विद्युत की भौतिकी एक ऐसी चीज है जिससे हम सभी को निपटना है। लेख में हम इससे जुड़ी बुनियादी अवधारणाओं पर विचार करेंगे।
बिजली क्या है? एक अशिक्षित व्यक्ति के लिए, यह बिजली की चमक या टीवी और वॉशिंग मशीन को खिलाने वाली ऊर्जा के साथ जुड़ा हुआ है। वह जानता है कि इलेक्ट्रिक ट्रेनें विद्युत ऊर्जा का उपयोग करती हैं। वह और क्या कह सकता है? बिजली की लाइनें उसे बिजली पर हमारी निर्भरता की याद दिलाती हैं। कोई कुछ अन्य उदाहरण दे सकता है।
हालांकि, कई अन्य, इतने स्पष्ट नहीं हैं, लेकिन रोजमर्रा की घटनाएं बिजली से जुड़ी हैं। भौतिकी हमें उन सभी से परिचित कराती है। हम स्कूल में बिजली (कार्य, परिभाषा और सूत्र) का अध्ययन करना शुरू करते हैं। और हम बहुत सी रोचक बातें सीखते हैं। यह पता चला है कि एक धड़कता हुआ दिल, एक दौड़ता हुआ एथलीट, एक सोता हुआ बच्चा और एक तैरती मछली सभी विद्युत ऊर्जा उत्पन्न करते हैं।
इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन
आइए बुनियादी अवधारणाओं को परिभाषित करते हैं। एक वैज्ञानिक के दृष्टिकोण से, विद्युत का भौतिकी विभिन्न पदार्थों में इलेक्ट्रॉनों और अन्य आवेशित कणों की गति से जुड़ा है। इसलिए, हमारे लिए रुचि की घटना की प्रकृति की वैज्ञानिक समझ परमाणुओं और उनके घटक उप-परमाणु कणों के बारे में ज्ञान के स्तर पर निर्भर करती है।छोटा इलेक्ट्रॉन इस समझ की कुंजी है। किसी भी पदार्थ के परमाणुओं में एक या एक से अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं जो नाभिक के चारों ओर विभिन्न कक्षाओं में घूमते हैं, जैसे ग्रह सूर्य के चारों ओर घूमते हैं। आमतौर पर एक परमाणु में इलेक्ट्रॉनों की संख्या नाभिक में प्रोटॉन की संख्या के बराबर होती है। हालांकि, प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉनों की तुलना में बहुत भारी होने के कारण, परमाणु के केंद्र में स्थिर माना जा सकता है। परमाणु का यह अत्यंत सरलीकृत मॉडल विद्युत भौतिकी जैसी घटना की मूल बातें समझाने के लिए पर्याप्त है।
आपको और क्या जानने की जरूरत है? इलेक्ट्रॉनों और प्रोटॉन में समान विद्युत आवेश (लेकिन अलग-अलग चिन्ह) होते हैं, इसलिए वे एक दूसरे के प्रति आकर्षित होते हैं। एक प्रोटॉन का आवेश धनात्मक होता है और एक इलेक्ट्रॉन का ऋणात्मक होता है। जिस परमाणु में सामान्य से अधिक या कम इलेक्ट्रॉन होते हैं, उसे आयन कहते हैं। यदि किसी परमाणु में इनकी पर्याप्त मात्रा न हो तो इसे धनात्मक आयन कहते हैं। यदि इसमें इनकी अधिकता हो तो इसे ऋणात्मक आयन कहते हैं।
जब एक इलेक्ट्रॉन परमाणु छोड़ता है, तो यह कुछ सकारात्मक चार्ज प्राप्त करता है। एक इलेक्ट्रॉन, इसके विपरीत - एक प्रोटॉन से वंचित, या तो दूसरे परमाणु में चला जाता है, या पिछले एक पर वापस आ जाता है।
इलेक्ट्रॉन परमाणु क्यों छोड़ते हैं?
