विद्युत धारा के शोर्ट नोट्स | Electric current | chapter-3 | class-12th | physics | pdf
विद्युत धारा विद्युत आवेश का प्रवाह है। यह एक संवाहक माध्यम के माध्यम से विद्युत आवेशित कणों, जैसे इलेक्ट्रॉनों की गति है। विद्युत धारा को एम्पीयर में मापा जाता है, जो कि वह दर है जिस पर विद्युत आवेश एक परिपथ में एक बिंदु से आगे प्रवाहित होता है।
विद्युत धारा पर हमारे व्यापक लेख में आपका स्वागत है। इस लेख में, हम विद्युत धारा के मूल सिद्धांतों में तल्लीन होंगे और यह समझने में आपकी सहायता करेंगे कि यह कैसे काम करता है, इसका उपयोग किस लिए किया जाता है, इस अध्याय से जुड़े हुए आपके सभी प्रश्नो का अंत हम आज करेंगे।
विद्युत धारा किसे कहते है ?
विद्युत धारा एक सामग्री में विद्युत आवेश का प्रवाह है, जो आमतौर पर गतिमान इलेक्ट्रॉनों द्वारा किया जाता है। यह इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में एक मौलिक अवधारणा है और हमारे दैनिक जीवन के कई पहलुओं में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है।
सरल शब्दों में, विद्युत धारा एक चालक जैसे तार के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों की गति है। एक पानी की नली की कल्पना करें, जहां पानी का प्रवाह विद्युत धारा के प्रवाह का प्रतिनिधित्व करता है, और नली कंडक्टर का प्रतिनिधित्व करती है। नली के माध्यम से पानी का प्रवाह कंडक्टर के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के समान होता है।
विद्युत धारा को आम तौर पर एम्पीयर की इकाइयों में मापा जाता है (संक्षिप्त रूप में “amps” या “A”), और इसे “I” प्रतीक द्वारा दर्शाया जाता है। एक कंडक्टर में विद्युत प्रवाह की मात्रा दो कारकों पर निर्भर करती है: कंडक्टर में लगाया गया वोल्टेज और कंडक्टर का प्रतिरोध।
चालक में विद्युत धारा – Current In The Conductor
एक चालक के संदर्भ में, विद्युत धारा वाहन के विद्युत तंत्र के माध्यम से विद्युत आवेश के प्रवाह को संदर्भित करता है, हेडलाइट्स, रेडियो और एयर कंडीशनिंग जैसे विभिन्न घटकों को शक्ति प्रदान करता है।
एक चालक के वाहन में विद्युत धारा की आपूर्ति आमतौर पर एक बैटरी द्वारा की जाती है, जो विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत और जारी करती है। जब चालक इग्निशन को चालू करता है, तो बैटरी स्टार्टर मोटर के माध्यम से विद्युत प्रवाह भेजती है, जो इंजन के क्रैंकशाफ्ट को घुमाती है और दहन प्रक्रिया शुरू करती है।
जैसे ही इंजन चलता है, अल्टरनेटर बैटरी को चार्ज करने के लिए बिजली पैदा करता है और वाहन के इलेक्ट्रिकल सिस्टम को पावर देता है। अल्टरनेटर यांत्रिक ऊर्जा को इंजन से विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है, जिसे फिर वाहन के वायरिंग सिस्टम के माध्यम से विभिन्न घटकों में वितरित किया जाता है।
