വൈദ്യുത പ്രവാഹം

വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ നിർവചനം

ചെമ്പ് പോലുള്ള ഒരു കണ്ടക്ടറിനുള്ളിൽ, ഉയർന്ന വേഗതയിൽ സ്വതന്ത്രമായും ക്രമരഹിതമായും ചലിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉണ്ട്, എന്നാൽ ലോഹത്തിൽ നിന്ന് രക്ഷപ്പെടുന്നില്ല. സ്വതന്ത്രമായി നീങ്ങാൻ കഴിയുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകൾ എല്ലാ ദിശകളിലേക്കും സ്വതന്ത്രമായി നീങ്ങുന്നുണ്ടെങ്കിലും, ഒരു പ്രത്യേക ദിശയിലും ഇലക്ട്രോണുകളുടെ നെറ്റ് ഫ്ലോ ഇല്ല. ചെമ്പ് വയറിന്റെ രണ്ട് അറ്റങ്ങൾക്കിടയിൽ പൊട്ടൻഷ്യൽ വ്യത്യാസം ഇല്ലാതിരിക്കുമ്പോഴാണ് ഈ അവസ്ഥ ഉണ്ടാകുന്നത്.

വയർ ഒരു വൈദ്യുത സ്രോതസ്സുമായി ബന്ധിപ്പിക്കുമ്പോൾ, ചെമ്പ് വയറിന്റെ രണ്ട് അറ്റങ്ങൾക്കിടയിൽ ഒരു പൊട്ടൻഷ്യൽ വ്യത്യാസം ഉണ്ടാകുന്നു, അങ്ങനെ ചെമ്പ് വയറിൽ ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലം സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്നു. ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിന്റെ സാന്നിധ്യം സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് ഒരു വൈദ്യുത ബലം അനുഭവപ്പെടാൻ കാരണമാകുന്നു F = q E = e E, ഇവിടെ F = വൈദ്യുത ബലം, e = ഇലക്ട്രോൺ ചാർജ്, E = വൈദ്യുത മണ്ഡലം . സ്വതന്ത്രമായി ചലിക്കുന്ന എല്ലാ ഇലക്ട്രോണുകൾക്കും വൈദ്യുത ബലത്തിന്റെ അതേ ദിശയിൽ ഒരു പൊതു ത്വരണം അനുഭവപ്പെടാൻ വൈദ്യുത ബലം കാരണമാകുന്നു.

ഈ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ, ഒരുമിച്ച് നീങ്ങുമ്പോൾ, ചെമ്പ് വയറിലെ നിശ്ചല ആറ്റങ്ങൾക്കിടയിൽ സ്ഥിതിചെയ്യുന്നു, ഇത് എല്ലാ ഇലക്ട്രോണുകളും ഈ ആറ്റങ്ങളുമായി കൂട്ടിയിടിക്കാൻ കാരണമാകുന്നു. ഈ കൂട്ടിയിടികൾ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലന ദിശ മാറ്റാൻ കാരണമാകുന്നു. ഈ ഇലക്ട്രോണുകളെല്ലാം നിരന്തരം ഒരു വൈദ്യുതശക്തിക്ക് വിധേയമാകുന്നു, ഇത് വൈദ്യുതശക്തിയുടെ അതേ ദിശയിൽ അവയെ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നു. ഒരു നിമിഷം നീങ്ങിയ ശേഷം, സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ വീണ്ടും ചെമ്പ് വയറിലെ ആറ്റങ്ങളുമായി കൂട്ടിയിടിക്കുന്നു. എന്നിരുന്നാലും, സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ എല്ലായ്പ്പോഴും ഒരു വൈദ്യുതശക്തിക്ക് വിധേയമാകുന്നു, ഇത് എല്ലാ ഇലക്ട്രോണുകളും വീണ്ടും ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നതിന് കാരണമാകുന്നു.