यह कई कारणों से है। सबसे सामान्य बात यह है कि प्रकाश की एक स्पंद या किसी बाहरी इलेक्ट्रॉन के प्रभाव में, एक परमाणु में घूमने वाला एक इलेक्ट्रॉन अपनी कक्षा से बाहर खटखटाया जा सकता है। गर्मी से परमाणु तेजी से कंपन करते हैं। इसका मतलब है कि इलेक्ट्रॉन अपने परमाणु से बाहर निकल सकते हैं। रासायनिक अभिक्रियाओं में ये परमाणु से की ओर भी गति करते हैंपरमाणु।
रासायनिक और विद्युत गतिविधि के बीच संबंध का एक अच्छा उदाहरण हमारी मांसपेशियों द्वारा प्रदान किया जाता है। तंत्रिका तंत्र से विद्युत संकेत के संपर्क में आने पर उनके तंतु सिकुड़ जाते हैं। विद्युत प्रवाह रासायनिक प्रतिक्रियाओं को उत्तेजित करता है। वे मांसपेशियों में संकुचन की ओर ले जाते हैं। बाहरी विद्युत संकेतों का उपयोग अक्सर मांसपेशियों की गतिविधि को कृत्रिम रूप से उत्तेजित करने के लिए किया जाता है।
चालकता
कुछ पदार्थों में, बाहरी विद्युत क्षेत्र की क्रिया के तहत इलेक्ट्रॉन दूसरों की तुलना में अधिक स्वतंत्र रूप से चलते हैं। ऐसे पदार्थों को अच्छी चालकता कहा जाता है। उन्हें कंडक्टर कहा जाता है। इनमें अधिकांश धातुएं, गर्म गैसें और कुछ तरल पदार्थ शामिल हैं। वायु, रबर, तेल, पॉलीथीन और कांच बिजली के कुचालक हैं। उन्हें डाइलेक्ट्रिक्स कहा जाता है और अच्छे कंडक्टरों को इन्सुलेट करने के लिए उपयोग किया जाता है। आदर्श इन्सुलेटर (बिल्कुल गैर-प्रवाहकीय) मौजूद नहीं हैं। कुछ शर्तों के तहत, किसी भी परमाणु से इलेक्ट्रॉनों को हटाया जा सकता है। हालांकि, इन शर्तों को पूरा करना आमतौर पर इतना कठिन होता है कि व्यावहारिक दृष्टिकोण से, ऐसे पदार्थों को गैर-प्रवाहकीय माना जा सकता है।
भौतिकी (खंड "विद्युत") जैसे विज्ञान से परिचित होने पर, हम सीखते हैं कि पदार्थों का एक विशेष समूह है। ये अर्धचालक हैं। वे आंशिक रूप से डाइलेक्ट्रिक्स के रूप में और आंशिक रूप से कंडक्टर के रूप में व्यवहार करते हैं। इनमें शामिल हैं, विशेष रूप से: जर्मेनियम, सिलिकॉन, कॉपर ऑक्साइड। अपने गुणों के कारण, अर्धचालक को कई अनुप्रयोग मिलते हैं। उदाहरण के लिए, यह एक इलेक्ट्रिक वाल्व के रूप में काम कर सकता है: साइकिल टायर वाल्व की तरह, यहआवेशों को केवल एक दिशा में ले जाने की अनुमति देता है। ऐसे उपकरणों को रेक्टिफायर कहा जाता है। एसी को डीसी में बदलने के लिए उनका उपयोग लघु रेडियो के साथ-साथ बड़े बिजली संयंत्रों में भी किया जाता है।
गर्मी अणुओं या परमाणुओं की गति का एक अराजक रूप है, और तापमान इस गति की तीव्रता का एक माप है (अधिकांश धातुओं में, घटते तापमान के साथ, इलेक्ट्रॉनों की गति अधिक मुक्त हो जाती है)। इसका मतलब है कि घटते तापमान के साथ इलेक्ट्रॉनों की मुक्त गति का प्रतिरोध कम हो जाता है। दूसरे शब्दों में, धातुओं की चालकता बढ़ जाती है।
अतिचालकता
कुछ पदार्थों में बहुत कम तापमान पर, इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह का प्रतिरोध पूरी तरह से गायब हो जाता है, और इलेक्ट्रॉनों ने चलना शुरू कर दिया, इसे अनिश्चित काल तक जारी रखा। इस घटना को अतिचालकता कहा जाता है। तापमान पर परम शून्य (-273 डिग्री सेल्सियस) से कुछ डिग्री ऊपर, यह टिन, सीसा, एल्यूमीनियम और नाइओबियम जैसी धातुओं में देखा जाता है।
