विद्युत प्रवाह व चुंबकत्व – सामान्य विज्ञान (Science) Notes

१. विद्युत प्रवाह आणि मूलभूत संकल्पना (Basic Concepts of Electricity)

विद्युत घटकांविषयी सखोल माहिती घेण्यापूर्वी काही मूलभूत व्याख्या व संकल्पना समजून घेणे आवश्यक आहे:

• विद्युत प्रभार (Electric Charge – Q): द्रव्याचा हा एक मूलभूत गुणधर्म आहे. प्रभाराचे दोन प्रकार असतात – धनप्रभार (+ve) आणि ऋणप्रभार (-ve).
  • प्रभाराचे SI एकक: कुलॉम (Coulomb – C).
  • एका इलेक्ट्रॉनवरील प्रभार = $1.6 \times 10^{-19} \text{ C}$ असतो.
• विद्युत प्रवाह (Electric Current – I): वाहकामधून वाहणाऱ्या विद्युत प्रभाराच्या दराला विद्युत प्रवाह म्हणतात.
  • सूत्र: $I = \frac{Q}{t}$ (येथे $Q$ = प्रभार, $t$ = वेळ)
  • SI एकक: ॲम्पिअर (Ampere – A). ($1 \text{ Ampere} = 1 \text{ Coulomb} / 1 \text{ Second}$)
  • विद्युत प्रवाह मोजण्यासाठी ॲमीटर (Ammeter) वापरतात. हे परिपथात नेहमी एकसर जोडणीत (Series) जोडतात.
• विभवांतर (Potential Difference – V): वाहकाच्या दोन टोकांमधील विद्युत पातळीतील फरकाला विभवांतर म्हणतात. विभवांतरामुळेच धन व ऋण प्रभारांचे वहन होते.
  • सूत्र: $V = \frac{W}{Q}$ (कार्य / प्रभार)
  • SI एकक: व्होल्ट (Volt – V).
  • विभवांतर मोजण्यासाठी व्होल्टमीटर (Voltmeter) वापरतात. हे परिपथात नेहमी समांतर जोडणीत (Parallel) जोडतात.

२. ओहमचा नियम व विद्युत रोध (Ohm’s Law & Resistance)

ओहमचा नियम (Ohm’s Law)

भौतिक स्थिती (तापमान, दाब, वाहकाची लांबी व क्षेत्रफळ) कायम असताना, वाहकातून वाहणारा विद्युत प्रवाह ($I$) हा त्या वाहकाच्या दोन टोकांमधील विभवांतराच्या ($V$) समप्रमाणात असतो.

$V \propto I \quad \Rightarrow \quad V = I \times R$

विद्युत रोध (Resistance – R) आणि रोधकता (Resistivity)

• रोध (R): वाहकातून जाणाऱ्या इलेक्ट्रॉनच्या प्रवाहाला होणाऱ्या अडथळ्याला ‘विद्युत रोध’ म्हणतात.
  • SI एकक: ओहम (Ohm – $\Omega$).
• रोधावर परिणाम करणारे घटक:
  • वाहकाची लांबी ($L$): रोध हा वाहकाच्या लांबीच्या समप्रमाणात असतो ($R \propto L$).
  • वाहकाच्या काटच्छेदाचे क्षेत्रफळ ($A$): रोध हा क्षेत्रफळाच्या व्यस्त प्रमाणात असतो ($R \propto \frac{1}{A}$).
  • तापमान: धातूंचा (वाहकांचा) रोध तापमान वाढल्यास वाढतो.
• विशिष्ट रोधकता ($\rho$ – Resistivity): $R = \rho \frac{L}{A}$. रोधकतेचे SI एकक ओहम-मीटर ($\Omega \cdot \text{m}$) आहे.

रोधांची जोडणी (Combination of Resistors)

३. विद्युत प्रवाहाचा औष्णिक परिणाम (Heating Effect of Current)

ज्यावेळी विद्युत प्रवाह उच्च रोध असलेल्या वाहकातून (उदा. निक्रोम) जातो, तेव्हा त्यात उष्णता निर्माण होते. याला ‘विद्युत प्रवाहाचा औष्णिक परिणाम’ म्हणतात.

