विद्युत प्रवाह

विद्युत प्रवाहाची व्याख्या

तांब्यासारख्या वाहकाच्या आत असे इलेक्ट्रॉन असतात जे उच्च वेगाने मुक्तपणे आणि यादृच्छिकपणे फिरतात, परंतु धातूतून बाहेर पडत नाहीत. जे इलेक्ट्रॉन मुक्तपणे फिरू शकतात त्यांना मुक्त इलेक्ट्रॉन म्हणतात. जरी इलेक्ट्रॉन सर्व दिशांना मुक्तपणे फिरत असले तरी, कोणत्याही विशिष्ट दिशेने इलेक्ट्रॉनचा निव्वळ प्रवाह नसतो. ही स्थिती तेव्हा उद्भवते जेव्हा तांब्याच्या तारेच्या दोन्ही टोकांमध्ये कोणताही विभवांतर नसतो.

जेव्हा तार विद्युत स्रोताला जोडली जाते, तेव्हा तांब्याच्या तारेच्या दोन्ही टोकांमध्ये विभवांतर निर्माण होते, ज्यामुळे तारेमध्ये विद्युत क्षेत्र तयार होते. विद्युत क्षेत्राच्या उपस्थितीमुळे मुक्त इलेक्ट्रॉन्सवर F = q E = e E हे विद्युत बल कार्य करते , जिथे F = विद्युत बल, e = इलेक्ट्रॉनचा प्रभार, E = विद्युत क्षेत्र . या विद्युत बलामुळे सर्व मुक्तपणे फिरणाऱ्या इलेक्ट्रॉन्सवर विद्युत बलाच्या दिशेनेच एक समान त्वरण कार्य करते.

हे मुक्त इलेक्ट्रॉन एकत्र फिरत असल्यामुळे, ते तांब्याच्या तारेतील स्थिर अणूंच्या मध्ये असतात, ज्यामुळे सर्व इलेक्ट्रॉन त्या अणूंशी टक्कर देतात. या टक्करांमुळे मुक्त इलेक्ट्रॉन त्यांच्या गतीची दिशा बदलतात. या सर्व इलेक्ट्रॉनवर सतत एक विद्युत बल कार्यरत असते, ज्यामुळे ते विद्युत बलाच्या दिशेनेच प्रवेगित होतात. क्षणभर फिरल्यानंतर, मुक्त इलेक्ट्रॉन पुन्हा तांब्याच्या तारेतील अणूंशी टक्कर देतात. तथापि, मुक्त इलेक्ट्रॉन नेहमीच विद्युत बलाच्या अधीन असतात, ज्यामुळे सर्व इलेक्ट्रॉन पुन्हा प्रवेगित होतात.

म्हणून, विविध दिशांमध्ये यादृच्छिकपणे फिरण्याव्यतिरिक्त, सर्व मुक्त इलेक्ट्रॉन विद्युत बलाच्या दिशेने आणि विद्युत क्षेत्राच्या विरुद्ध दिशेने हळूहळू एकत्र फिरतात. विद्युत क्षेत्राची दिशा उच्च विद्युत विभवाकडून कमी विद्युत विभवाकडे असते, तर इलेक्ट्रॉन कमी विभवाकडून उच्च विभवाकडे फिरतात. प्रत्येक मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या यादृच्छिक गतीचा वेग खूप जास्त असतो, तर विद्युत बलाच्या दिशेने होणाऱ्या मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या सामूहिक गतीचा वेग खूप कमी असतो. विद्युत बलाच्या दिशेने होणाऱ्या मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या या सामूहिक गतीला अपवहन वेग (ड्रिफ्ट वेलोसिटी) असेही म्हणतात.

विद्युत प्रवाह म्हणजे एका विशिष्ट कालावधीत वाहकाच्या आडव्या छेदातून होणारा विद्युत प्रभाराचा प्रवाह होय . प्रथेनुसार, विद्युत प्रवाहाची दिशा ही धन प्रभारांच्या गतीच्या दिशेसारखीच असते. वाहकामध्ये प्रत्यक्षात मुक्त, ऋण प्रभारित इलेक्ट्रॉन फिरतात हे ज्ञात होण्यापूर्वी हा करार झाला होता. वाहकामधील इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीची दिशा ही विद्युत प्रवाहाच्या दिशेच्या विरुद्ध असते. म्हणून, जेव्हा वाहकामधून वाहणाऱ्या प्रवाहाबद्दल चर्चा केली जाते, तेव्हा त्याचा अर्थ धन प्रभारांचा प्रवाह असा होतो, ज्याला पारंपरिक प्रवाह असेही म्हणतात कारण तो या कराराचा परिणाम आहे.