चालक के वाहन के माध्यम से प्रवाहित होने वाली विद्युत धारा को आम तौर पर एम्पीयर (एम्पियर) की इकाइयों में मापा जाता है, और बैटरी द्वारा आपूर्ति की जाने वाली वोल्टेज आमतौर पर लगभग 12 वोल्ट होती है। हालाँकि, कुछ वाहनों में उच्च वोल्टेज विद्युत प्रणालियाँ हो सकती हैं, जैसे हाइब्रिड और इलेक्ट्रिक वाहन।
कुल मिलाकर, सुरक्षित और कुशल संचालन सुनिश्चित करने के लिए विद्युत प्रणाली को बनाए रखने और समस्या निवारण के लिए चालक के वाहन में विद्युत प्रवाह को समझना महत्वपूर्ण है।
ओम का नियम – Ohm’s Law
ओम का नियम एक मौलिक अवधारणा है जो एक सर्किट में विद्युत धारा, वोल्टेज और प्रतिरोध के बीच संबंध का वर्णन करता है। इसमें कहा गया है कि दो बिंदुओं के बीच एक कंडक्टर के माध्यम से धारा सीधे दो बिंदुओं पर वोल्टेज के समानुपाती होती है और उनके बीच प्रतिरोध के व्युत्क्रमानुपाती होती है।
सरल शब्दों में, ओम का नियम निम्नलिखित समीकरण का उपयोग करके व्यक्त किया जा सकता है:
I = V/R
जहाँ I एम्पीयर में करंट है, V वोल्ट में वोल्टेज है, और R ओम में प्रतिरोध है।
इसका मतलब यह है कि यदि एक सर्किट में वोल्टेज बढ़ाया जाता है, तो इसके माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा भी बढ़ जाएगी, यह मानते हुए कि प्रतिरोध स्थिर रहता है। इसी प्रकार, यदि प्रतिरोध बढ़ा दिया जाता है, तो वोल्टेज स्थिर रहता है, यह मानते हुए वर्तमान कम हो जाएगा।
विद्युत परिपथों के डिजाइन और विश्लेषण में ओम का नियम आवश्यक है, और इसका उपयोग विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में किया जाता है, जिसमें बिजली उत्पादन, इलेक्ट्रॉनिक्स और दूरसंचार शामिल हैं। इसका नाम जर्मन भौतिक वैज्ञानिक जॉर्ज साइमन ओम के नाम पर रखा गया था, जिन्होंने पहली बार इसे 1827 में तैयार किया था।
ओम के नियम की सीमाएं – Limitations of Ohm’s Law
ओम के नियम की कई सीमाएँ हैं जिन पर विचार किया जाना चाहिए:
1. गैर-रेखीय घटक
ओम का नियम केवल रैखिक घटकों पर लागू होता है, जिसका अर्थ है कि प्रतिरोध लागू वोल्टेज या वर्तमान की परवाह किए बिना स्थिर रहता है। हालाँकि, कई इलेक्ट्रॉनिक घटक जैसे डायोड और ट्रांजिस्टर गैर-रैखिक हैं और ओम के नियम का पालन नहीं करते हैं।
2. तापमान प्रभाव:
एक कंडक्टर का प्रतिरोध तापमान के साथ बदल सकता है, जो ओम के नियम की गणना की सटीकता को प्रभावित कर सकता है। कुछ मामलों में, तापमान परिवर्तन काफी महत्वपूर्ण हो सकता है जिससे प्रतिरोध अपेक्षित मूल्य से विचलित हो सकता है।
3. आवृत्ति निर्भरता
ओम का नियम केवल डीसी सर्किट पर लागू होता है और एसी सर्किट पर लागू नहीं हो सकता है, जहां इंडक्शन और कैपेसिटेंस जैसे अन्य कारक चलन में आ सकते हैं।
4. कंडक्टर का आकार
एक कंडक्टर का प्रतिरोध उसके आकार, आकार और भौतिक गुणों पर निर्भर करता है। ऐसे मामलों में जहां कंडक्टर एक समान नहीं है या उसमें अनियमितताएं हैं, ओम के नियम की गणना की सटीकता से समझौता किया जा सकता है।
भौतिक सीमाएँ
ओम का नियम मानता है कि कंडक्टर में प्रयुक्त सामग्री सजातीय और आइसोट्रोपिक है। हालांकि, कुछ मामलों में, सामग्री में विभिन्न गुणों वाले स्थानीयकृत क्षेत्र हो सकते हैं जो कंडक्टर के प्रतिरोध को प्रभावित कर सकते हैं।
