વિદ્યુત પ્રવાહ

વિદ્યુત પ્રવાહની વ્યાખ્યા

તાંબા જેવા વાહકની અંદર, એવા ઇલેક્ટ્રોન હોય છે જે મુક્તપણે અને અવ્યવસ્થિત રીતે ઊંચી ઝડપે ફરે છે પરંતુ ધાતુથી છટકી શકતા નથી. જે ​​ઇલેક્ટ્રોન મુક્તપણે ફરે છે તેમને મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન કહેવામાં આવે છે. જોકે ઇલેક્ટ્રોન બધી દિશામાં મુક્તપણે ફરે છે, કોઈ ચોક્કસ દિશામાં ઇલેક્ટ્રોનનો ચોખ્ખો પ્રવાહ નથી. આ સ્થિતિ ત્યારે થાય છે જ્યારે તાંબાના વાયરના બે છેડા વચ્ચે કોઈ સંભવિત તફાવત ન હોય.

જ્યારે વાયરને ઇલેક્ટ્રિક સ્ત્રોત સાથે જોડવામાં આવે છે, ત્યારે કોપર વાયરના બે છેડા વચ્ચે સંભવિત તફાવત ઉદ્ભવે છે, આમ કોપર વાયરમાં ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર બનાવે છે. ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્રની હાજરી મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનને ઇલેક્ટ્રિક બળ F = q E = e E અનુભવ કરાવે છે , જ્યાં F = ઇલેક્ટ્રિક બળ, e = ઇલેક્ટ્રોન ચાર્જ, E = ઇલેક્ટ્રિક ક્ષેત્ર . ઇલેક્ટ્રિક બળ બધા મુક્તપણે ફરતા ઇલેક્ટ્રોનને ઇલેક્ટ્રિક બળની દિશામાં સમાન પ્રવેગ અનુભવ કરાવે છે.

આ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન, એકસાથે ગતિ કરતા, તાંબાના વાયરમાં સ્થિર પરમાણુઓ વચ્ચે સ્થિત હોય છે, જેના કારણે બધા ઇલેક્ટ્રોન આ પરમાણુઓ સાથે અથડાય છે. આ અથડામણોને કારણે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન તેમની ગતિની દિશા બદલી નાખે છે. આ બધા ઇલેક્ટ્રોન સતત વિદ્યુત બળના આધીન હોય છે, જેના કારણે તેઓ વિદ્યુત બળની દિશામાં જ વેગ મેળવે છે. થોડીવાર માટે આગળ વધ્યા પછી, મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ફરીથી તાંબાના વાયરમાં રહેલા પરમાણુઓ સાથે અથડાય છે. જો કે, મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન હંમેશા વિદ્યુત બળના આધીન હોય છે, જેના કારણે બધા ઇલેક્ટ્રોન ફરીથી વેગ મેળવે છે.

તેથી, વિવિધ દિશામાં અવ્યવસ્થિત રીતે ફરવા ઉપરાંત, બધા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન વિદ્યુત બળની દિશામાં અને વિદ્યુત ક્ષેત્રની વિરુદ્ધ દિશામાં ધીમે ધીમે એકસાથે આગળ વધે છે. વિદ્યુત ક્ષેત્રની દિશા ઉચ્ચ વિદ્યુત સંભવિતતાથી ઓછી વિદ્યુત સંભવિતતા તરફ હોય છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન ઓછી સંભવિતતાથી ઉચ્ચ સંભવિતતા તરફ આગળ વધે છે. દરેક મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની રેન્ડમ ગતિ ખૂબ જ ઝડપી ગતિ ધરાવે છે, જ્યારે વિદ્યુત બળની દિશામાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની સામૂહિક ગતિ ખૂબ જ ધીમી ગતિ ધરાવે છે. વિદ્યુત બળની દિશામાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની આ સામૂહિક ગતિને ડ્રિફ્ટ વેગ પણ કહેવામાં આવે છે.

વિદ્યુત પ્રવાહને ચોક્કસ સમય અંતરાલમાં વાહકના ક્રોસ-સેક્શન દ્વારા વિદ્યુત ચાર્જના પ્રવાહ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે . પરંપરા મુજબ, વિદ્યુત પ્રવાહની દિશા ધન ચાર્જની ગતિની દિશા જેવી જ છે. આ કરાર એ જાણીતી હતી કે વાહકમાં ખરેખર જે ગતિ કરે છે તે મુક્ત, નકારાત્મક ચાર્જવાળા ઇલેક્ટ્રોન છે તે પહેલાં કરવામાં આવ્યો હતો. વાહકમાં ઇલેક્ટ્રોનની ગતિની દિશા વિદ્યુત પ્રવાહની દિશાની વિરુદ્ધ છે. તેથી, વાહકમાં વહેતા પ્રવાહની ચર્ચા કરતી વખતે, તેનો અર્થ ધન ચાર્જનો પ્રવાહ છે, જેને પરંપરાગત પ્રવાહ તરીકે પણ ઓળખવામાં આવે છે કારણ કે તે આ કરારનું પરિણામ છે.