• ज्यूलचा नियम (Joule’s Law of Heating): $H = I^2 \cdot R \cdot t$
  • निर्माण होणारी उष्णता ($H$) ही विद्युत प्रवाहाच्या वर्गाच्या ($I^2$), रोधाच्या ($R$) आणि वेळेच्या ($t$) समप्रमाणात असते.
• विद्युत शक्ती (Electric Power – P): विद्युत काम करण्याचा दर म्हणजे विद्युत शक्ती होय.
  • सूत्र: $P = \frac{W}{t} = V \times I = I^2 R = \frac{V^2}{R}$
  • SI एकक: वॉट (Watt – W).
• व्यावसायिक एकक (Commercial Unit of Electricity):
  • विद्युत ऊर्जेचे व्यावसायिक एकक किलोवॉट-तास (kWh) किंवा ‘युनिट’ (Unit) आहे.
  • $1 \text{ kWh} = 3.6 \times 10^6 \text{ Joules}$ ($3.6 \text{ MJ}$) [परीक्षांमध्ये वारंवार विचारला जाणारा प्रश्न]
• औष्णिक परिणामावर आधारित उपकरणे:
  • इलेक्ट्रिक इस्त्री, गिझर, टोस्टर: यामध्ये निक्रोम (Nichrome – निकेल + क्रोमियम) या उच्च रोधकता असलेल्या मिश्रधातूच्या कुंडलचा (Coil) वापर केला जातो.
  • विद्युत दिवा (Bulb): यामध्ये अत्यंत उच्च वितळण बिंदू असलेल्या टंगस्टन (Tungsten – $W$) धातूच्या तारेचा वापर होतो. दिव्यामध्ये आर्गॉन किंवा नायट्रोजन वायू भरतात.
  • वितळतार (Fuse Wire): परिपथाचे रक्षण करण्यासाठी वापरली जाते. ती शीसे (Lead) व कथिल (Tin) यांच्या मिश्रधातूपासून बनवतात. हिचा रोध जास्त व वितळण बिंदू कमी असतो.

४. विद्युत प्रवाहाचा चुंबकीय परिणाम (Magnetic Effect of Current)

एखाद्या वाहकातून विद्युत प्रवाह जात असताना त्याच्या सभोवताली चुंबकीय क्षेत्र (Magnetic Field) निर्माण होते. याचा शोध हॅन्स ख्रिश्चन ओर्स्टेड यांनी लावला.

उजव्या हाताच्या अंगठ्याचा नियम (Right-Hand Thumb Rule)

असे माना की, तुम्ही तुमच्या उजव्या हातात विद्युत वाहक तार पकडली आहे, जेणेकरून अंगठा विद्युत प्रवाहाच्या ($I$) दिशेने आहे. अशा वेळी वाहकाला वेढणारी तुमची दुमडलेली बोटे चुंबकीय रेषांची (Magnetic Field Lines) दिशा दर्शवतात.

नालाकृती रोधक वेष्टन असलेला वाहक (Solenoid)

तांब्याच्या तारेचे नळीसारखे वलयकार कुंडल बनवल्यास त्याला ‘सोलेनाईड’ (Solenoid) म्हणतात. यातून विद्युत प्रवाह सोडल्यास ते अगदी एका पट्टी चुंबकाप्रमाणे (Bar Magnet) कार्य करते, ज्याला एक उत्तर ध्रुव (N) आणि एक दक्षिण ध्रुव (S) प्राप्त होतो.

५. चुंबकीय क्षेत्रातील वाहकावरील बल व उपकरणे

चुंबकीय क्षेत्रात ठेवलेल्या विद्युत प्रवाहयुक्त वाहकावर बल (Force) प्रयुक्त होते. हे बल विद्युत प्रवाहाची दिशा आणि चुंबकीय क्षेत्राची दिशा या दोन्हीला लंब असते.

फ्लेमिंगचा डाव्या हाताचा नियम (Fleming’s Left-Hand Rule) – विद्युत मोटार

• डाव्या हाताचा अंगठा, तर्जनी (पहिले बोट) आणि मध्यमा (मधले बोट) एकमेकांना लंब राहतील असे प्रसारीत करा:
  • तर्जनी: चुंबकीय क्षेत्राची दिशा (Magnetic Field)
  • मध्यमा: विद्युत प्रवाहाची दिशा (Current)
  • अंगठा: वाहकावरील बलाची / हालचालीची दिशा (Force / Motion)
• उपयोग: विद्युत मोटार (Electric Motor), पंखे, मिक्सर, वॉशिंग मशीन.
• विद्युत मोटारचे कार्य: विद्युत ऊर्जेचे रूपांतर यांत्रिक ऊर्जेत करणे.

६. विद्युतचुंबकीय प्रवर्तन (Electromagnetic Induction – EMI)

वाहकातील चुंबकीय क्षेत्र बदलल्यास वाहकामध्ये विद्युत प्रवाह प्रेरित (Induce) होतो, या प्रक्रियेला ‘विद्युतचुंबकीय प्रवर्तन’ म्हणतात. याचा शोध मायकेल फॅराडे (Michael Faraday) यांनी लावला.

फ्लेमिंगचा उजव्या हाताचा नियम (Fleming’s Right-Hand Rule) – विद्युत जनित्र

• उजव्या हाताचा अंगठा, तर्जनी आणि मध्यमा परस्परांना लंब ठेवल्यास:
  • तर्जनी: चुंबकीय क्षेत्राची दिशा
  • अंगठा: वाहकाच्या हालचालीची दिशा
  • मध्यमा: प्रेरित विद्युत प्रवाहाची दिशा (Induced Current)
• उपयोग: विद्युत जनित्र (Electric Generator / Dynamo).
• विद्युत जनित्रचे कार्य: यांत्रिक ऊर्जेचे रूपांतर विद्युत ऊर्जेत करणे.

दिष्ट धारा (DC) आणि प्रत्यावर्ती धारा (AC) यांतील फरक