संक्षेप में, जबकि ओम का नियम इलेक्ट्रॉनिक्स में एक उपयोगी उपकरण है, इसकी कई सीमाएँ हैं जिन्हें सटीक गणना और डेटा की व्याख्या सुनिश्चित करने के लिए विचार किया जाना चाहिए।
प्रतिरोधकता की ताप पर निर्भरता। Dependence of resistivity on temperature
किसी सामग्री की प्रतिरोधकता विद्युत धारा के प्रवाह का विरोध करने के लिए उसकी अंतर्निहित संपत्ति को संदर्भित करती है। प्रतिरोधकता सामग्री के तापमान सहित विभिन्न कारकों से प्रभावित होती है। पदार्थ विज्ञान और इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग में तापमान पर प्रतिरोधकता की निर्भरता एक महत्वपूर्ण घटना है।
सामान्य तौर पर, बढ़ते तापमान के साथ अधिकांश सामग्रियों की प्रतिरोधकता बढ़ जाती है। ऐसा इसलिए है क्योंकि सामग्री में परमाणु उच्च तापमान पर अधिक तेजी से कंपन करते हैं, जिससे इलेक्ट्रॉनों और सामग्री की जाली संरचना के बीच अधिक टकराव होता है। ये टकराव विद्युत धारा के प्रवाह के लिए अधिक प्रतिरोध पैदा करते हैं, जिसके परिणामस्वरूप प्रतिरोधकता में वृद्धि होती है।
हालांकि, प्रतिरोधकता की तापमान निर्भरता की सटीक प्रकृति सामग्री के आधार पर भिन्न हो सकती है। कुछ सामग्रियों में, विशिष्ट तापमान सीमाओं पर बढ़ते तापमान के साथ प्रतिरोधकता कम हो सकती है। इसे प्रतिरोधकता के एक नकारात्मक तापमान गुणांक के रूप में जाना जाता है, और अर्धचालक और सुपरकंडक्टर्स जैसी सामग्री में देखा जाता है
प्रतिरोधकता की तापमान निर्भरता इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के डिजाइन और संचालन में एक महत्वपूर्ण विचार है, क्योंकि तापमान में परिवर्तन इन उपकरणों में प्रयुक्त सामग्रियों के विद्युत गुणों को प्रभावित कर सकता है। अनुप्रयोगों की एक विस्तृत श्रृंखला में इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों के विश्वसनीय और कुशल संचालन को सुनिश्चित करने के लिए प्रतिरोधकता की तापमान निर्भरता की सटीक भविष्यवाणी करना आवश्यक है।
प्रतिरोधकों का संयोजन – श्रेणी संयोजन तथा पार्श्व संयोजन – Combination of resistors – series combination and parallel combination
प्रतिरोध विद्युत घटक होते हैं जो आमतौर पर विद्युत धारा के प्रवाह को सीमित करने के लिए सर्किट में उपयोग किए जाते हैं। कुछ मामलों में, विशिष्ट विद्युत गुणों को प्राप्त करने के लिए प्रतिरोधों को श्रृंखला या समानांतर में जोड़ा जा सकता है।
प्रतिरोधों के एक श्रृंखला संयोजन में, दो या दो से अधिक प्रतिरोधक सिरे से सिरे तक जुड़े होते हैं ताकि धारा प्रत्येक प्रतिरोधक से अनुक्रम में प्रवाहित हो। श्रृंखला संयोजन का कुल प्रतिरोध प्रत्येक प्रतिरोधक के अलग-अलग प्रतिरोधों के योग के बराबर है। इस प्रकार, यदि R1, R2, और R3 श्रृंखला में जुड़े तीन प्रतिरोधों के प्रतिरोध हैं, तो संयोजन का कुल प्रतिरोध
R = R1 + R2 + R3
द्वारा दिया जाता है।
