विद्युतीय प्रवाह

विद्युतीय प्रवाहको परिभाषा

तामा जस्तो सुचालक भित्र, त्यहाँ इलेक्ट्रोनहरू हुन्छन् जुन स्वतन्त्र र अनियमित रूपमा उच्च गतिमा सर्छन् तर धातुबाट बाहिर निस्कँदैनन्। स्वतन्त्र रूपमा सार्न सक्ने इलेक्ट्रोनहरूलाई मुक्त इलेक्ट्रोन भनिन्छ। यद्यपि इलेक्ट्रोनहरू सबै दिशामा स्वतन्त्र रूपमा सर्छन्, कुनै पनि विशेष दिशामा इलेक्ट्रोनहरूको कुनै शुद्ध प्रवाह हुँदैन। यो अवस्था तब हुन्छ जब तामाको तारको दुई छेउहरू बीच कुनै सम्भाव्य भिन्नता हुँदैन।

जब तारलाई विद्युतीय स्रोतमा जोडिन्छ, तामाको तारको दुई छेउहरू बीच एक सम्भाव्य भिन्नता उत्पन्न हुन्छ, जसले गर्दा तामाको तारमा विद्युतीय क्षेत्र सिर्जना हुन्छ। विद्युतीय क्षेत्रको उपस्थितिले मुक्त इलेक्ट्रोनहरूलाई विद्युतीय बल F = q E = e E अनुभव गराउँछ , जहाँ F = विद्युतीय बल, e = इलेक्ट्रोन चार्ज, E = विद्युतीय क्षेत्र । विद्युतीय बलले सबै स्वतन्त्र रूपमा चल्ने इलेक्ट्रोनहरूलाई विद्युतीय बल जस्तै दिशामा सामान्य त्वरण अनुभव गराउँछ।

यी मुक्त इलेक्ट्रोनहरू, एकसाथ सर्दै, तामाको तारमा स्थिर परमाणुहरूको बीचमा अवस्थित हुन्छन्, जसले गर्दा सबै इलेक्ट्रोनहरू यी परमाणुहरूसँग ठोक्किन्छन्। यी टक्करहरूले मुक्त इलेक्ट्रोनहरूलाई आफ्नो गतिको दिशा परिवर्तन गर्न बाध्य पार्छन्। यी सबै इलेक्ट्रोनहरू निरन्तर विद्युतीय बलको अधीनमा हुन्छन्, जसले गर्दा तिनीहरू विद्युतीय बलको दिशामा गति लिन्छन्। एक क्षणको लागि सर्दै, मुक्त इलेक्ट्रोनहरू फेरि तामाको तारमा रहेका परमाणुहरूसँग ठोक्किन्छन्। यद्यपि, मुक्त इलेक्ट्रोनहरू सधैं विद्युतीय बलको अधीनमा हुन्छन्, जसले गर्दा सबै इलेक्ट्रोनहरू फेरि गति लिन्छन्।

त्यसैले, विभिन्न दिशामा अनियमित रूपमा सर्नुको साथै, सबै मुक्त इलेक्ट्रोनहरू विद्युतीय बलको दिशामा र विद्युतीय क्षेत्रको विपरीत दिशामा बिस्तारै एकसाथ सर्छन्। विद्युतीय क्षेत्रको दिशा उच्च विद्युतीय सम्भाव्यताबाट कम विद्युतीय सम्भाव्यतामा हुन्छ, जबकि इलेक्ट्रोनहरू कम सम्भाव्यताबाट उच्च सम्भाव्यतामा सर्छन्। प्रत्येक मुक्त इलेक्ट्रोनको अनियमित गतिको गति धेरै छिटो हुन्छ, जबकि विद्युतीय बलको दिशामा मुक्त इलेक्ट्रोनहरूको सामूहिक गति धेरै ढिलो हुन्छ। विद्युतीय बलको दिशामा मुक्त इलेक्ट्रोनहरूको यो सामूहिक गतिलाई बहाव वेग पनि भनिन्छ।

