విద్యుత్ ప్రవాహం

విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క నిర్వచనం

రాగి వంటి వాహకం లోపల, ఎలక్ట్రాన్లు అధిక వేగంతో స్వేచ్ఛగా మరియు యాదృచ్ఛికంగా కదులుతాయి కానీ లోహం నుండి బయటకు వెళ్ళవు. స్వేచ్ఛగా కదలగల ఎలక్ట్రాన్లను స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు అంటారు. ఎలక్ట్రాన్లు అన్ని దిశలలో స్వేచ్ఛగా కదులుతున్నప్పటికీ, ఏ ఒక్క నిర్దిష్ట దిశలోనూ ఎలక్ట్రాన్ల నికర ప్రవాహం ఉండదు. రాగి తీగ యొక్క రెండు చివరల మధ్య పొటెన్షియల్ భేదం లేనప్పుడు ఈ పరిస్థితి ఏర్పడుతుంది.

తీగను విద్యుత్ వనరుకు అనుసంధానించినప్పుడు, రాగి తీగ యొక్క రెండు చివరల మధ్య పొటెన్షియల్ భేదం ఏర్పడి, తద్వారా రాగి తీగ లోపల విద్యుత్ క్షేత్రం సృష్టించబడుతుంది. విద్యుత్ క్షేత్రం స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు అనుభవించడానికి కారణమవుతుంది విద్యుత్ శక్తి F = q E = e E, ఇక్కడ F = విద్యుత్ బలం, e = ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశం, E = విద్యుత్ క్షేత్రంవిద్యుత్ బలం కారణంగా, స్వేచ్ఛగా కదులుతున్న ఎలక్ట్రాన్లన్నీ విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలోనే ఒక ఉమ్మడి త్వరణాన్ని పొందుతాయి.

కలిసి కదులుతున్న ఈ స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు, రాగి తీగలోని స్థిరమైన పరమాణువుల మధ్య ఉంటాయి, దీనివల్ల ఎలక్ట్రాన్లన్నీ ఈ పరమాణువులను ఢీకొంటాయి. ఈ ఢీకొనడాల వల్ల స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు తమ గమన దిశను మార్చుకుంటాయి. ఈ ఎలక్ట్రాన్లన్నీ నిరంతరం ఒక విద్యుత్ బలానికి లోనవుతాయి, దీనివల్ల అవి విద్యుత్ బలం ఉన్న దిశలోనే త్వరణం చెందుతాయి. ఒక క్షణం పాటు కదిలిన తర్వాత, స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు మళ్లీ రాగి తీగలోని పరమాణువులను ఢీకొంటాయి. అయితే, స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఎల్లప్పుడూ ఒక విద్యుత్ బలానికి లోనవుతాయి, దీనివల్ల ఎలక్ట్రాన్లన్నీ మళ్లీ త్వరణం చెందుతాయి.

కాబట్టి, వివిధ దిశలలో యాదృచ్ఛికంగా కదలడమే కాకుండా, అన్ని స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలో మరియు విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క వ్యతిరేక దిశలో కూడా నెమ్మదిగా కలిసి కదులుతాయి. విద్యుత్ క్షేత్రం యొక్క దిశ అధిక విద్యుత్ పొటెన్షియల్ నుండి తక్కువ విద్యుత్ పొటెన్షియల్ వైపు ఉంటుంది, అయితే ఎలక్ట్రాన్లు తక్కువ పొటెన్షియల్ నుండి అధిక పొటెన్షియల్ వైపు కదులుతాయి. ప్రతి స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ యొక్క యాదృచ్ఛిక చలనం చాలా వేగంగా ఉంటుంది, అయితే విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల సామూహిక చలనం చాలా నెమ్మదైన వేగాన్ని కలిగి ఉంటుంది. విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల ఈ సామూహిక చలనాన్ని డ్రిఫ్ట్ వేగం అని కూడా అంటారు.

విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ఈ క్రింది వాటి ప్రవాహంగా నిర్వచించారు విద్యుత్ ఛార్జ్ ఒక వాహకం యొక్క అడ్డుకోత గుండా ఒక నిర్దిష్ట కాల వ్యవధిలో ప్రవహించే విద్యుత్ ఆవేశాన్ని సాంప్రదాయ విద్యుత్ ప్రవాహం అంటారు. సాంప్రదాయం ప్రకారం, విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క దిశ, ధనావేశం యొక్క చలన దిశతో సమానంగా ఉంటుంది. ఒక వాహకంలో వాస్తవానికి కదిలేవి రుణాత్మక విద్యుత్ ఆవేశం గల స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు అని తెలియక ముందే ఈ ఒప్పందం కుదిరింది. ఒక వాహకంలో ఎలక్ట్రాన్ల చలన దిశ, విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క దిశకు వ్యతిరేకంగా ఉంటుంది. అందువల్ల, ఒక వాహకంలో ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం గురించి చర్చించేటప్పుడు, ఇక్కడ ధనావేశం యొక్క ప్రవాహాన్ని ఉద్దేశిస్తారు. ఈ ఒప్పందం ఫలితంగా ఏర్పడినందున దీనిని సాంప్రదాయ విద్యుత్ ప్రవాహం అని కూడా అంటారు.