അതിനാൽ, ക്രമരഹിതമായി വിവിധ ദിശകളിലേക്ക് നീങ്ങുന്നതിനു പുറമേ, എല്ലാ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളും വൈദ്യുതബലത്തിന്റെ ദിശയിലും വൈദ്യുതക്ഷേത്രത്തിന്റെ എതിർ ദിശയിലും സാവധാനം ഒരുമിച്ച് നീങ്ങുന്നു. വൈദ്യുതക്ഷേത്രത്തിന്റെ ദിശ ഉയർന്ന വൈദ്യുത സാധ്യതയിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞ വൈദ്യുത സാധ്യതയിലേക്കാണ്, അതേസമയം ഇലക്ട്രോണുകൾ താഴ്ന്ന പൊട്ടൻഷ്യലിൽ നിന്ന് ഉയർന്ന പൊട്ടൻഷ്യലിലേക്ക് നീങ്ങുന്നു. ഓരോ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണിന്റെയും ക്രമരഹിത ചലനത്തിന് വളരെ വേഗതയുണ്ട്, അതേസമയം വൈദ്യുതശക്തിയുടെ ദിശയിലുള്ള സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ കൂട്ടായ ചലനത്തിന് വളരെ സാവധാന വേഗതയുണ്ട്. വൈദ്യുതശക്തിയുടെ ദിശയിലുള്ള സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഈ കൂട്ടായ ചലനത്തെ ഡ്രിഫ്റ്റ് പ്രവേഗം എന്നും വിളിക്കുന്നു.

ഒരു കണ്ടക്ടറിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷനിലൂടെ ഒരു നിശ്ചിത സമയ ഇടവേളയിൽ വൈദ്യുത ചാർജിന്റെ പ്രവാഹമാണ് വൈദ്യുത പ്രവാഹം എന്ന് നിർവചിച്ചിരിക്കുന്നത് . കൺവെൻഷൻ അനുസരിച്ച്, വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശ പോസിറ്റീവ് ചാർജുകളുടെ ചലന ദിശയ്ക്ക് തുല്യമാണ്. ഒരു കണ്ടക്ടറിൽ യഥാർത്ഥത്തിൽ ചലിക്കുന്നത് സ്വതന്ത്രവും നെഗറ്റീവ് ചാർജുള്ളതുമായ ഇലക്ട്രോണുകളാണെന്ന് അറിയുന്നതിന് മുമ്പാണ് ഈ കരാർ ഉണ്ടാക്കിയത്. ഒരു കണ്ടക്ടറിലെ ഇലക്ട്രോൺ ചലനത്തിന്റെ ദിശ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശയ്ക്ക് വിപരീതമാണ്. അതിനാൽ, ഒരു കണ്ടക്ടറിൽ ഒഴുകുന്ന വൈദ്യുതധാരയെക്കുറിച്ച് ചർച്ച ചെയ്യുമ്പോൾ, പോസിറ്റീവ് ചാർജുകളുടെ പ്രവാഹമാണ് ഉദ്ദേശിക്കുന്നത്, ഇത് പരമ്പരാഗത വൈദ്യുതധാര എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു, കാരണം ഇത് ഈ കരാറിന്റെ ഫലമാണ്.

വൈദ്യുത പ്രവാഹ സൂത്രവാക്യം

ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി, വൈദ്യുത പ്രവാഹം സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച് പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു:
I = ΔQ / Δt
ഫോർമുല വിവരണം: I = വൈദ്യുത പ്രവാഹം, ΔQ = വൈദ്യുത ചാർജിന്റെ അളവ്, Δt = സമയ ഇടവേള.

വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ യൂണിറ്റ്

വൈദ്യുത ചാർജിന്റെ യൂണിറ്റ് കൂലോംബ് ആണ്, സമയത്തിന്റെ യൂണിറ്റ് രണ്ടാമത്തേതാണ്, അതിനാൽ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ യൂണിറ്റ് കൂലോംബ്/സെക്കൻഡ് ആണ്. ഫ്രഞ്ച് ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ആൻഡ്രെ മേരി ആമ്പിയർ (1775-1836) ന്റെ പേരിലാണ് കൂലോംബ്/സെക്കൻഡ് ആമ്പിയർ എന്നും അറിയപ്പെടുന്നത് . 1 ആമ്പിയർ = 1 കൂലോംബ് / സെക്കൻഡ് (1 A = 1 C / s). മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, 1 ആമ്പിയർ എന്ന വൈദ്യുത പ്രവാഹം 1 സെക്കൻഡ് നേരത്തേക്ക് വയർ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയയിലൂടെ കടന്നുപോകുന്ന 1 കൂലോംബിന്റെ വൈദ്യുത ചാർജിന് തുല്യമാണ്. ആമ്പിയറുകളിൽ പ്രകടിപ്പിക്കുന്നതിനു പുറമേ, വൈദ്യുത പ്രവാഹം മില്ലിയാമ്പിയർ (1 mA = 10 ^-3 A), മൈക്രോആമ്പിയർ (1 μA = 10 ^-6 A), നാനോആമ്പിയർ (1 nA = 10 ^-9 A) അല്ലെങ്കിൽ പിക്കോആമ്പിയർ (1 pA = 10 ^-12 A) എന്നിവയിലും പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു.