विद्युत प्रवाहाचे सूत्र

गणितीयदृष्ट्या, विद्युत प्रवाह खालील समीकरणाने व्यक्त केला जातो:
I = ΔQ / Δt
सूत्राचे वर्णन: I = विद्युत प्रवाह, ΔQ = विद्युत प्रभाराचे प्रमाण, Δt = कालावधी.

विद्युत प्रवाहाचे एकक

विद्युत प्रभाराचे एकक कूलॉम्ब आहे, वेळेचे एकक सेकंद आहे, म्हणून विद्युत प्रवाहाचे एकक कूलॉम्ब/सेकंद आहे. कूलॉम्ब/सेकंदला अँपिअर असेही म्हणतात , हे नाव फ्रेंच भौतिकशास्त्रज्ञ आंद्रे मारी अँपिअर (१७७५-१८३६) यांच्या नावावरून ठेवण्यात आले आहे. १ अँपिअर = १ कूलॉम्ब/सेकंद (१ A = १ C/s). दुसऱ्या शब्दांत, १ अँपिअरचा विद्युत प्रवाह म्हणजे १ सेकंदासाठी तारेच्या आडव्या छेदातून १ कूलॉम्ब विद्युत प्रभार जाणे. अँपिअरमध्ये व्यक्त करण्याव्यतिरिक्त, विद्युत प्रवाह मिलीअँपिअर (१ mA = १०⁻³ ^A ), मायक्रोअँपिअर (१ μA = १०⁻⁶ ^A ), नॅनोअँपिअर (१ nA = १०⁻⁹ ^A ) किंवा पिकोअँपिअर (१ pA = १०⁻¹² ^A ) मध्ये देखील व्यक्त केला जातो.

उदाहरण प्रश्न २:

एका तारेमधून 2 अँपिअरचा विद्युत प्रवाह 8 सेकंदांसाठी वाहतो. त्या बिंदूतून जाणाऱ्या विद्युत प्रभाराचे परिमाण आणि त्या प्रभारातील इलेक्ट्रॉनची संख्या निश्चित करा!
चर्चा
हे ज्ञात आहे की:
विद्युत प्रवाह (I) = २० अँपिअर
वेळेचे अंतर (t) = १० सेकंद
विचारले: प्रभार (Q) आणि इलेक्ट्रॉनची संख्या (e)
उत्तर :
विद्युत प्रवाहाचे सूत्र:
I = Q/t
सूत्राचे वर्णन: I = विद्युत प्रवाह, Q = विद्युत प्रभार, t = कालावधी
विद्युत शुल्क:
Q = I t = (2 अँपिअर)(8 सेकंद) = 16 कूलॉम्ब.

एका इलेक्ट्रॉनचा प्रभार 1,6 x 10 ^-19 कूलॉम्ब आहे, म्हणून 16 कूलॉम्ब प्रभारात 16 C / 1,6 x 10 ^-19 कूलॉम्ब = 10 x 10 ¹⁹ इलेक्ट्रॉन असतात.

विद्युत प्रवाह, अपवहन वेग आणि प्रवाह घनता

A छेद क्षेत्रफळ असलेल्या वाहकामध्ये, विद्युत क्षेत्र E च्या दिशेने v अपवहन वेगाने उजवीकडे सरकणाऱ्या एका धन प्रभाराचा विचार करा. हा धन प्रभार t या कालावधीत s = vt इतके अंतर पार करतो.