प्रतिरोधों के एक समानांतर संयोजन में, दो या दो से अधिक प्रतिरोधक जुड़े होते हैं ताकि वे समान दो नोड्स को साझा करें, साथ ही प्रत्येक प्रतिरोधक के माध्यम से एक साथ प्रवाहित हो। समानांतर संयोजन का कुल प्रतिरोध प्रत्येक व्यक्तिगत प्रतिरोध के व्युत्क्रम के योग के व्युत्क्रम द्वारा दिया जाता है। इस प्रकार, यदि R1, R2, और R3 समानांतर में जुड़े तीन प्रतिरोधों के प्रतिरोध हैं, तो संयोजन (Rp) का कुल प्रतिरोध
1/Rp = 1/R1 + 1/R2 + 1/R3
द्वारा दिया जाता है।
प्रतिरोधों के श्रृंखला और समांतर संयोजनों में विभिन्न विद्युत गुण होते हैं। एक श्रृंखला संयोजन में, कुल प्रतिरोध हमेशा किसी भी प्रतिरोधक के प्रतिरोध से अधिक होता है, और प्रत्येक प्रतिरोधक के माध्यम से प्रवाहित होने वाली धारा समान होती है। इसके विपरीत, एक समानांतर संयोजन में, कुल प्रतिरोध हमेशा किसी एक प्रतिरोधक के प्रतिरोध से कम होता है, और प्रत्येक प्रतिरोधक के सिरों पर वोल्टेज समान होता है।
श्रृंखला या समानांतर में प्रतिरोधों को संयोजित करने की क्षमता विद्युत परिपथों के डिजाइन और विश्लेषण में एक महत्वपूर्ण उपकरण है, और इसका उपयोग वोल्टेज विनियमन या वर्तमान सीमित करने जैसे विशिष्ट विद्युत गुणों को प्राप्त करने के लिए किया जाता है।
सेल – Cell
एक सेल में आमतौर पर दो इलेक्ट्रोड होते हैं, एक पॉजिटिव और एक नेगेटिव, जो एक इलेक्ट्रोलाइट द्वारा अलग किए जाते हैं। सेल के भीतर होने वाली रासायनिक प्रतिक्रिया नकारात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) से सकारात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) तक इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह का कारण बनती है, जिससे विद्युत प्रवाह उत्पन्न होता है। सेल द्वारा उत्पादित वोल्टेज इलेक्ट्रोड और इलेक्ट्रोलाइट में प्रयुक्त सामग्री पर निर्भर करता है।
विद्युत वाहक बल – Electromotive Force
विद्युत वाहक बल (EMF) ऊर्जा प्रति यूनिट चार्ज को संदर्भित करता है जो एक बैटरी या जनरेटर जैसे स्रोत द्वारा उत्पादित होता है, जो एक सर्किट के माध्यम से विद्युत धारा को चलाने में सक्षम होता है। EMF को आमतौर पर वोल्ट (V) में मापा जाता है और यह बिजली और चुंबकत्व के अध्ययन में एक मौलिक अवधारणा है।
“विद्युत वाहक बल” शब्द कुछ हद तक भ्रामक है, क्योंकि यह वास्तव में पारंपरिक अर्थों में बल का उल्लेख नहीं करता है। बल्कि, यह प्रति यूनिट चार्ज ऊर्जा का एक माप है जो स्रोत द्वारा उत्पादित होता है, जो सर्किट के माध्यम से विद्युत धारा को चलाता है।
विद्युत परिपथों के डिजाइन और विश्लेषण में ईएमएफ की अवधारणा महत्वपूर्ण है, क्योंकि यह अधिकतम संभावित अंतर को निर्धारित करता है जो एक स्रोत द्वारा उत्पादित किया जा सकता है, और इस प्रकार अधिकतम वर्तमान जो सर्किट के माध्यम से चलाया जा सकता है। इसका उपयोग विभिन्न प्रकार के व्यावहारिक अनुप्रयोगों में भी किया जाता है, जैसे कि बिजली की आपूर्ति और इलेक्ट्रिक मोटर्स के डिजाइन में।
आतंरिक प्रतिरोध – Internal Resistance