ഉദാഹരണ ചോദ്യം 1:

ഒരു കമ്പിയിൽ 2 ആമ്പിയർ വൈദ്യുതി 8 സെക്കൻഡ് നേരത്തേക്ക് പ്രവഹിക്കുന്നു. ഒരു ബിന്ദുവിലൂടെ കടന്നുപോകുന്ന ചാർജിന്റെ വ്യാപ്തിയും ആ ചാർജിലുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണവും നിർണ്ണയിക്കുക!
ചർച്ച
ഇത് അറിയപ്പെടുന്നത്:
വൈദ്യുത പ്രവാഹം (I) = 1 ആമ്പിയർ
സമയ ഇടവേള (t) = 2 സെക്കൻഡ്
ചോദിച്ചു: ചാർജ് (Q) ഉം ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണവും (e)
ഉത്തരം :
വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ സൂത്രവാക്യം:
I = Q/t
ഫോർമുല വിവരണം: I = വൈദ്യുത പ്രവാഹം, Q = വൈദ്യുത ചാർജ്, t = സമയ ഇടവേള
വൈദ്യുത ചാർജ്:
Q = I t = (2 ആമ്പിയർ)(8 സെക്കൻഡ്) = 16 കൂലോംബുകൾ.

ഒരു ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചാർജ് 1,6 x 10 ^{-19 കൂലോംബുകളാണ്, അതിനാൽ 16 കൂലോംബുകളുടെ ചാർജിൽ 16 C / 1,6 x 10 -19} കൂലോംബുകൾ = 10 x 10 ¹⁹ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉള്ളത്രയും ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉണ്ടാകും.

വൈദ്യുത പ്രവാഹം, ഡ്രിഫ്റ്റ് പ്രവേഗം, വൈദ്യുത സാന്ദ്രത

ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയ A ഉള്ള ഒരു കണ്ടക്ടറിൽ, ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലം E യുടെ ദിശയിൽ ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗതയിൽ v എന്ന ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗതയിൽ വലത്തേക്ക് നീങ്ങുന്ന ഒരു പോസിറ്റീവ് ചാർജ് പരിഗണിക്കുക. t എന്ന സമയ ഇടവേളയിൽ പോസിറ്റീവ് ചാർജ് s = vt ദൂരം നീങ്ങുന്നു.

ഓരോ വോള്യത്തിനും ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ എണ്ണം (ചാർജ് ചെയ്ത കണിക സാന്ദ്രത) n ഉം കണ്ടക്ടറിന്റെ വ്യാപ്തം A s = A vt ഉം ആണെങ്കിൽ, കണ്ടക്ടറിന്റെ വ്യാപ്തത്തിലെ ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ എണ്ണം n A v t ഉം ആണ്. ഓരോ ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണത്തിനും q ന്റെ ചാർജ് ഉണ്ടെങ്കിൽ, t സമയ ഇടവേളയിൽ കണ്ടക്ടറിന്റെ അറ്റത്തുകൂടി കടന്നുപോകുന്ന ചാർജിന്റെ അളവ് Q = nq A v t ഉം ആണ്. അതിനാൽ കണ്ടക്ടറിന്റെ അറ്റത്തുകൂടി ഒഴുകുന്ന വൈദ്യുത പ്രവാഹം I = Q/t = nq A v ഉം ആണ്. ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയയിലെ വൈദ്യുത സാന്ദ്രത അല്ലെങ്കിൽ വൈദ്യുത പ്രവാഹം A J = I/A = nq v ഉം ആണ്. കണ്ടക്ടറിൽ ഒഴുകുന്ന വൈദ്യുത പ്രവാഹം ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ സാന്ദ്രത (n), ഓരോ കണികയുടെയും ചാർജിന്റെ വ്യാപ്തി (q), കണ്ടക്ടറിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയ (A) യും ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗതയും (v) ഗുണിച്ചതിന്റെ ഫലമാണെന്ന് നിഗമനം ചെയ്യാം.

