विद्युत् प्रवाह

विद्युतीय प्रवाहको परिभाषा

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

जब तार विद्युतीय स्रोतमा जोडिन्छ, तामाको तारको दुई छेउहरू बीच एक सम्भाव्य भिन्नता उत्पन्न हुन्छ, जसले गर्दा तामाको तार भित्र एक विद्युतीय क्षेत्र देखा पर्दछ। विद्युतीय क्षेत्रको अस्तित्वले मुक्त इलेक्ट्रोनहरूलाई विद्युतीय बल F = q E = e E अनुभव गराउँछ, जहाँ F = विद्युतीय बल , e = इलेक्ट्रोन चार्ज, E = विद्युतीय क्षेत्र । यो विद्युतीय बलले स्वतन्त्र रूपमा चलिरहेका सबै इलेक्ट्रोनहरूलाई एकसाथ गति दिन्छ, जुन विद्युतीय बल जस्तै दिशा हो।

सँगै सर्ने मुक्त इलेक्ट्रोनहरू तामाको तारमा रहेका परमाणुहरूको बीचमा हुन्छन् जसले गर्दा सबै इलेक्ट्रोनहरू परमाणुहरूसँग ठोक्किन्छन्। टक्करले मुक्त इलेक्ट्रोनहरूको दिशा परिवर्तन गर्छ। यी सबै इलेक्ट्रोनहरूले सधैं विद्युतीय बल अनुभव गर्छन् जसले गर्दा सबै इलेक्ट्रोनहरू विद्युतीय बलको दिशा जस्तै दिशामा गतिमान हुन्छन्। एक क्षणको लागि सरिसकेपछि, मुक्त इलेक्ट्रोनहरू तामाको तारमा परमाणुहरूसँग ठोक्किन्छन्। तर मुक्त इलेक्ट्रोनहरूले सधैं विद्युतीय बल अनुभव गर्छन् जसले गर्दा सबै इलेक्ट्रोनहरू फेरि गतिमान हुन्छन्। त्यसैले विभिन्न दिशाहरूमा अनियमित रूपमा सर्नुको साथै, सबै मुक्त इलेक्ट्रोनहरू विद्युतीय बलको दिशामा र विद्युतीय क्षेत्रको विपरीत दिशामा पनि बिस्तारै सँगै सर्छन्। विद्युतीय क्षेत्रको दिशा उच्च विद्युतीय क्षमताबाट कम विद्युतीय क्षमतामा हुन्छ, जबकि इलेक्ट्रोनहरू कम क्षमताबाट उच्च क्षमतामा सर्छन्। प्रत्येक मुक्त इलेक्ट्रोनको अनियमित गतिको गति धेरै छिटो हुन्छ, जबकि विद्युतीय बलको दिशामा मुक्त इलेक्ट्रोनहरू भएको गतिको गति धेरै ढिलो हुन्छ। विद्युतीय बलको दिशामा मुक्त इलेक्ट्रोनहरू भएको यो गतिलाई बहाव गति पनि भनिन्छ ।

विद्युतीय प्रवाहलाई निश्चित समय अन्तरालमा कन्डक्टरको क्रस-सेक्शन मार्फत विद्युतीय चार्जको प्रवाहको रूपमा परिभाषित गरिएको छ। सम्झौता अनुसार, विद्युतीय प्रवाहको दिशा सकारात्मक चार्जको दिशा जस्तै हो। यो सम्झौता कन्डक्टरमा वास्तवमा के चल्छ भनेर थाहा हुनु अघि गरिएको थियो। कन्डक्टरमा इलेक्ट्रोनहरूको चालको दिशा विद्युतीय प्रवाहको दिशाको विपरीत हुन्छ। त्यसैले यदि हामीले कन्डक्टरमा बग्ने प्रवाहको बारेमा छलफल गर्छौं भने, यसको अर्थ सकारात्मक चार्जको प्रवाह हो, जसलाई परम्परागत प्रवाह पनि भनिन्छ किनभने यो सम्झौताको परिणाम हो।

विद्युतीय प्रवाहको समीकरण

गणितीय रूपमा, विद्युतीय प्रवाहलाई समीकरणद्वारा व्यक्त गरिन्छ:

I = Δ Q / Δt

I = विद्युतीय प्रवाह, ΔQ = विद्युतीय चार्जको मात्रा, Δt = समय अन्तराल।

विद्युतीय प्रवाहको एकाइ

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

नमुना समस्या १:

तारबाट ८ सेकेन्डको लागि २ एम्पियरको करेन्ट बग्छ। कुनै बिन्दुबाट गुज्रने चार्जको मात्रा र त्यस चार्जमा इलेक्ट्रोनहरूको संख्या निर्धारण गर्नुहोस्!

ज्ञात:

विद्युतीय धारा (I) = ४ एम्पीयर

समय अन्तराल (t) = १५ सेकेन्ड

चाहिएको: चार्ज (Q) र इलेक्ट्रोनहरूको संख्या (e)

समाधान:

विद्युतीय प्रवाहको समीकरण:

I = Q/t

I = विद्युतीय प्रवाह, Q = विद्युतीय चार्ज, t = समय अन्तराल

विद्युतीय चार्ज:

Q = I t = (२ एम्पीयर)(८ सेकेन्ड) = १६ सेल्सियस।

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 गति, र प्रवाह घनत्व

विद्युत क्षेत्र E को दिशामा v बग्दै, गतिसँगै दायाँतिर सर्दै गरेको धनात्मक चार्जको समीक्षा गर्नुहोस्।

क्रस-सेक्शनल क्षेत्र A भएको कन्डक्टरमा। समय अन्तराल t मा धनात्मक चार्ज s = vt सम्म सर्छ।