విద్యుత్ ప్రవాహ సూత్రం

గణితశాస్త్రపరంగా, విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ఈ సమీకరణం ద్వారా సూచిస్తారు:
I = ΔQ / Δt
సూత్ర వివరణ: I = విద్యుత్ ప్రవాహం, ΔQ = విద్యుత్ ఆవేశం పరిమాణం, Δt = కాల వ్యవధి.

విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క ప్రమాణం

విద్యుత్ ఆవేశం యొక్క ప్రమాణం కూలంబ్, కాలం యొక్క ప్రమాణం సెకను, కాబట్టి విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క ప్రమాణం కూలంబ్/సెకను. కూలంబ్/సెకనును ఇలా కూడా అంటారు ఆంపియర్ఫ్రెంచ్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త ఆండ్రే మేరీ ఆంపియర్ (1775-1836) పేరు మీదుగా ఈ పేరు వచ్చింది. 1 ఆంపియర్ = 1 కూలంబ్ / సెకను (1 A = 1 C/s). మరో మాటలో చెప్పాలంటే, 1 ఆంపియర్ విద్యుత్ ప్రవాహం అనేది, 1 సెకను పాటు ఒక తీగ యొక్క అడ్డుకోత వైశాల్యం గుండా ప్రవహించే 1 కూలంబ్ విద్యుత్ ఆవేశానికి సమానం. విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ఆంపియర్లలో వ్యక్తపరచడమే కాకుండా, మిల్లీఆంపియర్లలో కూడా వ్యక్తపరుస్తారు (1 mA = 10⁻¹⁰ mA).^-3 A), మైక్రోఆంపియర్లు (1 μA = 10^-6 A), నానోఆంపియర్లు (1 nA = 10^-9 A) లేదా పికోఆంపియర్లు (1 pA = 10^-12 ఎ).

ఉదాహరణ ప్రశ్న 1:

ఒక తీగ గుండా 8 సెకన్ల పాటు 2 ఆంపియర్ల విద్యుత్ ప్రవహిస్తుంది. ఒక బిందువు గుండా వెళుతున్న ఆవేశం యొక్క పరిమాణాన్ని మరియు ఆ ఆవేశంలోని ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యను కనుగొనండి!
చర్చ
ఇది తెలిసిన విషయమే:
విద్యుత్ ప్రవాహం (I) = 1 ఆంపియర్లు
సమయ వ్యవధి (t) = 2 సెకన్లు
అడిగారు: ఆవేశం (Q) మరియు ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య (e)
సమాధానం :
విద్యుత్ ప్రవాహ సూత్రం:
I = Q/t
సూత్ర వివరణ: I = విద్యుత్ ప్రవాహం, Q = విద్యుత్ ఆవేశం, t = కాల వ్యవధి
విద్యుత్ ఆవేశం:
Q = I t = (2 ఆంపియర్)(8 సెకన్లు) = 16 కూలంబులు.

ఒక ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఆవేశం 1,6 x 10^-19 16 కూలంబ్‌ల ఆవేశం 16 C / 1,6 x 10 ఎలక్ట్రాన్‌లను కలిగి ఉండే విధంగా కూలంబ్^-19 కూలంబ్ = 10 x 10¹⁹ ఎలక్ట్రాన్.

విద్యుత్ ప్రవాహం, డ్రిఫ్ట్ వేగం మరియు ప్రవాహ సాంద్రత

A అడ్డుకోత వైశాల్యం గల ఒక వాహకంలో, E విద్యుత్ క్షేత్రం దిశలో v డ్రిఫ్ట్ వేగంతో కుడివైపుకు కదులుతున్న ఒక ధనావేశాన్ని పరిగణించండి. ఆ ధనావేశం t కాల వ్యవధిలో s = vt దూరం కదులుతుంది.