जर प्रति घनफळ प्रभारित कणांची संख्या (प्रभारित कण घनता) n असेल आणि वाहकाचे घनफळ A s = A vt असेल, तर वाहकाच्या घनफळातील प्रभारित कणांची संख्या n A v t असते. जर प्रत्येक प्रभारित कणावर q प्रभार असेल, तर t या कालावधीत वाहकाच्या टोकातून जाणाऱ्या प्रभाराचे प्रमाण Q = nq A v t असते. म्हणून वाहकाच्या टोकातून वाहणारा विद्युत प्रवाह I = Q/t = nq A v असतो. तर विद्युत प्रवाह घनता किंवा प्रति छेद क्षेत्रफळ A विद्युत प्रवाह J = I/A = nq v असतो. यावरून असा निष्कर्ष काढता येतो की, वाहकामधून वाहणारा विद्युत प्रवाह हा प्रभारित कणांची घनता (n), प्रत्येक कणाच्या प्रभाराचे परिमाण (q), वाहकाचे छेद क्षेत्रफळ (A) आणि प्रभारित कणांचा अपवहन वेग (v) यांच्या गुणाकाराचा परिणाम असतो.

प्रत्येक आवेशित कणाचा वेग आणि सर्व आवेशित कणांचा अपवहन वेग यांमधील फरक समजून घेण्यासाठी खालील उदाहरणाचा अभ्यास करा.

उदाहरण प्रश्न २:

3 x 10 चौरस मीटर छेद क्षेत्रफळ असलेल्या तांब्याच्या तारेतून 10 अँपिअरचा स्थिर विद्युत प्रवाह वाहतो.^-6 m²मुक्त इलेक्ट्रॉन घनता 8,4 x 10 आहे²⁸ इलेक्ट्रॉन/मी³मुक्त इलेक्ट्रॉनचा अपवहन वेग निश्चित करा!
चर्चा
हे ज्ञात आहे की:
विद्युत प्रवाह (I) = २० अँपिअर
तारेचे आडवे क्षेत्रफळ (A) = 3 x 10^-6 m²
मुक्त इलेक्ट्रॉन घनता (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
इलेक्ट्रॉनचा प्रभार (q) = 1,6 x 10^-19 C
विचारले: मुक्त इलेक्ट्रॉनचा अपवहन वेग (v)
उत्तर :
पूर्वी तयार केलेल्या सूत्राचा वापर करून इलेक्ट्रॉनचा वेग मोजला जातो:

वर्णन: I = विद्युत प्रवाह, n = प्रभारित कणांची घनता, q = मुक्त इलेक्ट्रॉनची घनता, q = एका इलेक्ट्रॉनचा प्रभार, A = वाहकाचे आडवे क्षेत्रफळ, v = इलेक्ट्रॉनचा अपवहन वेग

इलेक्ट्रॉनचा अपवहन वेग 0,248 x 10 ^-3 मीटर/सेकंद = 0,248 मिलिमीटर/सेकंद आहे.

तारेमध्ये मुक्त इलेक्ट्रॉन एकत्र ०.२४८ मिलिमीटर प्रति सेकंद या वेगाने फिरतात. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे झाल्यास, प्रत्येक सेकंदाला सर्व मुक्त इलेक्ट्रॉन ०.२४८ मिलिमीटर अंतर पार करतात. हा खूपच कमी वेग आहे. जर मुक्त इलेक्ट्रॉनची हालचाल इतकी मंद असेल, तर स्विच चालू केल्यावर विजेचा दिवा लगेच का लागतो?

हे समजून घेण्यासाठी, वाहकामधील इलेक्ट्रॉनच्या प्रवाहाची तुलना नळीतील पाण्याच्या प्रवाहाशी करा. जर नळी पाण्याने भरलेली असेल, तर तिचे एक टोक नळाला जोडल्यास, पाणी लगेच दुसऱ्या टोकातून बाहेर वाहू लागेल. त्याचप्रमाणे, तांब्याच्या तारेत आणि बल्बच्या तारेत मुक्त इलेक्ट्रॉन असतात. जेव्हा स्विच चालू केला जातो, तेव्हा प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळपासच्या वेगाने (प्रकाशाचा वेग = ३ x १०⁸ ^मीटर /सेकंद) एक विद्युत क्षेत्र निर्माण होते, ज्यामुळे मुक्त इलेक्ट्रॉन लगेच एकत्र फिरू लागतात. बल्बच्या तारेत आधीपासूनच मुक्त इलेक्ट्रॉन असल्यामुळे, बल्ब लगेच चालू होतो.