ഇലക്ട്രിക് കറന്റ്

വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ നിർവചനം

ചെമ്പ് പോലുള്ള ഒരു കണ്ടക്ടറിൽ, ഉയർന്ന വേഗതയിൽ സ്വതന്ത്രമായി ക്രമരഹിതമായി ചലിക്കുന്ന ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉണ്ട്, എന്നാൽ ലോഹത്തിൽ നിന്ന് രക്ഷപ്പെടുന്നില്ല. സ്വതന്ത്രമായി നീങ്ങാൻ കഴിയുന്ന ഇലക്ട്രോണുകളെ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ എന്ന് വിളിക്കുന്നു. ഇലക്ട്രോണുകൾ എല്ലാ ദിശകളിലേക്കും സ്വതന്ത്രമായി നീങ്ങുന്നുണ്ടെങ്കിലും, ഒരു പ്രത്യേക ദിശയിൽ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ മൊത്തം പ്രവാഹം 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 വയറിനുള്ളിൽ ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലം ദൃശ്യമാകുന്നു. ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിന്റെ നിലനിൽപ്പ് സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾക്ക് F = q E = e E എന്ന വൈദ്യുത ബലം അനുഭവപ്പെടാൻ കാരണമാകുന്നു, ഇവിടെ F = വൈദ്യുത ബലം , e = ഇലക്ട്രോൺ ചാർജ്, E = വൈദ്യുത മണ്ഡലം . സ്വതന്ത്രമായി ചലിക്കുന്ന എല്ലാ ഇലക്ട്രോണുകളും ഒരുമിച്ച് ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നതിന് ഈ വൈദ്യുത ബലം കാരണമാകുന്നു, ഇത് വൈദ്യുത ബലത്തിന്റെ അതേ ദിശയാണ്.

ചെമ്പ് വയറിൽ അവശേഷിക്കുന്ന ആറ്റങ്ങൾക്കിടയിലാണ് ഒരുമിച്ച് ചലിക്കുന്ന സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ, അതിനാൽ എല്ലാ ഇലക്ട്രോണുകളും ആറ്റങ്ങളുമായി കൂട്ടിയിടിക്കുന്നു. കൂട്ടിയിടി സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ദിശ മാറാൻ കാരണമാകുന്നു. ഈ ഇലക്ട്രോണുകളെല്ലാം എല്ലായ്പ്പോഴും ഒരു വൈദ്യുതബലം അനുഭവിക്കുന്നു, അങ്ങനെ എല്ലാ ഇലക്ട്രോണുകളും വൈദ്യുതബലത്തിന്റെ ദിശയുടെ അതേ ദിശയിൽ ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നു. ഒരു നിമിഷം നീങ്ങിയ ശേഷം, സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ചെമ്പ് വയറിലെ ആറ്റങ്ങളുമായി കൂട്ടിയിടിക്കുന്നു. എന്നാൽ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ എല്ലായ്പ്പോഴും ഒരു വൈദ്യുതബലം അനുഭവിക്കുന്നു, അങ്ങനെ എല്ലാ ഇലക്ട്രോണുകളും വീണ്ടും ത്വരിതപ്പെടുത്തുന്നു. അതിനാൽ വിവിധ ദിശകളിലേക്ക് ക്രമരഹിതമായി നീങ്ങുന്നതിനു പുറമേ, എല്ലാ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളും വൈദ്യുതബലത്തിന്റെ ദിശയിലും വൈദ്യുതക്ഷേത്രത്തിന് വിപരീത ദിശയിലും സാവധാനം ഒരുമിച്ച് നീങ്ങുന്നു. വൈദ്യുത മണ്ഡലത്തിന്റെ ദിശ ഉയർന്ന വൈദ്യുത സാധ്യതയിൽ നിന്ന് കുറഞ്ഞ വൈദ്യുത സാധ്യതയിലേക്കാണ്, അതേസമയം ഇലക്ട്രോണുകൾ താഴ്ന്ന പൊട്ടൻഷ്യലിൽ നിന്ന് ഉയർന്ന പൊട്ടൻഷ്യലിലേക്ക് നീങ്ങുന്നു. ഓരോ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണിന്റെയും ക്രമരഹിത ചലനത്തിന് വളരെ വേഗതയുണ്ട്, അതേസമയം വൈദ്യുത ബലത്തിന്റെ ദിശയിൽ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുള്ള ചലനത്തിന് വളരെ സാവധാനമുണ്ട്. വൈദ്യുത ബലത്തിന്റെ ദിശയിൽ സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുള്ള ഈ ചലനത്തെ ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗത എന്നും വിളിക്കുന്നു.