यदि प्रति आयतनमा चार्ज गरिएका कणहरूको संख्या (चार्ज गरिएका कणहरूको घनत्व) n छ र चालकको आयतन A s = A vt छ भने,

त्यसो भए कन्डक्टरको आयतनमा चार्ज गरिएका कणहरूको संख्या n A v t हुन्छ। यदि प्रत्येक चार्ज गरिएका कणमा q को चार्ज छ भने अन्तराल t को समयमा कन्डक्टरको छेउबाट गुज्रने चार्जको मात्रा Q = nq A v t हुन्छ। त्यसैले, कन्डक्टरको टुप्पोबाट 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 प्रवाहित हुने धारा चार्ज गरिएका कणहरू (n) को घनत्वको गुणनको गुणन हो,

प्रत्येक कण (q) को लागि चार्जको मात्रा, चालक (A) को क्षेत्रफल र चार्ज गरिएका कणहरूको वेग (v)।

तलका उदाहरण प्रश्नहरूको अध्ययन गर्नुहोस्।

नमुना समस्या १:

^{३ x १० -६} m२ को क्रस-सेक्शन क्षेत्रफल भएको तामाको तारमा १० एम्पियरको स्थिर धारा बग्छ। ^{मुक्त} इलेक्ट्रोन घनत्व ८.४ x १० ^२८ इलेक्ट्रोन/m३ ^छ । मुक्त इलेक्ट्रोन बहावको गति निर्धारण गर्नुहोस्!

ज्ञात:

विद्युतीय धारा (I) = ४ एम्पीयर

तारको क्रस-सेक्शनल क्षेत्रफल (A) = ३ x १० ^-६ मिटर ^२

मुक्त इलेक्ट्रोन घनत्व (n) = ८.४ x १० ^२८ मिटर ^-३

इलेक्ट्रोन चार्ज (q) = १.६ x १० ^-१९ सेल्सियस

चाहियो: मुक्त इलेक्ट्रोन बहावको गति (v)

समाधान:

इलेक्ट्रोनको गति पहिले नै निकालिएको सूत्र प्रयोग गरेर गणना गरिन्छ:

I = विद्युतीय प्रवाह, n = चार्ज गरिएका कणहरूको घनत्व = इलेक्ट्रोन घनत्व, q = एक इलेक्ट्रोन चार्ज, A = कन्डक्टरको क्रस-सेक्शनल क्षेत्र, v = इलेक्ट्रोन बहावको वेग

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

मुक्त इलेक्ट्रोनहरू प्रति सेकेन्ड ०.२४८ मिलिमिटरको गतिमा तारमा एकसाथ सर्छन्। अर्को शब्दमा, प्रत्येक सेकेन्डमा, सबै मुक्त-इलेक्ट्रोनहरू ०.२४८ मिलिमिटरसम्म सर्छन्। यो धेरै ढिलो गति हो। यदि मुक्त इलेक्ट्रोनहरूको चाल धेरै ढिलो छ भने, स्विच खोलेपछि किन तुरुन्तै बिजुली बत्ती बल्छ?

यो बुझ्नको लागि, नली भित्र पानीको प्रवाह जस्तै कन्डक्टरमा इलेक्ट्रोनहरू बग्छन्। यदि नली पानीले भरिएको छ भने, यदि नलीको एक छेउ नलमा जोडिएको छ भने, पानी तुरुन्तै अर्को नलीको एक छेउबाट बाहिर निस्कन्छ। त्यस्तै गरी, तामाको तार र बत्तीको बल्बको तारमा मुक्त इलेक्ट्रोनहरू हुन्छन्। जब स्विच खोलिन्छ, प्रकाशको गति (प्रकाशको गति = ३ x १० ^८ मिटर/सेकेन्ड) नजिकको गतिको साथ एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न हुन्छ, जसले गर्दा त्यस क्षणमा मुक्त इलेक्ट्रोनहरू एकसाथ चल्न थाल्छन्। बत्तीको बल्बको तारमा पहिले नै मुक्त इलेक्ट्रोनहरू छन् जसले गर्दा प्रकाश त्यही क्षणमा सक्रिय हुन्छ।

समस्या र समाधानहरू

१. तारमा २ मिनेटको लागि १० A को स्थिर धारा रहन्छ। कुनै पनि स्थानमा कन्डक्टरबाट कति चार्ज जान्छ ?

ज्ञात:

विद्युतीय धारा (I) = १० A

समय अन्तराल (t) = २ मिनेट = २ x ६० सेकेन्ड = १२० सेकेन्ड

चाहियो: चार्ज (Q)

समाधान:

विद्युतीय प्रवाहको समीकरण:

I = q/t

I = विद्युतीय प्रवाह, q = विद्युतीय चार्ज, t = समय अन्तराल

विद्युतीय चार्ज:

Q = I t = (१०)(१२०) = १२०० C

२. सर्किटको कुनै बिन्दुबाट ६० डिग्री सेल्सियस चार्ज ५ मिनेटको लागि गुज्रन्छ। विद्युतीय प्रवाह भनेको के हो?

ज्ञात:

समय अन्तराल (t) = ५ मिनेट = ५ x ६० सेकेन्ड = ३०० सेकेन्ड

विद्युतीय चार्ज (Q) = 60 C

चाहिएको: विद्युतीय धारा (I)

समाधान:

विद्युतीय धारा:

I = Q/t

म = १,०००,००० / ८३१.३६

I = ०.२ कुलम्ब्स/सेकेन्ड

I = ३ एम्पियर

३. SI प्रणालीमा विद्युतीय प्रवाहको एकाइ... हो।

समाधान

कुलम्ब/सेकेन्ड

कुलम्ब/सेकेन्ड, जसलाई विशेष नाम दिइएको छ, एम्पीयर।