విద్యుత్ ప్రవాహం

విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క నిర్వచనం

రాగి వంటి వాహకంలో, ఎలక్ట్రాన్లు అధిక వేగంతో యాదృచ్ఛికంగా స్వేచ్ఛగా కదులుతాయి కానీ లోహం నుండి బయటకు వెళ్ళవు. స్వేచ్ఛగా కదలగల ఎలక్ట్రాన్లను స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు అంటారు. ఎలక్ట్రాన్లు అన్ని దిశలలో స్వేచ్ఛగా కదులుతున్నప్పటికీ, ఒక నిర్దిష్ట దిశలో ఎలక్ట్రాన్ల పూర్తి 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 ఏర్పడుతుంది, తద్వారా రాగి తీగ లోపల ఒక విద్యుత్ క్షేత్రం కనిపిస్తుంది. ఈ విద్యుత్ క్షేత్రం ఉండటం వలన, స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు F ​​= q E = e E అనే విద్యుత్ బలాన్ని అనుభవిస్తాయి, ఇక్కడ F = విద్యుత్ బలం , e = ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశం, E = విద్యుత్ క్షేత్రం . ఈ విద్యుత్ బలం వలన, స్వేచ్ఛగా కదులుతున్న ఎలక్ట్రాన్లన్నీ విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలోనే కలిసి త్వరణం చెందుతాయి.

కలిసి కదిలే స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు రాగి తీగలో మిగిలి ఉన్న పరమాణువుల మధ్య ఉంటాయి, తద్వారా అన్ని ఎలక్ట్రాన్లు పరమాణువులను ఢీకొంటాయి. ఈ ఢీకొనడం వలన స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల దిశ మారుతుంది. ఈ ఎలక్ట్రాన్లన్నీ ఎల్లప్పుడూ ఒక విద్యుత్ బలాన్ని అనుభవిస్తాయి, తద్వారా ఎలక్ట్రాన్లన్నీ విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలోనే త్వరణం చెందుతాయి. కొంత దూరం కదిలిన తర్వాత, స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు రాగి తీగలోని పరమాణువులను ఢీకొంటాయి. కానీ స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఎల్లప్పుడూ ఒక విద్యుత్ బలాన్ని అనుభవిస్తాయి, తద్వారా ఎలక్ట్రాన్లన్నీ మళ్ళీ త్వరణం చెందుతాయి. కాబట్టి వివిధ దిశలలో యాదృచ్ఛికంగా కదలడమే కాకుండా, అన్ని స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలో మరియు విద్యుత్ క్షేత్రానికి 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 చలనం చాలా నెమ్మదిగా ఉంటుంది. విద్యుత్ బలం యొక్క దిశలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల ఈ చలనాన్ని అని కూడా అంటారు. డ్రిఫ్ట్ వేగం.

ఒక నిర్దిష్ట కాల వ్యవధిలో ఒక వాహకం యొక్క అడ్డుకోత గుండా విద్యుత్ ఆవేశం ప్రవహించడాన్ని విద్యుత్ ప్రవాహం అని అంటారు. ఒప్పందం ప్రకారం, విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క దిశ ధనావేశం యొక్క దిశతో సమానంగా ఉంటుంది. ఒక వాహకంలో వాస్తవానికి కదిలేవి రుణావేశం గల స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు అని తెలియక ముందే ఈ ఒప్పందం జరిగింది. వాహకంలో ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక దిశ, విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క దిశకు వ్యతిరేకంగా ఉంటుంది. కాబట్టి మనం వాహకంలో ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం గురించి చర్చిస్తే, దాని అర్థం ధనావేశం యొక్క ప్రవాహం. ఇది ఒక ఒప్పందం యొక్క ఫలితం కాబట్టి దీనిని సాంప్రదాయక విద్యుత్ ప్రవాహం అని కూడా అంటారు.

విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క సమీకరణం

గణితశాస్త్రపరంగా, విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ఈ సమీకరణం ద్వారా సూచిస్తారు:

నేను = Δప్రశ్న / Δt

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 ఆంపియర్ అని కూడా అంటారు, ఇది ఫ్రెంచ్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త ఆండ్రే మేరీ ఆంపియర్ (1775-1836) పేరు మీద వచ్చింది. 1 ఆంపియర్ = 1 కూలంబ్/సెకను (1 A = 1 C/s). మరో మాటలో చెప్పాలంటే, 1 ఆంపియర్ విద్యుత్ ప్రవాహం అనేది, ఒక తీగ యొక్క అడ్డుకోత వైశాల్యం గుండా 1 సెకను పాటు ప్రవహించే 1 కూలంబ్ విద్యుత్ ఆవేశానికి సమానం. విద్యుత్ ప్రవాహాలను ఆంపియర్లలోనే కాకుండా, మిల్లీఆంపియర్లలో కూడా వ్యక్తపరుస్తారు (1 mA = 10⁻¹⁰ mA).^-3 A), మైక్రోఆంపియర్లు (1 μA = 10^-6 A), నానో ఆంపియర్‌లు (1 nA = 10-9 A) లేదా పికోఆంపియర్‌లు (1 pA = 10^-12 ఎ).

నమూనా సమస్య 1:

ఒక తీగ గుండా 8 సెకన్ల పాటు 2 ఆంపియర్ల విద్యుత్ ప్రవహిస్తుంది. ఒక బిందువు గుండా ప్రవహించే ఆవేశం పరిమాణాన్ని మరియు ఆ ఆవేశంలోని ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్యను కనుగొనండి!

తెలిసిన:

విద్యుత్ ప్రవాహం (I) = 1 ఆంపియర్

సమయ వ్యవధి (t) = 2 సెకన్లు

కావలసినది: ఆవేశం (Q) మరియు ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య (e)

పరిష్కారం:

విద్యుత్ ప్రవాహ సమీకరణం:

I = Q/t

I = విద్యుత్ ప్రవాహం, Q = విద్యుత్ ఆవేశం, t = కాల వ్యవధి

విద్యుత్ ఆవేశం:

Q = I t = (2 ఆంపియర్)(8 సెకన్లు) = 16 C.

ఒక ఎలక్ట్రాన్ యొక్క ఆవేశం 1.6 x 10^-19 కూలంబ్, కాబట్టి 16 కూలంబ్ ఆవేశంలో 16 C / 1.6 x 10⁶⁶ ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య ఉంటుంది.^-19 కూలంబ్ = 10 x 10¹⁹ ఎలక్ట్రాన్లు.

విద్యుత్ ప్రవాహం, డ్రిఫ్ట్ వేగం మరియు ప్రవాహ సాంద్రత

విద్యుత్ క్షేత్రం E దిశలో v వేగంతో కుడివైపుకు కదులుతున్న ధనావేశాన్ని సమీక్షించండి.

A అడ్డుకోత వైశాల్యం గల ఒక వాహకంపై, ధనావేశం t కాల వ్యవధిలో s = vt దూరం కదులుతుంది.

ఒక ఘనపరిమాణానికి గల ఆవేశిత కణాల సంఖ్య (ఆవేశిత కణాల సాంద్రత) n మరియు వాహకం యొక్క ఘనపరిమాణం A s = A vt అయితే,

అప్పుడు వాహకం యొక్క ఘనపరిమాణంలోని ఆవేశిత కణాల సంఖ్య n A v t అవుతుంది. ప్రతి ఆవేశిత కణానికి q ఆవేశం ఉంటే, t కాల వ్యవధిలో వాహకం కొన గుండా ప్రవహించే ఆవేశం Q = nq A v t అవుతుంది. కాబట్టి, వాహకం కొన 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.

వాహకంలో ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం అనేది ఆవేశిత కణాల సాంద్రత (n) యొక్క గుణకారాల లబ్ధం అని నిర్ధారించవచ్చు.

ప్రతి కణానికి ఉండే ఆవేశం పరిమాణం (q), వాహకం యొక్క వైశాల్యం (A) మరియు ఆవేశిత కణాల వేగం (v).

కింది ఉదాహరణ ప్రశ్నలను అధ్యయనం చేయండి.

నమూనా సమస్య 2:

3 x 10 అడ్డుకోత వైశాల్యం గల రాగి తీగలో 10 ఆంపియర్ల స్థిర విద్యుత్ ప్రవహిస్తోంది.^-6 m²స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ సాంద్రత 8.4 x 10²⁸ ఎలక్ట్రాన్లు/మీ³స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ డ్రిఫ్ట్ వేగాన్ని కనుగొనండి!