વિદ્યુત પ્રવાહ સૂત્ર

ગાણિતિક રીતે, વિદ્યુત પ્રવાહ સમીકરણ દ્વારા વ્યક્ત થાય છે:
હું = ΔQ / Δt
સૂત્ર વર્ણન: I = વિદ્યુત પ્રવાહ, ΔQ = વિદ્યુત ચાર્જનું પ્રમાણ, Δt = સમય અંતરાલ.

વિદ્યુત પ્રવાહનો એકમ

ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જનું એકમ કુલોમ્બ છે, સમયનો એકમ સેકન્ડ છે, તેથી ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહનું એકમ કુલોમ્બ/સેકન્ડ છે. કુલોમ્બ/સેકન્ડને એમ્પીયર પણ કહેવામાં આવે છે , જેનું નામ ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી, આન્દ્રે મેરી એમ્પીયર (૧૭૭૫-૧૮૩૬) ના નામ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે. ૧ એમ્પીયર = ૧ કુલોમ્બ/સેકન્ડ (૧ એ = ૧ સી/સેકન્ડ). બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, ૧ એમ્પીયરનો ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ વાયરના ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તારમાંથી ૧ સેકન્ડ માટે પસાર થતા ૧ કુલોમ્બના ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ જેટલો છે. એમ્પીયરમાં વ્યક્ત થવા ઉપરાંત, ઇલેક્ટ્રિક પ્રવાહ મિલિએમ્પીયર (૧ એમએ = ૧૦ ^-૩ એ), માઇક્રોએમ્પીયર (૧ μA = ૧૦ ^-૬ એ), નેનોએમ્પીયર (૧ એનએ = ૧૦ ^-૯ એ) અથવા પિકોએમ્પીયર (૧ પીએ = ૧૦ ^-૧૨ એ) માં પણ વ્યક્ત થાય છે.

ઉદાહરણ પ્રશ્ન ૨:

એક વાયરમાંથી 8 સેકન્ડ માટે 2 એમ્પીયરનો પ્રવાહ વહે છે. બિંદુમાંથી પસાર થતા ચાર્જનું મૂલ્ય અને તે ચાર્જમાં ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા નક્કી કરો!
ચર્ચા
તે જાણીતું છે કે:
વિદ્યુત પ્રવાહ (I) = 1 એમ્પીયર
સમય અંતરાલ (t) = 2 સેકન્ડ
પૂછ્યું: ચાર્જ (Q) અને ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા (e)
જવાબ :
વિદ્યુત પ્રવાહ સૂત્ર:
હું = ક્યૂ/ટી
સૂત્ર વર્ણન: I = વિદ્યુત પ્રવાહ, Q = વિદ્યુત ચાર્જ, t = સમય અંતરાલ
ઇલેક્ટ્રિક ચાર્જ:
Q = I t = (2 એમ્પીયર)(8 સેકન્ડ) = 16 કુલોમ્બ.

એક ઇલેક્ટ્રોનનો ચાર્જ 1,6 x 10 ^{-19 કુલોમ્બ છે તેથી 16 કુલોમ્બના ચાર્જમાં 16 C / 1,6 x 10 -19} કુલોમ્બ = 10 x 10 ¹⁹ ઇલેક્ટ્રોન જેટલા ઇલેક્ટ્રોન હોય છે.

વિદ્યુત પ્રવાહ, પ્રવાહ વેગ અને પ્રવાહ ઘનતા

ક્રોસ-સેક્શનલ એરિયા A ધરાવતા વાહકમાં ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ E ની દિશામાં ડ્રિફ્ટ સ્પીડ v સાથે જમણી તરફ ખસતા ધન ચાર્જને ધ્યાનમાં લો. ધન ચાર્જ t સમય અંતરાલ દરમિયાન s = vt અંતર ખસે છે.