वैन डे ग्रैफ़ जेनरेटर
स्कूल के पाठ्यक्रम में बिजली के साथ विभिन्न प्रयोग शामिल हैं। जनरेटर कई प्रकार के होते हैं, जिनमें से एक के बारे में हम विस्तार से बात करना चाहेंगे। वैन डी ग्रैफ जनरेटर का उपयोग अल्ट्रा-हाई वोल्टेज उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। यदि किसी पात्र में धनात्मक आयनों की अधिकता वाली वस्तु रखी जाती है, तो इलेक्ट्रॉन बाद वाले की आंतरिक सतह पर दिखाई देंगे, और बाहरी सतह पर उतने ही धनात्मक आयन दिखाई देंगे। यदि हम अब किसी आवेशित वस्तु से आंतरिक सतह को स्पर्श करते हैं, तो सभी मुक्त इलेक्ट्रॉन उसमें चले जाएंगे। बाहरधनात्मक आवेश बना रहेगा।
वान डी ग्रैफ जनरेटर में, एक स्रोत से सकारात्मक आयनों को धातु के गोले के अंदर एक कन्वेयर बेल्ट पर लगाया जाता है। टेप एक कंघी के रूप में एक कंडक्टर की मदद से गोले की आंतरिक सतह से जुड़ा होता है। इलेक्ट्रॉन गोले की भीतरी सतह से नीचे की ओर प्रवाहित होते हैं। इसके बाहरी भाग पर धनात्मक आयन दिखाई देते हैं। दो जनरेटर का उपयोग करके प्रभाव को बढ़ाया जा सकता है।
विद्युत धारा
स्कूल भौतिकी पाठ्यक्रम में विद्युत धारा जैसी चीज भी शामिल है। यह क्या है? विद्युत प्रवाह विद्युत आवेशों की गति के कारण होता है। जब बैटरी से जुड़ा एक बिजली का दीपक चालू होता है, तो बैटरी के एक पोल से एक तार से लैंप तक करंट प्रवाहित होता है, फिर उसके बालों के माध्यम से, जिससे वह चमकने लगता है, और दूसरे तार से बैटरी के दूसरे पोल में वापस चला जाता है।. अगर स्विच चालू किया जाता है, तो सर्किट खुल जाएगा - करंट प्रवाह रुक जाएगा और लैंप बुझ जाएगा।
इलेक्ट्रॉनों की गति
ज्यादातर मामलों में करंट एक धातु में इलेक्ट्रॉनों की एक क्रमबद्ध गति है जो एक कंडक्टर के रूप में कार्य करता है। सभी कंडक्टरों और कुछ अन्य पदार्थों में हमेशा कुछ न कुछ यादृच्छिक गति चलती रहती है, भले ही कोई धारा प्रवाहित न हो। पदार्थ में इलेक्ट्रॉन अपेक्षाकृत मुक्त या दृढ़ता से बंधे हो सकते हैं। अच्छे कंडक्टरों में मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं जो घूम सकते हैं। लेकिन खराब कंडक्टरों, या इंसुलेटर में, इनमें से अधिकतर कण परमाणुओं के साथ पर्याप्त रूप से जुड़े होते हैं, जो उनके आंदोलन को रोकता है।
कभी-कभी एक निश्चित दिशा में इलेक्ट्रॉनों की गति एक चालक में स्वाभाविक रूप से या कृत्रिम रूप से निर्मित होती है। इस प्रवाह को विद्युत धारा कहते हैं। इसे एम्पीयर (ए) में मापा जाता है। आयन (गैसों या विलयनों में) और "छेद" (कुछ प्रकार के अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉनों की कमी) भी वर्तमान वाहक के रूप में काम कर सकते हैं। उत्तरार्द्ध सकारात्मक चार्ज विद्युत प्रवाह वाहक की तरह व्यवहार करते हैं। इलेक्ट्रॉनों को एक दिशा में ले जाने के लिए कुछ बल की आवश्यकता होती है या दूसरा। प्रकृति में इसके स्रोत हो सकते हैं: सूर्य के प्रकाश