যে ইলেকট্রনের প্রবাহ অনেকটা হোস পাইপের ভেতরে জলের প্রবাহের মতো। যদি হোস পাইপটি জলে ভরা থাকে এবং এর এক প্রান্ত কলের সাথে যুক্ত করা হয়, তাহলে সঙ্গে সঙ্গে অন্য প্রান্ত থেকে জল বেরিয়ে আসে। একইভাবে, তামার তার এবং লাইট বাল্বের তারে মুক্ত ইলেকট্রন থাকে। যখন সুইচটি চালু করা হয়, তখন আলোর গতির কাছাকাছি বেগে (আলোর গতি = ৩ x ১০⁸ মিটার/সেকেন্ড) একটি তড়িৎ ক্ষেত্র তৈরি হয় ^, যার ফলে সেই মুহূর্তে মুক্ত ইলেকট্রনগুলো একসাথে চলতে শুরু করে। লাইট বাল্বের তারে আগে থেকেই মুক্ত ইলেকট্রন থাকে, যার ফলে ঠিক সেই মুহূর্তে আলো জ্বলে ওঠে।

সমস্যা এবং সমাধান

একটি তারের মধ্যে দিয়ে ২ মিনিট ধরে ১০ অ্যাম্পিয়ার স্থির তড়িৎপ্রবাহ প্রবাহিত হয়। পরিবাহীটির যেকোনো স্থানের মধ্যে দিয়ে কী পরিমাণ আধান প্রবাহিত হয়?

জ্ঞাত :

তড়িৎ প্রবাহ (I) = 10 A

সময় ব্যবধান (t) = ২ মিনিট = ২ x ৬০ সেকেন্ড = ১২০ সেকেন্ড

مطلوب: চার্জ (Q)

সমাধান:

তড়িৎ প্রবাহের সমীকরণ:

I = q/t

I = তড়িৎ প্রবাহ, q = তড়িৎ আধান, t = সময়কাল

বৈদ্যুতিক চার্জ:

Q = I t = (10)(120) = 1200 C

২. বর্তনীর একটি বিন্দু দিয়ে ৫ মিনিটে ৬০ কুলম্ব চার্জ প্রবাহিত হয়। তড়িৎ প্রবাহ কত?

জ্ঞাত :

সময় ব্যবধান (t) = ৫ মিনিট = ৫ x ৬০ সেকেন্ড = ৩০০ সেকেন্ড

বৈদ্যুতিক চার্জ (Q) = 60 C

প্রয়োজনীয় : তড়িৎ প্রবাহ (I)

সমাধান:

বৈদ্যুতিক প্রবাহ:

I = Q/t

আমি = 60/300

I = ০.২ কুলম্ব/সেকেন্ড

I = ২.৪ অ্যাম্পিয়ার

৩. এসআই পদ্ধতিতে তড়িৎ প্রবাহের একক হলো…

সমাধান

কুলম্ব/সেকেন্ড

কুলম্ব/সেকেন্ডকে একটি বিশেষ নাম দেওয়া হয়েছে, অ্যাম্পিয়ার।