विद्युतप्रवाह

विद्युत प्रवाहाची व्याख्या

तांब्यासारख्या वाहकामध्ये, इलेक्ट्रॉन्स असतात जे उच्च वेगाने मुक्तपणे यादृच्छिकपणे फिरतात, परंतु धातूमधून बाहेर पडत नाहीत. जे इलेक्ट्रॉन्स मुक्तपणे फिरू शकतात त्यांना मुक्त इलेक्ट्रॉन्स म्हणतात. जरी इलेक्ट्रॉन्स सर्व दिशांना मुक्तपणे फिरत असले तरी, कोणत्याही एका विशिष्ट दिशेने इलेक्ट्रॉन्सचा संपूर्ण 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 तारेच्या आत एक विद्युत क्षेत्र निर्माण होते. विद्युत क्षेत्राच्या अस्तित्वामुळे 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 मुक्तपणे फिरणारे सर्व इलेक्ट्रॉन्स एकत्रितपणे प्रवेगित होतात, आणि हा प्रवेग विद्युत बलाच्या दिशेप्रमाणेच असतो.

तांब्याच्या तारेत राहिलेल्या अणूंच्या मध्ये मुक्त इलेक्ट्रॉन एकत्र फिरतात, ज्यामुळे सर्व इलेक्ट्रॉन अणूंशी टक्कर देतात. या टक्करीमुळे मुक्त इलेक्ट्रॉनची दिशा बदलते. या सर्व इलेक्ट्रॉनवर नेहमीच एक विद्युत बल कार्यरत असते, ज्यामुळे सर्व इलेक्ट्रॉन विद्युत बलाच्या दिशेनेच प्रवेगित होतात. क्षणभर फिरल्यानंतर, मुक्त इलेक्ट्रॉन तांब्याच्या तारेतील अणूंशी टक्कर देतात. पण मुक्त इलेक्ट्रॉनवर नेहमीच एक विद्युत बल कार्यरत असते, ज्यामुळे सर्व इलेक्ट्रॉन पुन्हा प्रवेगित होतात. म्हणून, विविध दिशांमध्ये यादृच्छिकपणे फिरण्याव्यतिरिक्त, सर्व मुक्त इलेक्ट्रॉन विद्युत बलाच्या दिशेने आणि विद्युत क्षेत्राच्या विरुद्ध दिशेनेही 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 मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या गतीचा वेग खूप कमी असतो. विद्युत बलाच्या दिशेने मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या या गतीला अपवहन वेग (ड्रिफ्ट स्पीड) असेही म्हणतात.

विद्युत प्रवाह म्हणजे एका विशिष्ट कालावधीत वाहकाच्या आडव्या छेदातून होणारा विद्युत प्रभाराचा प्रवाह होय. या करारानुसार, विद्युत प्रवाहाची दिशा ही धन प्रभाराच्या दिशेसारखीच असते. वाहकामध्ये प्रत्यक्षात ऋण प्रभारित मुक्त इलेक्ट्रॉन फिरतात हे ज्ञात होण्यापूर्वी हा करार करण्यात आला होता. वाहकामधील इलेक्ट्रॉनच्या हालचालीची दिशा ही विद्युत प्रवाहाच्या दिशेच्या विरुद्ध असते. म्हणून, जर आपण वाहकामधून वाहणाऱ्या प्रवाहाबद्दल चर्चा केली, तर त्याचा अर्थ धन प्रभाराचा प्रवाह असा होतो, ज्याला पारंपरिक प्रवाह असेही म्हटले जाते कारण तो एका कराराचा परिणाम आहे.

विद्युत प्रवाहाचे समीकरण

गणितीयदृष्ट्या, विद्युत प्रवाह खालील समीकरणाने व्यक्त केला जातो:

I = Δ Q / Δt

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 सेकंदात तारेच्या आडव्या छेदातून जाणारा १ कूलॉम्ब विद्युत प्रभार होय. 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.

नमुना समस्या १:

तारेमधून 8 सेकंदांसाठी 2 अँपिअरचा विद्युत प्रवाह वाहतो. एका बिंदूतून जाणाऱ्या विद्युत प्रभाराचे प्रमाण आणि त्या प्रभारातील इलेक्ट्रॉनची संख्या निश्चित करा!

ज्ञात:

विद्युत प्रवाह (I) = ४ अँपिअर

वेळेचे अंतर (t) = १५ सेकंद

आवश्यक: प्रभार (Q) आणि इलेक्ट्रॉनची संख्या (e)

उपाय:

विद्युत प्रवाहाचे समीकरण:

I = Q/t

I = विद्युत प्रवाह, Q = विद्युत प्रभार, t = कालावधी

विद्युत शुल्क:

Q = I t = (2 अँपिअर)(8 सेकंद) = 16 C.

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 विद्युत प्रवाह घनता

विद्युत क्षेत्र E च्या दिशेने v वेगाने उजवीकडे सरकणाऱ्या धन प्रभाराचे पुनरावलोकन करा.

A छेद क्षेत्रफळ असलेल्या वाहकावर. धन प्रभार t वेळेच्या अंतरात s = vt इतके अंतर पार करतो.