के संपर्क, चुंबकीय प्रभाव और रासायनिक प्रतिक्रियाएं। उनमें से कुछ का उपयोग बिजली उत्पन्न करने के लिए किया जाता है। आमतौर पर इस उद्देश्य के लिए हैं: चुंबकीय प्रभाव का उपयोग करने वाला एक जनरेटर, और एक सेल (बैटरी) जिसकी क्रिया देय है रासायनिक प्रतिक्रियाओं के लिए। दोनों उपकरण, एक इलेक्ट्रोमोटिव बल (EMF) बनाते हुए, इलेक्ट्रॉनों को सर्किट के माध्यम से एक दिशा में ले जाने का कारण बनते हैं। EMF मान वोल्ट (V) में मापा जाता है। ये बिजली की मूल इकाइयाँ हैं।
ईएमएफ का परिमाण और करंट की ताकत एक दूसरे से जुड़े हुए हैं, जैसे किसी तरल में दबाव और प्रवाह। पानी के पाइप हमेशा एक निश्चित दबाव पर पानी से भरे रहते हैं, लेकिन नल चालू होने पर ही पानी बहने लगता है।
इसी प्रकार, एक विद्युत परिपथ को EMF के स्रोत से जोड़ा जा सकता है, लेकिन इसमें तब तक धारा प्रवाहित नहीं होगी जब तक कि इलेक्ट्रॉनों के साथ चलने के लिए एक पथ नहीं बनाया जाता। यह एक इलेक्ट्रिक लैंप या वैक्यूम क्लीनर हो सकता है, यहां स्विच एक नल की भूमिका निभाता है जो करंट को "रिलीज" करता है।
वर्तमान और. के बीच संबंधवोल्टेज
जैसे-जैसे सर्किट में वोल्टेज बढ़ता है, वैसे-वैसे करंट भी बढ़ता है। भौतिकी पाठ्यक्रम का अध्ययन करते हुए, हम सीखते हैं कि विद्युत सर्किट में कई अलग-अलग खंड होते हैं: आमतौर पर एक स्विच, कंडक्टर और एक उपकरण जो बिजली की खपत करता है। वे सभी, एक साथ जुड़े हुए, विद्युत प्रवाह के लिए एक प्रतिरोध बनाते हैं, जो इन घटकों के लिए (स्थिर तापमान मानते हुए) समय के साथ नहीं बदलता है, लेकिन उनमें से प्रत्येक के लिए अलग है। इसलिए, यदि एक ही वोल्टेज को एक प्रकाश बल्ब और एक लोहे पर लागू किया जाता है, तो प्रत्येक उपकरण में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह अलग होगा, क्योंकि उनके प्रतिरोध अलग-अलग होते हैं। इसलिए, सर्किट के एक निश्चित खंड के माध्यम से बहने वाली धारा की ताकत न केवल वोल्टेज द्वारा निर्धारित की जाती है, बल्कि कंडक्टरों और उपकरणों के प्रतिरोध से भी निर्धारित होती है।
ओम का नियम
भौतिकी जैसे विज्ञान में विद्युत प्रतिरोध का मान ओम (ओम) में मापा जाता है। बिजली (सूत्र, परिभाषा, प्रयोग) एक विशाल विषय है। हम जटिल सूत्र नहीं निकालेंगे। विषय के साथ पहले परिचित के लिए, जो ऊपर कहा गया है वह पर्याप्त है। हालांकि, एक सूत्र अभी भी प्राप्त करने लायक है। वह काफी सीधी है। किसी भी कंडक्टर या कंडक्टर और उपकरणों की प्रणाली के लिए, वोल्टेज, करंट और प्रतिरोध के बीच संबंध सूत्र द्वारा दिया जाता है: वोल्टेज=करंट x प्रतिरोध। यह ओम के नियम की गणितीय अभिव्यक्ति है, जिसका नाम जॉर्ज ओम (1787-1854) के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने सबसे पहले इन तीन मापदंडों के बीच संबंध स्थापित किया था।
विद्युत का भौतिकी विज्ञान की एक बहुत ही रोचक शाखा है। हमने इससे जुड़ी बुनियादी अवधारणाओं पर ही विचार किया है। क्या तुम्हें पता थाबिजली क्या है और यह कैसे उत्पन्न होती है? हमें उम्मीद है कि आपको यह जानकारी उपयोगी लगी होगी।