विद्युतीय प्रवाहलाई निश्चित समय अन्तरालमा कन्डक्टरको क्रस-सेक्शन मार्फत विद्युतीय चार्जको प्रवाहको रूपमा परिभाषित गरिएको छ । परम्परा अनुसार, विद्युतीय प्रवाहको दिशा सकारात्मक चार्जहरूको गतिको दिशा जस्तै हो। यो सम्झौता कन्डक्टरमा वास्तवमा चल्ने कुराहरू स्वतन्त्र, नकारात्मक चार्ज भएका इलेक्ट्रोनहरू हुन् भनेर थाहा हुनु अघि गरिएको थियो। कन्डक्टरमा इलेक्ट्रोनको चालको दिशा विद्युतीय प्रवाहको दिशाको विपरीत हुन्छ। त्यसकारण, कन्डक्टरमा बग्ने धारालाई छलफल गर्दा, सकारात्मक चार्जहरूको प्रवाहलाई बुझिन्छ, जसलाई परम्परागत धारा पनि भनिन्छ किनभने यो यस सम्झौताको परिणाम हो।

विद्युतीय प्रवाह सूत्र

गणितीय रूपमा, विद्युतीय प्रवाहलाई समीकरणद्वारा व्यक्त गरिन्छ:
I = ΔQ / Δt
सूत्र विवरण: I = विद्युतीय प्रवाह, ΔQ = विद्युतीय चार्जको मात्रा, Δt = समय अन्तराल।

विद्युतीय प्रवाहको एकाइ

विद्युतीय चार्जको एकाइ कुलम्ब हो, समयको एकाइ दोस्रो हो, त्यसैले विद्युतीय प्रवाहको एकाइ कुलम्ब/सेकेन्ड हो। कुलम्ब/सेकेन्डलाई एम्पीयर पनि भनिन्छ , जुन फ्रान्सेली भौतिकशास्त्री आन्द्रे मारी एम्पीयर (१७७५-१८३६) को नामबाट राखिएको हो। १ एम्पीयर = १ कुलम्ब/सेकेन्ड (१ ए = १ सेल्सियस/सेकेन्ड)। अर्को शब्दमा, १ एम्पीयरको विद्युतीय प्रवाह १ सेकेन्डको लागि तारको क्रस-सेक्शनल क्षेत्रबाट गुज्रने १ कुलम्बको विद्युतीय चार्ज बराबर हुन्छ। एम्पीयरमा व्यक्त गर्नुको अलावा, विद्युतीय प्रवाह मिलिअम्पीयर (१ एमए = १० ^-३ ए), माइक्रोएम्पीयर (१ μA = १० ^-६ ए), न्यानोएम्पीयर (१ एनए = १० ^-९ ए) वा पिकोएम्पीयर (१ पीए = १० ^-१२ ए) मा पनि व्यक्त गरिन्छ।

उदाहरण प्रश्न २:

एउटा तारबाट ८ सेकेन्डको लागि २ एम्पियरको करेन्ट बग्छ। कुनै बिन्दुबाट गुज्रिरहेको चार्जको परिमाण र त्यस चार्जमा इलेक्ट्रोनहरूको संख्या पत्ता लगाउनुहोस्!
छलफल
यो ज्ञात छ कि:
विद्युतीय धारा (I) = २० एम्पीयर
समय अन्तराल (t) = ४ सेकेन्ड
सोधियो: चार्ज (Q) र इलेक्ट्रोनहरूको संख्या (e)
उत्तरहरू:
विद्युतीय प्रवाह सूत्र:
I = Q/t
सूत्र विवरण: I = विद्युतीय प्रवाह, Q = विद्युतीय चार्ज, t = समय अन्तराल
विद्युतीय चार्ज:
Q = I t = (२ एम्पीयर)(८ सेकेन्ड) = १६ कुलम्ब।

एउटा इलेक्ट्रोनको चार्ज १.६ x १० ^{-१९ कुलम्ब हुन्छ त्यसैले १६ कुलम्बको चार्जमा १६ C / १.६ x १० -१९} कुलम्ब = १० x १० ^१९ इलेक्ट्रोन जति इलेक्ट्रोन हुन्छन् ।

विद्युतीय प्रवाह, बहाव वेग र प्रवाह घनत्व

क्रस-सेक्शनल क्षेत्र A भएको कन्डक्टरमा विद्युतीय क्षेत्र E को दिशामा बहाव गति v सँग दायाँतिर सर्ने धनात्मक चार्जलाई विचार गर्नुहोस्। धनात्मक चार्जले समय अन्तराल t मा s = vt को दूरी सर्छ।