जर प्रति घनफळ प्रभारित कणांची संख्या (प्रभारित कणांची घनता) n असेल आणि वाहकाचे घनफळ A s = A vt असेल,

तर वाहकाच्या घनफळातील प्रभारित कणांची संख्या n A v t आहे. जर प्रत्येक प्रभारित कणावर q प्रभार असेल, तर t या कालावधीत वाहकाच्या टोकातून जाणाऱ्या प्रभाराचे प्रमाण Q = nq A v t आहे. म्हणून, वाहकाच्या टोकातून वाहणारा विद्युत प्रवाह I = Q / t = nq A v आहे. तर विद्युत प्रवाह घनता किंवा प्रति छेद क्षेत्रफळ A विद्युत प्रवाह J = I / A = nq v आहे.

असा निष्कर्ष काढता येतो की, वाहकामधून वाहणारा विद्युत प्रवाह हा प्रभारित कणांच्या घनतेच्या (n) गुणाकाराचा परिणाम असतो.

प्रत्येक कणावरील प्रभाराचे प्रमाण (q), वाहकाचे क्षेत्रफळ (A) आणि प्रभारित कणांचा वेग (v).

खालील उदाहरणादाखल असलेल्या प्रश्नांचा अभ्यास करा.

नमुना समस्या १:

^{3 x 10⁻⁶} m² छेद क्षेत्रफळ असलेल्या तांब्याच्या तारेतून 10 अँपिअरचा स्थिर विद्युत प्रवाह वाहत आहे ^. मुक्त इलेक्ट्रॉनची घनता 8.4 x ^10²⁸ इलेक्ट्रॉन/m³ ^आहे . मुक्त इलेक्ट्रॉन अपवहनाचा वेग निश्चित करा!

ज्ञात:

विद्युत प्रवाह (I) = ४ अँपिअर

तारेचे आडवे क्षेत्रफळ (A) = 3 x 10 ^-6 m ²

मुक्त इलेक्ट्रॉन घनता (n) = 8.4 x 10 ²⁸ m ^-3

इलेक्ट्रॉनचा प्रभार (q) = 1.6 x 10 ^-19 C

अपेक्षित: मुक्त इलेक्ट्रॉन अपवहनाचा वेग (v)

उपाय:

इलेक्ट्रॉनचा वेग पूर्वीच तयार केलेल्या एका सूत्राचा वापर करून मोजला जातो:

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

इलेक्ट्रॉन ड्रिफ्टचा वेग 0.248 x 10 ^-3 मीटर/सेकंद = 0.248 मिलिमीटर/सेकंद आहे.

तारेमध्ये मुक्त इलेक्ट्रॉन प्रति सेकंद ०.२४८ मिलिमीटर वेगाने एकत्र फिरतात. दुसऱ्या शब्दांत सांगायचे झाल्यास, प्रत्येक सेकंदाला सर्व मुक्त इलेक्ट्रॉन ०.२४८ मिलिमीटर इतके 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, वाहकामध्ये इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह नळीतील पाण्याच्या प्रवाहासारखा असतो. जर नळी पाण्याने भरलेली असेल, तर तिचे एक टोक नळाला जोडल्यास, पाणी लगेच दुसऱ्या टोकातून बाहेर वाहू लागते. त्याचप्रमाणे, तांब्याच्या तारेत आणि बल्बच्या तारेत मुक्त इलेक्ट्रॉन असतात. जेव्हा स्विच चालू केला जातो, तेव्हा प्रकाशाच्या वेगाच्या जवळपास वेगाने (प्रकाशाचा वेग = ३ x १०⁸ ^मीटर /सेकंद) एक विद्युत क्षेत्र निर्माण होते, ज्यामुळे त्याच क्षणी मुक्त इलेक्ट्रॉन एकत्र फिरू लागतात. बल्बच्या तारेत आधीपासूनच मुक्त इलेक्ट्रॉन असल्यामुळे, त्याच क्षणी दिवा लागलेला असतो.

समस्या आणि निराकरणे

१. एका तारेमध्ये २ मिनिटांसाठी १० अँपिअरचा स्थिर विद्युत प्रवाह आहे. कोणत्याही ठिकाणी वाहकामधून किती विद्युत प्रभार जातो ?

ज्ञात :

विद्युत प्रवाह (I) = 10 A

वेळेचा कालावधी (t) = २ मिनिटे = २ x ६० सेकंद = १२० सेकंद

पाहिजे: चार्ज (Q)

उपाय:

विद्युत प्रवाहाचे समीकरण:

I = q/t

I = विद्युत प्रवाह, q = विद्युत प्रभार, t = कालावधी

विद्युत प्रभार:

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

२. परिपथातील एका बिंदूतून ६० C विद्युत प्रभार ५ मिनिटांसाठी जातो. विद्युत प्रवाह किती आहे?

ज्ञात :

वेळेचा कालावधी (t) = ५ मिनिटे = ५ x ६० सेकंद = ३०० सेकंद

विद्युत प्रभार (Q) = 60 C

हवे आहे : विद्युत प्रवाह (I)

उपाय:

विद्युत प्रवाह:

I = Q/t

मी = १,०००,००० / ८३१.३६

I = ०.२ कूलॉम्ब/सेकंद

I = १ अँपिअर

३. एसआय प्रणालीमध्ये विद्युत प्रवाहाचे एकक काय आहे?

उपाय

कूलॉम्ब/सेकंद

कूलोम/सेकंद, ज्याला अँपिअर हे विशेष नाव दिले आहे.