ഓരോ ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണികയുടെയും വേഗതയും എല്ലാ ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണികകളുടെയും ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗതയും തമ്മിലുള്ള വ്യത്യാസം മനസ്സിലാക്കാൻ ഇനിപ്പറയുന്ന ഉദാഹരണ പ്രശ്നം പഠിക്കുക.

ഉദാഹരണ ചോദ്യം 2:

3 x 10 ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ വിസ്തീർണ്ണമുള്ള ഒരു ചെമ്പ് കമ്പിയിൽ 10 ആമ്പിയർ സ്ഥിരമായ വൈദ്യുതധാര ഒഴുകുന്നു.^-6 m²സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത 8,4 x 10 ആണ്.²⁸ ഇലക്ട്രോണുകൾ/മീ³സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗത നിർണ്ണയിക്കുക!
ചർച്ച
ഇത് അറിയപ്പെടുന്നത്:
വൈദ്യുത പ്രവാഹം (I) = 10 ആമ്പിയർ
വയറിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയ (A) = 3 x 10^-6 m²
സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
ഇലക്ട്രോൺ ചാർജ് (q) = 1,6 x 10^-19 C
ചോദിച്ചു: സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗത (v)
ഉത്തരം :
മുമ്പ് ഉരുത്തിരിഞ്ഞ സൂത്രവാക്യം ഉപയോഗിച്ചാണ് ഇലക്ട്രോണുകളുടെ വേഗത കണക്കാക്കുന്നത്:

വിവരണം: I = വൈദ്യുത പ്രവാഹം, n = ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ സാന്ദ്രത = സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ സാന്ദ്രത, q = ഒരു ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചാർജ്, A = കണ്ടക്ടറിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയ, v = ഇലക്ട്രോൺ ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗത

ഇലക്ട്രോൺ ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗത 0,248 x 10 ^-3 മീറ്റർ/സെക്കൻഡ് = 0,248 മില്ലിമീറ്റർ/സെക്കൻഡ് ആണ്.

സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരു വയറിൽ സെക്കൻഡിൽ 0,248 മില്ലിമീറ്റർ വേഗതയിൽ ഒരുമിച്ച് നീങ്ങുന്നു. മറ്റൊരു വിധത്തിൽ പറഞ്ഞാൽ, എല്ലാ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളും ഓരോ സെക്കൻഡിലും 0,248 മില്ലിമീറ്റർ നീങ്ങുന്നു. ഇത് വളരെ മന്ദഗതിയിലുള്ള വേഗതയാണ്. സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലനം വളരെ മന്ദഗതിയിലാണെങ്കിൽ, സ്വിച്ച് ഓൺ ചെയ്ത ഉടൻ ഒരു വൈദ്യുത വിളക്ക് എന്തിനാണ് തെളിയുന്നത്?

ഇത് മനസ്സിലാക്കാൻ, ഒരു കണ്ടക്ടറിലെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ഒഴുക്കിനെ ഒരു ഹോസിലെ ജലപ്രവാഹമായി പരിഗണിക്കുക. ഹോസിൽ വെള്ളം നിറഞ്ഞിട്ടുണ്ടെങ്കിൽ, ഹോസിന്റെ ഒരു അറ്റം ഒരു ടാപ്പുമായി ബന്ധിപ്പിച്ചിട്ടുണ്ടെങ്കിൽ, മറ്റേ അറ്റത്ത് നിന്ന് വെള്ളം ഉടൻ പുറത്തേക്ക് ഒഴുകും. അതുപോലെ, ചെമ്പ് വയറിലും ലൈറ്റ് ബൾബ് വയറിലും സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉണ്ട്. സ്വിച്ച് ഓണാക്കുമ്പോൾ, പ്രകാശവേഗതയോട് അടുക്കുന്ന വേഗതയിൽ ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലം സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്നു (പ്രകാശവേഗത = 3 x 108 ^{മീറ്റർ} / സെക്കൻഡ്), ഇത് സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉടനടി ഒരുമിച്ച് നീങ്ങാൻ തുടങ്ങുന്നു. ലൈറ്റ് ബൾബ് വയറിൽ ഇതിനകം സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉണ്ട്, അതിനാൽ ലൈറ്റ് ബൾബ് ഉടൻ തന്നെ ഓണാകും.