Solution-Marathi Medium-Class 10-विज्ञान आणि तंत्रज्ञान-भाग-१-पाठ-४-विद्युत धारेचे परिणाम-Maharashtra Board

जनित्र. जनित्र यांत्रिक ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर करते. इतर घटक तसे करीत नाहीत.

थर्मामीटर : थर्मामीटर तापमान मापनासाठी वापरतात. इतर साधने विद्युत मापनासाठी वापरतात.

चुंबक : चुंबक चुंबकीय पदार्थावर बल प्रयुक्त करतो. इतर साधने ऊर्जा रूपांतरण करतात.

विद्युतचलित्र (Electric Motor) : विद्युत ऊर्जेचे यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करणाऱ्या उपकरणाला विद्युतचलित्र म्हणतात.

• विद्युतधारा वाहून नेणारा वाहक चुंबकीय क्षेत्राशी लंब असेल, तर त्यावर जास्तीत जास्त बल प्रयुक्त होते या तत्त्वावर विद्युत मोटरचे कार्य चालते.

विद्युतचलित्राची रचना :

विद्युतचलित्रा मध्ये विद्युत रोधक आवरण असलेल्या तांब्याच्या तारेचे एक आयताकृती कुंडल असते. हे कुंडल चुंबकाच्या उत्तर व दक्षिण ध्रुवांच्यामध्ये आकृतीत दर्शविल्याप्रमाणे अशा रीतीने ठेवलेले असते की त्याच्या AB आणि CD या शाखा चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेला लंब दिशेत असतील. कुंडलाची दोन टोके X व Y या दुभंगलेल्या कड्याला जोडलेली असतात.

कड्याच्या या दोन अर्ध भागांच्या आतील पृष्ठभागावर विद्युत रोधक आवरण असते आणि ते चलित्राच्या आसाला पकडून बसविलेले असतात.

X व Y अर्ध कड्यां चा बाहेरील विद्युत वाहक पृष्ठभाग हा दोन स्थिर कार्बन ब्रशना (E व F) स्पर्श करतो.

विद्युतचलित्राचे कार्य :

• आकृतीमध्ये दाखविलेला विद्युत परिपथ पूर्ण केल्यानंतर विद्युत धारा E व F या कार्ब न ब्रशमार्फत कुंडलातून वाहू लागते. कुंडलाच्या AB या शाखेमधून विद्युतधारा A पासून B कडे या दिशेने जाते.
• चुंबकीय क्षेत्राची दिशा N ध्रुवाकडून S ध्रुवाकडे असे असल्याने त्याचा परिणाम AB या शाखेवर होऊन फ्लेमिंगच्या डाव्या हाताच्या नियमानुसार AB या शाखेवर निर्माण झालेले बल त्याला खालील दिशेने ढकलते. CD या शाखेतील विद्युत धारा AB च्या उलट दिशेने असल्याने निर्माण झालेले बल त्या शाखेला वरील दिशेला ढकलते.
• अशा रीतीने कुंडल व आस घड्याळ्याच्या काट्यांच्या विरूद्ध दिशेने फिरू लागतात. अर्धे परिवलन होताच कड्याचे दुभंगलेले भाग X व Y अनुक्रमे F आणि E या कार्बनब्रशच्या संपर्कात येतात व विद्युत धारा DCBA अशी वाहू लागते.
• त्यामुळे DC या शाखेवर खालील दिशेने व BA या शाखेवर वरील दिशेने बल क्रिया करते आणि कुंडल पुढील अर्धे परिवलन आधीच्या दिशेनेच पूर्ण करते.
• अशा तऱ्हेने प्रत्येक अर्ध परिवलनानंतर कुंडलातील विद्युत धारेची दिशा उलट होते आणि कुंडल व आस एकाच म्हणजे घड्याळ्याच्या काट्यांच्या विरूदध् दिशेने फिरत राहतात.
• व्यावसायिक चलित्रे याच तत्त्वावर चालतात, मात्र त्यांच्या रचनेत व्यावहारिक बदल केलेले असतात

विद्युत जनित्राच्या कार्यामागचे तत्त्व : विद्युत जनित्र विद्युत चुंबकीय प्रवर्तनाच्या तत्त्वावर कार्य करते. जेव्हा विद्युत जनित्राचे कुंडल चुंबकीय क्षेत्रात स्वत:च्या आसाभोवती फिरते तेव्हा चुंबकीय क्षेत्र कुंडलामध्ये विद्युतधारा प्रवर्तित करते. ही प्रवर्तित विद्युतधारा नंतर कुंडलाला जोडलेल्या परिपथातून वाहू लागते.