ഒരു നിശ്ചിത സമയ ഇടവേളയിൽ ഒരു കണ്ടക്ടറിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷനിലൂടെ വൈദ്യുത ചാർജിന്റെ പ്രവാഹമാണ് വൈദ്യുത പ്രവാഹം എന്ന് നിർവചിച്ചിരിക്കുന്നത്. കരാറിന് അനുസൃതമായി, വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശ പോസിറ്റീവ് ചാർജിന്റെ ദിശയ്ക്ക് തുല്യമാണ്. ഒരു കണ്ടക്ടറിൽ യഥാർത്ഥത്തിൽ ചലിക്കുന്നത് നെഗറ്റീവ് ചാർജ്ജ് ചെയ്ത സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളാണെന്ന് അറിയുന്നതിന് മുമ്പാണ് ഈ കരാർ ഉണ്ടാക്കിയത്. കണ്ടക്ടറിലെ ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലനത്തിന്റെ ദിശ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ ദിശയ്ക്ക് വിപരീതമാണ്. അതിനാൽ കണ്ടക്ടറിൽ ഒഴുകുന്ന വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തെക്കുറിച്ച് നമ്മൾ ചർച്ച ചെയ്യുകയാണെങ്കിൽ, പോസിറ്റീവ് ചാർജിന്റെ പ്രവാഹമാണ് അർത്ഥമാക്കുന്നത്, ഇതിനെ പരമ്പരാഗത വൈദ്യുത പ്രവാഹം എന്നും വിളിക്കുന്നു, കാരണം ഇത് ഒരു കരാറിന്റെ ഫലമാണ്.

വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ സമവാക്യം

ഗണിതശാസ്ത്രപരമായി, വൈദ്യുത പ്രവാഹം സമവാക്യം ഉപയോഗിച്ച് പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു:

I = Δ Q / Δt

I = വൈദ്യുത പ്രവാഹം, ΔQ = വൈദ്യുത ചാർജിന്റെ അളവ്, Δt = സമയ ഇടവേള.

വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ യൂണിറ്റ്

വൈദ്യുത ചാർജിന്റെ യൂണിറ്റ് കൂലോംബ് ആണ്, സമയത്തിന്റെ യൂണിറ്റ് സെക്കന്റ് ആണ്, അതിനാൽ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ യൂണിറ്റ് കൂലോംബ്/സെക്കൻഡ് ആണ്. ഫ്രഞ്ച് ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ആൻഡ്രെ മേരി ആമ്പിയർ (1775-1836) ന്റെ പേരായ കൂലോംബ്/സെക്കൻഡ് ആമ്പിയർ എന്നും അറിയപ്പെടുന്നു. 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 പ്രവാഹങ്ങൾ മില്ലിയാമ്പിയറുകളിലും (1 mA = 10 ^-3 A), മൈക്രോആമ്പിയറുകളിലും (1 μA = 10 ^-6 A), നാനോ ആമ്പിയറുകളിലും (1 nA = 10-9 A) അല്ലെങ്കിൽ പിക്കോആമ്പിയറുകളിലും (1 pA = 10 ^-12 A) പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു.

സാമ്പിൾ പ്രശ്നം 1:

വയറിലൂടെ 2 ആമ്പിയർ കറന്റ് 8 സെക്കൻഡ് നേരത്തേക്ക് പ്രവഹിക്കുന്നു. ഒരു ബിന്ദുവിലൂടെ കടന്നുപോകുന്ന ചാർജിന്റെ അളവും ആ ചാർജിലുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണവും നിർണ്ണയിക്കുക!

അറിയപ്പെടുന്നത്:

വൈദ്യുത പ്രവാഹം (I) = 1 ആമ്പിയർ

സമയ ഇടവേള (t) = 2 സെക്കൻഡ്

ആവശ്യമുള്ളത്: ചാർജ് (Q), ഇലക്ട്രോണുകളുടെ എണ്ണം (e)

പരിഹാരം:

വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ സമവാക്യം:

I = Q/t

I = വൈദ്യുത പ്രവാഹം, Q = വൈദ്യുത ചാർജ്, t = സമയ ഇടവേള

വൈദ്യുത ചാർജ്:

Q = I t = (2 ആമ്പിയർ)(8 സെക്കൻഡ്) = 16 സി.

ഒരു ഇലക്ട്രോണിന്റെ ചാർജ് 1.6 x 10 ^{-19 കൂലോംബ് ആണ്, അതിനാൽ 16 കൂലോംബുകളുടെ ചാർജിൽ 16 C / 1.6 x 10 -19} കൂലോംബ് = 10 x 10 ¹⁹ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉള്ളത്രയും ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉണ്ട്.