आंतरिक प्रतिरोध विद्युत धारा के प्रवाह के लिए विद्युत वाहक बल (EMF) जैसे बैटरी या जनरेटर के स्रोत के अंतर्निहित प्रतिरोध को संदर्भित करता है। आंतरिक प्रतिरोध स्रोत के निर्माण में उपयोग की जाने वाली सामग्रियों के प्रतिरोध के साथ-साथ बैटरी के मामले में इलेक्ट्रोलाइट के प्रतिरोध जैसे अन्य कारकों के कारण उत्पन्न होता है।
एक स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध को एक अतिरिक्त प्रतिरोध के रूप में माना जा सकता है जिसे सर्किट के भार प्रतिरोध के साथ श्रृंखला में रखा जाता है। जब सर्किट से करंट प्रवाहित होता है, तो स्रोत के आंतरिक प्रतिरोध के प्रतिरोध के कारण कुछ विद्युत ऊर्जा ऊष्मा के रूप में खो जाती है।
कुल मिलाकर, आंतरिक प्रतिरोध बिजली और विद्युत चुंबकत्व के अध्ययन में एक महत्वपूर्ण अवधारणा है, और बैटरी और जनरेटर जैसे ईएमएफ के स्रोतों के व्यवहार में एक मूलभूत कारक है।
किरचॉफ का नियम – Kirchhoff’s law
किरचॉफ के नियम, जिन्हें किरचॉफ के सर्किट नियम के रूप में भी जाना जाता है, मूलभूत नियमों का एक समूह है जो विद्युत सर्किट के व्यवहार को नियंत्रित करता है। वे 19वीं शताब्दी के मध्य में जर्मन भौतिक वैज्ञानिक गुस्ताव किरचॉफ द्वारा विकसित किए गए थे, और आज भी विद्युत परिपथों के विश्लेषण और डिजाइन में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं।
किरचॉफ के नियमों में दो अलग-अलग लेकिन संबंधित सिद्धांत शामिल हैं:
1. किरचॉफ का पहला नियम
किरचॉफ का पहला नियम, जिसे आवेश के संरक्षण के नियम के रूप में भी जाना जाता है, कहता है कि सर्किट में किसी भी बिंदु पर प्रवेश करने वाले आवेश की कुल मात्रा उस बिंदु को छोड़ने वाले आवेश की कुल मात्रा के बराबर होनी चाहिए। यह नियम विद्युत आवेश के संरक्षण के सिद्धांत पर आधारित है, जिसके अनुसार विद्युत आवेश को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, केवल एक स्थान से दूसरे स्थान पर स्थानांतरित किया जा सकता है।
1. किरचॉफ का दूसरा नियम
किरचॉफ का दूसरा नियम, जिसे ऊर्जा के संरक्षण के नियम के रूप में भी जाना जाता है, कहता है कि सर्किट में किसी बंद लूप में वोल्टेज का योग शून्य के बराबर होना चाहिए। यह नियम ऊर्जा के संरक्षण के सिद्धांत पर आधारित है, जिसके अनुसार ऊर्जा को न तो बनाया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है, केवल एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित किया जा सकता है।
साथ में, किरचॉफ के नियम विद्युत परिपथों के व्यवहार को समझने के लिए एक शक्तिशाली रूपरेखा प्रदान करते हैं। उनका उपयोग सर्किट में अलग-अलग घटकों के वर्तमान, वोल्टेज और प्रतिरोध की गणना करने के लिए किया जा सकता है, और पूरे सर्किट के समग्र व्यवहार की भविष्यवाणी करने के लिए किया जा सकता है।
किरचॉफ के नियम इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग के अध्ययन के लिए मौलिक हैं, और सरल सर्किट से लेकर जटिल पावर ग्रिड तक, इलेक्ट्रिकल और इलेक्ट्रॉनिक प्रणालियों की एक विस्तृत श्रृंखला के डिजाइन और विश्लेषण के लिए आवश्यक हैं।