తెలిసిన:

విద్యుత్ ప్రవాహం (I) = 10 ఆంపియర్

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

కావలసినది: స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ డ్రిఫ్ట్ వేగం (v)

పరిష్కారం:

ఇంతకు ముందు ఉత్పాదించబడిన ఒక సూత్రాన్ని ఉపయోగించి ఎలక్ట్రాన్ల వేగాన్ని లెక్కిస్తారు:

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

ఎలక్ట్రాన్ డ్రిఫ్ట్ వేగం 0.248 x 10^-3 మీటర్లు/సెకను = 0.248 మిల్లీమీటర్లు/సెకను.

స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఒక తీగలో సెకనుకు 0.248 మిల్లీమీటర్ల వేగంతో కలిసి కదులుతాయి. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, ప్రతి సెకనుకు, అన్ని స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు 0.248 మిల్లీమీటర్ల దూరం కదులుతాయి. ఇది చాలా నెమ్మదైన వేగం. స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల కదలిక చాలా నెమ్మదిగా ఉంటే, స్విచ్ ఆన్ చేసిన వెంటనే విద్యుత్ దీపం ఎందుకు వెలుగుతుంది?

దీనిని అర్థం చేసుకోవడానికి, గొట్టంలో నీరు ప్రవహించినట్లుగా వాహకంలో ఎలక్ట్రాన్లు ప్రవహిస్తాయి. ఒకవేళ గొట్టం నీటితో నిండి ఉంటే, దాని ఒక చివరను కుళాయికి కలిపినప్పుడు, నీరు వెంటనే రెండవ గొట్టం యొక్క ఒక చివర నుండి బయటకు ప్రవహిస్తుంది. అదేవిధంగా, రాగి తీగలో మరియు లైట్ బల్బ్ తీగలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఉంటాయి. స్విచ్ ఆన్ చేసినప్పుడు, కాంతి వేగాన్ని సమీపించే వేగంతో ఒక విద్యుత్ క్షేత్రం ఉత్పన్నమవుతుంది (కాంతి వేగం = 3 x 10⁸).⁸ మీటర్లు/సెకను), దీనివల్ల ఆ క్షణంలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు కలిసి కదలడం ప్రారంభిస్తాయి. లైట్ బల్బ్ వైరులో అప్పటికే స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్లు ఉంటాయి, అందువల్ల సరిగ్గా ఆ క్షణంలో లైట్ వెలుగుతూ ఉంటుంది.

సమస్యలు మరియు పరిష్కారాలు

1. ఒక తీగలో 2 నిమిషాల పాటు 10 A స్థిరమైన విద్యుత్ ప్రవాహం ఉంది. ఎంత మొత్తంలో వసూలు కండక్టర్ గుండా ఏ ప్రదేశంలోనైనా వెళుతుంది.

తెలిసినది :

విద్యుత్ ప్రవాహం (I) = 10 A

సమయ వ్యవధి (t) = 2 నిమిషాలు = 2 x 60 సెకన్లు = 120 సెకన్లు

కావలసినది : ఛార్జ్ (Q)

పరిష్కారం:

విద్యుత్ ప్రవాహ సమీకరణం:

I = q/t

I = విద్యుత్ ప్రవాహం, q = విద్యుత్ ఆవేశం, t = కాల వ్యవధి

విద్యుత్ ఆవేశం:

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

2. సర్క్యూట్‌లోని ఒక బిందువు గుండా 5 నిమిషాల పాటు 60 C ఆవేశం ప్రవహిస్తుంది. విద్యుత్ ప్రవాహం ఎంత?

తెలిసినది :

సమయ వ్యవధి (t) = 5 నిమిషాలు = 5 x 60 సెకన్లు = 300 సెకన్లు

విద్యుత్ ఆవేశం (Q) = 60 C

కావలసినది : విద్యుత్ ప్రవాహం (I)

పరిష్కారం:

విద్యుత్ ప్రవాహం:

I = Q/t

I = 60/300

I = 0.2 కూలంబ్స్/సెకను

I = 0.2 ఆంపియర్లు

3. SI పద్ధతిలో విద్యుత్ ప్రవాహానికి ప్రమాణం…

సొల్యూషన్

కూలంబ్‌లు/సెకను

కూలంబ్స్/సెకన్లకు ఆంపియర్ అనే ప్రత్యేక పేరు పెట్టారు.