വൈദ്യുത പ്രവാഹം, ഡ്രിഫ്റ്റ് വേഗത, വൈദ്യുത സാന്ദ്രത

വൈദ്യുത മണ്ഡലം E യുടെ ദിശയിൽ v ചലിച്ചുകൊണ്ട് വലത്തേക്ക് വേഗത്തിൽ ചലിക്കുന്ന പോസിറ്റീവ് ചാർജ് പരിശോധിക്കുക.

A എന്ന ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയയുള്ള ഒരു കണ്ടക്ടറിൽ. t എന്ന സമയ ഇടവേളയിൽ പോസിറ്റീവ് ചാർജ് s = vt വരെ നീങ്ങുന്നു.

ഓരോ വ്യാപ്തത്തിലും ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ എണ്ണം (ചാർജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ സാന്ദ്രത) n ഉം ചാലകത്തിന്റെ വ്യാപ്തം A s = A vt ഉം ആണെങ്കിൽ,

അപ്പോൾ ചാലകത്തിന്റെ വ്യാപ്തത്തിലുള്ള ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ എണ്ണം n A v t ആണ്. ഓരോ ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണത്തിനും q ന്റെ ചാർജ് ഉണ്ടെങ്കിൽ, t ഇടവേളയിൽ ചാലകത്തിന്റെ അറ്റത്തുകൂടി കടന്നുപോകുന്ന ചാർജിന്റെ അളവ് Q = nq A v t ആണ്. അതിനാൽ, ചാലകത്തിന്റെ അഗ്രത്തിലൂടെ ഒഴുകുന്ന വൈദ്യുത പ്രവാഹം I = Q / t = nq A v ആണ്. അതേസമയം, ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയ A യിലെ വൈദ്യുത സാന്ദ്രത അല്ലെങ്കിൽ വൈദ്യുത പ്രവാഹം J = I / A = nq v ആണ്.

ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ (n) സാന്ദ്രതയുടെ ഗുണനഫലമാണ് ചാലകത്തിൽ ഒഴുകുന്ന വൈദ്യുതധാരയെന്ന് നിഗമനം ചെയ്യാം,

ഓരോ കണികയ്ക്കും (q) ചാർജിന്റെ അളവ്, കണ്ടക്ടറിന്റെ വിസ്തീർണ്ണം (A), ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ വേഗത (v).

താഴെ കൊടുത്തിരിക്കുന്ന ഉദാഹരണ ചോദ്യങ്ങൾ പഠിക്കുക.

സാമ്പിൾ പ്രശ്നം 2:

^{3 x 10 -6} മീ ² ക്രോസ്-സെക്ഷൻ വിസ്തീർണ്ണമുള്ള ഒരു ചെമ്പ് കമ്പിയിൽ 10 ആമ്പിയർ സ്ഥിരമായ വൈദ്യുതധാര ഒഴുകുന്നു . സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത 8.4 x 10 ²⁸ ഇലക്ട്രോണുകൾ/മീ ³ ആണ് . സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ ഡ്രിഫ്റ്റിന്റെ വേഗത നിർണ്ണയിക്കുക!

അറിയപ്പെടുന്നത്:

വൈദ്യുത പ്രവാഹം (I) = 10 ആമ്പിയർ

വയർ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയ (A) = 3 x 10 ^-6 മീ ²

സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത (n) = 8.4 x 10 ²⁸ മീ ^-3

ഇലക്ട്രോൺ ചാർജ് (q) = 1.6 x 10 ^-19 സി

ആവശ്യമുണ്ട്: സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോൺ ഡ്രിഫ്റ്റിന്റെ വേഗത (v)

പരിഹാരം:

ഇലക്ട്രോണുകളുടെ വേഗത കണക്കാക്കുന്നത് മുമ്പ് ഉരുത്തിരിഞ്ഞ ഒരു ഫോർമുല ഉപയോഗിച്ചാണ്:

I = വൈദ്യുത പ്രവാഹം, n = ചാർജ്ജ് ചെയ്ത കണങ്ങളുടെ സാന്ദ്രത = ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത, q = ഒരു ഇലക്ട്രോൺ ചാർജ്, A = കണ്ടക്ടറിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷണൽ ഏരിയ, v = ഇലക്ട്രോൺ ഡ്രിഫ്റ്റിന്റെ പ്രവേഗം

ഇലക്ട്രോൺ ഡ്രിഫ്റ്റിന്റെ 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, ഓരോ സെക്കൻഡിലും എല്ലാ ഫ്രീ-ഇലക്ട്രോണുകളും 0.248 മില്ലിമീറ്റർ വരെ നീങ്ങുന്നു. ഇത് വളരെ മന്ദഗതിയിലുള്ള വേഗതയാണ്. സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകളുടെ ചലനം വളരെ മന്ദഗതിയിലാണെങ്കിൽ, സ്വിച്ച് ഓൺ ചെയ്ത ഉടൻ തന്നെ വൈദ്യുത വിളക്ക് തെളിയുന്നത് എന്തുകൊണ്ട്?