व्हीटस्टोन सेतु – Wheatstone Bridge
व्हीटस्टोन ब्रिज एक सर्किट है जिसका उपयोग अज्ञात विद्युत घटक के प्रतिरोध को मापने के लिए किया जाता है, जैसे कि प्रतिरोधक या तनाव गेज। इसका आविष्कार 19वीं शताब्दी के मध्य में ब्रिटिश वैज्ञानिक सर चार्ल्स व्हीटस्टोन द्वारा किया गया था, और आज भी विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।
व्हीटस्टोन ब्रिज में हीरे के आकार के पैटर्न में जुड़े चार प्रतिरोधक होते हैं, जिसमें पुल की एक भुजा में स्थित अज्ञात अवरोधक होता है। हीरे के दो कोनों पर एक वोल्टेज स्रोत लगाया जाता है, और गैल्वेनोमीटर जैसा एक डिटेक्टर अन्य दो कोनों से जुड़ा होता है।
ब्रिज में प्रतिरोधों में से एक के मान को समायोजित करके, डिटेक्टर के पार वोल्टेज शून्य तक पहुंचने के लिए बनाया जा सकता है, यह दर्शाता है कि पुल संतुलित है। इस बिंदु पर, पुल में ज्ञात प्रतिरोधों के अनुपात का उपयोग अज्ञात प्रतिरोधक के मान की गणना करने के लिए किया जा सकता है।
व्हीटस्टोन ब्रिज का व्यापक रूप से विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोग किया जाता है, जिसमें स्ट्रेन गेज, थर्मिस्टर्स और अन्य सेंसर शामिल हैं। इसका उपयोग इलेक्ट्रॉनिक सर्किट डिजाइन और परीक्षण में भी किया जाता है, और यह इलेक्ट्रिकल इंजीनियरों और तकनीशियनों के लिए एक आवश्यक उपकरण है।
मीटर सेतु – Meter Bridge
एक मीटर ब्रिज एक उपकरण है जिसका उपयोग कंडक्टर के प्रतिरोध को मापने के लिए किया जाता है, आमतौर पर तार या प्रतिरोधक। यह व्हीटस्टोन ब्रिज के सिद्धांत के समान है, लेकिन डिजाइन में सरल और उपयोग में आसान है।
मीटर ब्रिज में एक लंबा तार होता है, जो आमतौर पर तांबे जैसे कम प्रतिरोध वाली सामग्री से बना होता है, जिसे लकड़ी या प्लास्टिक के आधार पर लगाया जाता है। दो समायोज्य प्रतिरोधक, जिन्हें अनुपात भुजा कहा जाता है, आधार पर लगे होते हैं, एक तार के प्रत्येक सिरे पर। एक तीसरा प्रतिरोधक, जिसका मान मापा जाना है, अनुपात भुजाओं के बीच किसी बिंदु पर तार के साथ श्रृंखला में जुड़ा होता है।
विभवमापी – Potentiometer
विभवमापी एक विद्युत घटक है जिसका उपयोग सर्किट में वोल्टेज को मापने या नियंत्रित करने के लिए किया जाता है। इसमें एक प्रतिरोधी तत्व होता है, आमतौर पर कार्बन या धातु जैसे प्रतिरोधी सामग्री की एक लंबी, संकीर्ण पट्टी, एक चलने योग्य संपर्क के साथ, जिसे वाइपर कहा जाता है, जो प्रतिरोध को बदलने के लिए पट्टी के साथ स्लाइड कर सकता है।
विभवमापी आमतौर पर विभिन्न प्रकार के अनुप्रयोगों में उपयोग किए जाते हैं, जिनमें ऑडियो उपकरण, प्रकाश नियंत्रण और इंस्ट्रूमेंटेशन शामिल हैं। वे अक्सर ऑडियो उपकरण में वॉल्यूम नियंत्रण या टोन नियंत्रण के रूप में या इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में पूर्वाग्रह वोल्टेज सेट करने के लिए वोल्टेज डिवाइडर के रूप में उपयोग किए जाते हैं।