જો દરેક વોલ્યુમ (ચાર્જ્ડ કણ ઘનતા) દીઠ ચાર્જ્ડ કણોની સંખ્યા n હોય અને વાહકનું કદ A s = A vt હોય, તો વાહકના જથ્થામાં ચાર્જ્ડ કણોની સંખ્યા n A v t હોય. જો દરેક ચાર્જ્ડ કણમાં q નો ચાર્જ હોય, તો સમય અંતરાલ t દરમિયાન વાહકના છેડામાંથી પસાર થતો ચાર્જ Q = nq A v t હોય. તેથી વાહકના છેડામાંથી વહેતો વિદ્યુત પ્રવાહ I = Q/t = nq A v છે. જ્યારે ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તાર A દીઠ વર્તમાન ઘનતા અથવા પ્રવાહ J = I/A = nq v છે. એવું નિષ્કર્ષ પર આવી શકે છે કે વાહકમાં વહેતો પ્રવાહ ચાર્જ્ડ કણોની ઘનતા (n), દરેક કણના ચાર્જનું મૂલ્ય (q), વાહકના ક્રોસ-સેક્શનલ ક્ષેત્ર (A) અને ચાર્જ્ડ કણોની ડ્રિફ્ટ ગતિ (v) ના ગુણાકારનું પરિણામ છે.

દરેક ચાર્જ્ડ કણની ગતિ અને બધા ચાર્જ્ડ કણોની ડ્રિફ્ટ ગતિ વચ્ચેનો તફાવત સમજવા માટે નીચેના ઉદાહરણ સમસ્યાનો અભ્યાસ કરો.

ઉદાહરણ પ્રશ્ન ૨:

3 x 10 ના ક્રોસ-સેક્શનલ ક્ષેત્રફળવાળા તાંબાના વાયરમાં 10 એમ્પીયરનો સતત પ્રવાહ વહે છે.^-6 m². મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા 8,4 x 10 છે²⁸ ઇલેક્ટ્રોન/મી³મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની ડ્રિફ્ટ ગતિ નક્કી કરો!
ચર્ચા
તે જાણીતું છે કે:
વિદ્યુત પ્રવાહ (I) = 10 એમ્પીયર
વાયર ક્રોસ-સેક્શનલ એરિયા (A) = 3 x 10^-6 m²
મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ઘનતા (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
ઇલેક્ટ્રોન ચાર્જ (q) = 1,6 x 10^-19 C
પૂછ્યું: મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન ડ્રિફ્ટ ગતિ (v)
જવાબ :
ઇલેક્ટ્રોનની ગતિની ગણતરી અગાઉના સૂત્રનો ઉપયોગ કરીને કરવામાં આવે છે:

વર્ણન: I = વિદ્યુત પ્રવાહ, n = ચાર્જ થયેલા કણોની ઘનતા = મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની ઘનતા, q = એક ઇલેક્ટ્રોનનો ચાર્જ, A = વાહકનો ક્રોસ-સેક્શનલ વિસ્તાર, v = ઇલેક્ટ્રોન ડ્રિફ્ટ ગતિ

ઇલેક્ટ્રોન ડ્રિફ્ટ ઝડપ 0,248 x 10 ^-3 મીટર/સેકન્ડ = 0,248 મિલીમીટર/સેકન્ડ છે.

મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન એક વાયરમાં 0,248 મિલીમીટર પ્રતિ સેકન્ડની ઝડપે એકસાથે ફરે છે. બીજા શબ્દોમાં કહીએ તો, દરેક સેકન્ડે બધા મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન 0,248 મિલીમીટરની ઝડપે ફરે છે. આ ખૂબ જ ધીમી ગતિ છે. જો મુક્ત ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ આટલી ધીમી હોય, તો સ્વીચ ચાલુ કર્યા પછી તરત જ ઇલેક્ટ્રિક લાઇટ કેમ ચાલુ થાય છે?

આ સમજવા માટે, વાહકમાં ઇલેક્ટ્રોનના પ્રવાહને નળીમાં પાણીના પ્રવાહ જેટલો ગણો. જો નળી પાણીથી ભરેલી હોય, તો જો નળીનો એક છેડો નળ સાથે જોડાયેલ હોય, તો તરત જ બીજા છેડામાંથી પાણી બહાર નીકળી જશે. તેવી જ રીતે, તાંબાના વાયર અને લાઇટ બલ્બ વાયરમાં મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન હોય છે. જ્યારે સ્વીચ ચાલુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પ્રકાશની ગતિ (પ્રકાશની ગતિ = 3 x 108 ^મીટર / સેકન્ડ) જેટલી ગતિ સાથે વિદ્યુત ક્ષેત્ર ઉત્પન્ન થાય છે, જેના કારણે મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન તરત જ એકસાથે ફરવાનું શરૂ કરે છે. લાઇટ બલ્બ વાયરમાં પહેલાથી જ મુક્ત ઇલેક્ટ્રોન હોય છે, તેથી લાઇટ બલ્બ તરત જ ચાલુ થાય છે.