ఒక ఘనపరిమాణానికి గల ఆవేశిత కణాల సంఖ్య (ఆవేశిత కణ సాంద్రత) n మరియు వాహకం యొక్క ఘనపరిమాణం A s = A vt అయితే, ఆ వాహక ఘనపరిమాణంలోని ఆవేశిత కణాల సంఖ్య n A v t అవుతుంది. ప్రతి ఆవేశిత కణానికి q ఆవేశం ఉంటే, t కాల వ్యవధిలో వాహకం చివర గుండా ప్రవహించే ఆవేశం యొక్క పరిమాణం Q = nq A v t అవుతుంది. కాబట్టి, వాహకం చివర గుండా ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం I = Q/t = nq A v. అయితే, ప్రవాహ సాంద్రత లేదా ప్రతి అడ్డుకోత వైశాల్యం A కు ప్రవాహం J = I/A = nq v. దీనిని బట్టి, వాహకంలో ప్రవహించే ప్రవాహం అనేది ఆవేశిత కణాల సాంద్రత (n), ప్రతి కణం యొక్క ఆవేశ పరిమాణం (q), వాహకం యొక్క అడ్డుకోత వైశాల్యం (A) మరియు ఆవేశిత కణాల డ్రిఫ్ట్ వేగం (v) ల గుణకారం యొక్క ఫలితం అని నిర్ధారించవచ్చు.

ప్రతి ఆవేశిత కణం యొక్క వేగానికి మరియు అన్ని ఆవేశిత కణాల డ్రిఫ్ట్ వేగానికి మధ్య ఉన్న వ్యత్యాసాన్ని అర్థం చేసుకోవడానికి కింది ఉదాహరణ సమస్యను అధ్యయనం చేయండి.

ఉదాహరణ ప్రశ్న 2:

3 x 10 అడ్డుకోత వైశాల్యం గల రాగి తీగలో 10 ఆంపియర్ల స్థిర విద్యుత్ ప్రవహిస్తోంది.^-6 m²స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత 8,4 x 10²⁸ ఎలక్ట్రాన్లు/మీ³స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌ల డ్రిఫ్ట్ వేగాన్ని కనుగొనండి!
చర్చ
ఇది తెలిసిన విషయమే:
విద్యుత్ ప్రవాహం (I) = 10 ఆంపియర్లు
వైర్ అడ్డుకోత వైశాల్యం (A) = 3 x 10^-6 m²
స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత (n) = 8,4 x 10²⁸ m^-3
ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశం (q) = 1,6 x 10^-19 C
అడిగారు: స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ డ్రిఫ్ట్ వేగం (v)
సమాధానం :
ఇంతకు ముందు ఉత్పాదించిన సూత్రాన్ని ఉపయోగించి ఎలక్ట్రాన్ల వేగాన్ని లెక్కిస్తారు:

వివరణ: I = విద్యుత్ ప్రవాహం, n = ఆవేశిత కణాల సాంద్రత, q = స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల సాంద్రత, q = ఒక ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఆవేశం, A = వాహకం యొక్క అడ్డుకోత వైశాల్యం, v = ఎలక్ట్రాన్ డ్రిఫ్ట్ వేగం

ఎలక్ట్రాన్ డ్రిఫ్ట్ వేగం 0,248 x 10^-3 మీటర్/సెకను = 0,248 మిల్లీమీటర్లు/సెకను.

స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఒక తీగలో సెకనుకు 0,248 మిల్లీమీటర్ల వేగంతో కలిసి కదులుతాయి. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, ప్రతి సెకనుకు స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లన్నీ 0,248 మిల్లీమీటర్లు కదులుతాయి. ఇది చాలా నెమ్మదైన వేగం. స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక ఇంత నెమ్మదిగా ఉంటే, స్విచ్ ఆన్ చేసిన వెంటనే విద్యుత్ దీపం ఎందుకు వెలుగుతుంది?

దీనిని అర్థం చేసుకోవడానికి, ఒక గొట్టంలో నీటి ప్రవాహంలా ఒక వాహకంలో ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహాన్ని పరిగణించండి. ఆ గొట్టం నీటితో నిండి ఉంటే, దాని ఒక చివరను కుళాయికి కలిపితే, నీరు వెంటనే రెండవ చివర నుండి బయటకు ప్రవహిస్తుంది. అదేవిధంగా, రాగి తీగలో మరియు లైట్ బల్బ్ తీగలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఉంటాయి. స్విచ్ ఆన్ చేసినప్పుడు, కాంతి వేగాన్ని సమీపించే వేగంతో ఒక విద్యుత్ క్షేత్రం ఉత్పత్తి అవుతుంది (కాంతి వేగం = 3 x 10⁸).⁸ మీటర్లు/సెకను), దీనివల్ల స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు అదే క్షణంలో కలిసి కదలడం ప్రారంభిస్తాయి. లైట్ బల్బ్ వైరులో అప్పటికే స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఉంటాయి కాబట్టి లైట్ అదే క్షణంలో వెలుగుతుంది.