ഇത് മനസ്സിലാക്കാൻ, ഹോസിനുള്ളിലെ ജലപ്രവാഹം പോലെ കണ്ടക്ടറിൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒഴുകുന്നു. ഹോസിൽ വെള്ളം നിറഞ്ഞിട്ടുണ്ടെങ്കിൽ, ഹോസിന്റെ ഒരു അറ്റം ടാപ്പുമായി ബന്ധിപ്പിച്ചിട്ടുണ്ടെങ്കിൽ, വെള്ളം ഉടൻ തന്നെ മറ്റേ ഹോസിന്റെ ഒരു അറ്റത്ത് നിന്ന് പുറത്തേക്ക് ഒഴുകുന്നു. അതുപോലെ, ചെമ്പ് വയറിലും ലൈറ്റ് ബൾബ് വയറിലും സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉണ്ട്. സ്വിച്ച് ഓണാക്കുമ്പോൾ, പ്രകാശവേഗതയോട് അടുക്കുന്ന വേഗതയിൽ ഒരു വൈദ്യുത മണ്ഡലം ഉണ്ടാകുന്നു (പ്രകാശവേഗത = 3 x 10 ⁸ മീറ്റർ/സെക്കൻഡ്), ഇത് ആ നിമിഷം സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഒരുമിച്ച് നീങ്ങാൻ കാരണമാകുന്നു. ലൈറ്റ് ബൾബ് വയറിൽ ഇതിനകം സ്വതന്ത്ര ഇലക്ട്രോണുകൾ ഉള്ളതിനാൽ ആ നിമിഷം തന്നെ പ്രകാശം തെളിയും.

പ്രശ്നങ്ങളും പരിഹാരങ്ങളും

1. ഒരു വയറിൽ 2 മിനിറ്റ് നേരത്തേക്ക് 10 A യുടെ സ്ഥിരമായ വൈദ്യുത പ്രവാഹം നിലനിൽക്കുന്നു. ഏത് സ്ഥലത്തും കണ്ടക്ടറിലൂടെ എത്ര ചാർജ് കടന്നുപോകുന്നു .

അറിയപ്പെടുന്നത്:

വൈദ്യുത പ്രവാഹം (I) = 10 എ

സമയ ഇടവേള (t) = 2 മിനിറ്റ് = 2 x 60 സെക്കൻഡ് = 120 സെക്കൻഡ്

ആവശ്യമുണ്ട്: ചാർജ് (Q)

പരിഹാരം:

വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ സമവാക്യം:

I = q/t

I = വൈദ്യുത പ്രവാഹം, q = വൈദ്യുത ചാർജ്, t = സമയ ഇടവേള

വൈദ്യുത ചാർജ്:

Q = I t = (10)(120) = 1200 സി

2. സർക്യൂട്ടിലെ ഒരു ബിന്ദുവിലൂടെ 60C ചാർജ് 5 മിനിറ്റ് കടന്നുപോകുന്നു. വൈദ്യുത പ്രവാഹം എന്താണ്?

അറിയപ്പെടുന്നത്:

സമയ ഇടവേള (t) = 5 മിനിറ്റ് = 5 x 60 സെക്കൻഡ് = 300 സെക്കൻഡ്

വൈദ്യുത ചാർജ് (Q) = 60 ഡിഗ്രി സെൽഷ്യസ്

ആവശ്യമുള്ളത് : വൈദ്യുത പ്രവാഹം (I)

പരിഹാരം:

വൈദ്യുത പ്രവാഹം:

I = Q/t

I = 60/300

I = 0.2 കൂലോംബ്സ്/സെക്കൻഡ്

I = 0.2 ആമ്പിയർ

3. SI സിസ്റ്റത്തിലെ വൈദ്യുത പ്രവാഹത്തിന്റെ യൂണിറ്റ്…

പരിഹാരം

കൂലോംബ്സ്/സെക്കൻഡ്

കൂലോംബുകൾ/സെക്കൻഡുകൾ, ആമ്പിയർ എന്ന പ്രത്യേക നാമം നൽകിയിരിക്കുന്നു.