यदि प्रति आयतनमा चार्ज गरिएका कणहरूको संख्या (चार्ज गरिएको कण घनत्व) n छ र कन्डक्टरको आयतन A s = A vt छ भने, कन्डक्टरको आयतनमा चार्ज गरिएका कणहरूको संख्या n A v t हुन्छ। यदि प्रत्येक चार्ज गरिएको कणमा q को चार्ज छ भने समय अन्तराल t को समयमा कन्डक्टरको छेउबाट गुज्रने चार्जको मात्रा Q = nq A v t हुन्छ। त्यसैले कन्डक्टरको छेउबाट बग्ने विद्युतीय प्रवाह I = Q/t = nq A v हुन्छ। जबकि प्रति क्रस-सेक्शनल क्षेत्र A मा वर्तमान घनत्व वा प्रवाह J = I/A = nq v हुन्छ। यो निष्कर्षमा पुग्न सकिन्छ कि कन्डक्टरमा बग्ने प्रवाह चार्ज गरिएका कणहरूको घनत्व (n), प्रत्येक कणको चार्जको परिमाण (q), कन्डक्टरको क्रस-सेक्शनल क्षेत्र (A) र चार्ज गरिएका कणहरूको बहाव गति (v) को गुणनको परिणाम हो।

प्रत्येक चार्ज गरिएको कणको गति र सबै चार्ज गरिएको कणहरूको बहाव गति बीचको भिन्नता बुझ्न निम्न उदाहरण समस्याको अध्ययन गर्नुहोस्।

उदाहरण प्रश्न २:

३ x १० को क्रस-सेक्शनल क्षेत्रफल भएको तामाको तारमा १० एम्पियरको स्थिर धारा बग्छ।^-6 m²। मुक्त इलेक्ट्रोन घनत्व ८.४ x १० छ²⁸ इलेक्ट्रोन/मिटर³मुक्त इलेक्ट्रोनहरूको बहाव गति निर्धारण गर्नुहोस्!
छलफल
यो ज्ञात छ कि:
विद्युतीय धारा (I) = २० एम्पीयर
तारको क्रस-सेक्शनल क्षेत्र (A) = ३ x १०^-6 m²
मुक्त इलेक्ट्रोन घनत्व (n) = ८.४ x १०²⁸ m^-3
इलेक्ट्रोन चार्ज (q) = १.६ x १०^-19 C
सोधियो: मुक्त इलेक्ट्रोन बहाव गति (v)
उत्तरहरू:
इलेक्ट्रोनको गति पहिले व्युत्पन्न सूत्र प्रयोग गरेर गणना गरिन्छ:

विवरण: I = विद्युतीय प्रवाह, n = चार्ज गरिएका कणहरूको घनत्व = मुक्त इलेक्ट्रोनहरूको घनत्व, q = एउटा इलेक्ट्रोनको चार्ज, A = कन्डक्टरको क्रस-सेक्शनल क्षेत्र, v = इलेक्ट्रोन बहाव गति

इलेक्ट्रोन बहाव गति ०.२४८ x १० ^-३ मिटर/सेकेन्ड = ०.२४८ मिलिमिटर/सेकेन्ड हो।

मुक्त इलेक्ट्रोनहरू तारमा ०.२४८ मिलिमिटर प्रति सेकेन्डको गतिमा एकसाथ सर्छन्। अर्को शब्दमा, प्रत्येक सेकेन्डमा सबै मुक्त इलेक्ट्रोनहरू ०.२४८ मिलिमिटर सर्छन्। यो धेरै ढिलो गति हो। यदि मुक्त इलेक्ट्रोनहरूको चाल यति ढिलो छ भने, स्विच खोल्ने बित्तिकै बिजुलीको बत्ती किन बल्छ?

यो बुझ्नको लागि, कन्डक्टरमा इलेक्ट्रोनको प्रवाहलाई नलीमा पानीको प्रवाह जस्तै विचार गर्नुहोस्। यदि नली पानीले भरिएको छ भने, यदि नलीको एक छेउ नलमा जोडिएको छ भने, पानी तुरुन्तै अर्को छेउबाट बाहिर निस्कनेछ। त्यस्तै गरी, तामाको तार र बत्तीको बल्बको तारमा मुक्त इलेक्ट्रोनहरू हुन्छन्। स्विच खोल्दा, प्रकाशको गति (प्रकाशको गति = ३ x १०८ ^मिटर / सेकेन्ड) नजिकको गतिको साथ विद्युतीय क्षेत्र उत्पन्न हुन्छ, जसले गर्दा मुक्त इलेक्ट्रोनहरू तुरुन्तै एकसाथ चल्न थाल्छन्। बत्तीको बल्बको तारमा पहिले नै मुक्त इलेक्ट्रोनहरू छन्, त्यसैले बत्ती तुरुन्तै बल्छ।