विद्युत जनित्राचे रचना व कार्य :

• आसाभोवती फिरणारे तांब्याच्या तारेचे कुंडल ABCD चुंबकाच्या दोन ध्रुवांमध्ये ठेवलेले असते (आकृती).
• कुंडलाची दोन टोके R₁ व R₂ या दोन विद्युत वाहक कड्यांना कार्बन ब्रशांमार्फत जोडलेली असतात.
• ही दोन्ही कडी अक्षाला धरून बसविलेली असतात, परंतु कडे व असाच्यामध्ये विद्युत रोधी आवरण असते.
• आस बाहेरील यंत्राच्या मदतीने फिरवला जातो. त्यामुळे कुंडल ABCD ही फिरू लागते.
• B₁, B₂ या स्थिर कार्बन ब्रशांची टोके गॅल्व्हनोमीटरला जोडलेली असतात, त्यामुळे विद्युत धारेची परिपथातील वहन दिशा कळून येते.
• आस फिरवल्यावर AB शाखा वर जाते व CD खाली येते (म्हणजेच ABCD हे कुंडल घड्याळ्याच्या काट्यांच्या दिशेत फिरू लागते).
• फ्लेमिंगच्या उजव्या हाताच्या नियमाप्रमाणे AB व CD या शाखांमध्ये प्रवर्तनाने विद्युत धारा निर्माण होते, ती A → B व C → D अशा दि शेने जाते. अशा रीतीने A→B→C→D
• अशी विद्युत धारा वाहू लागते. (आकृती).
• पुढील परिपथात B2 कडून गॅल्व्हॅनोमीटरमधून B1 कडे अशी विद्युत धारा वाहते.
• जर ABCD या एका कुंडलाऐवजी अनेक वेढे असलेले कुंडल वापरले तर अनेक पटींनी विद्युत धारा वाहते व मोठी विद्युत धारा निर्मा ण होते. अर्ध्या परिवलनानंतर AB ही
• शाखा CD च्या जागी व CD ही शाखा AB च्या जागी येते. त्यामुळे प्रवर्तित विद्युत धारा D→C→B→A अशी जाते. मात्र BA ही शाखा कड्यामार्फत सतत B₁ या ब्रशच्या संपर्कात असते, व DC ही शाखा B₂ या ब्रशच्या संपर्कात असते.
• त्यामुळे बाहेरील परिपथात विद्युत धारा B₁ कडून B₂ कडे म्हणजेच आधीच्या अर्धपरिवलनाच्या उलट दिशेने वाहते. प्रत्येक अर्ध परिवलनानंतर हे घडते व प्रत्यावर्ती धारा निर्माण होते. हेच प्रत्यावर्ती विद्युत धारा जनित्र (AC Generator) होय.

(इ) चुंबक आणि कुंडल यांच्यातील सापेक्ष गतीमुळे कुंडलामध्ये विद्युतधारा निर्माण होणे.

(क) विद्युत जनित्र (दिष्ट) :

आकृती मध्ये दिष्ट विद्युतधारा जनित्राची (DC जनरेटर) रचना दाखवली आहे.

कार्य :

• आस बाहेरील यंत्राच्या मदतीने फिरवला जातो. जेव्हा दिष्ट जनित्राचे कुंडल चुंबकीय क्षेत्रामध्ये स्वत:भोवती फिरते तेव्हा ते चुंबकीय बलरेषांना छेदते. अशा प्रकारे बदलत जाणाऱ्या चुंबकीय क्षेत्रामुळे कुंडलामध्ये विद्युत विभवांतर निर्माण होतो.
• त्यामुळे नविद्युतधारा प्रवर्तित होते. प्रकाशमान बल्ब किवा गॅल्व्हॅनोमीटर ही विद्युतधारा दर्शवतो. विदयुतधारेची दिशा कुंडलाच्या परिवलनाच्या दिशेवर अवलंबून असते.
• या जनित्रामध्ये एक कार्बन ब्रश सतत कुंडलाच्या उर्ध्व दिशेने कार्यरत असलेल्या भुजेच्या संपर्कात असतो, तर दुसरा ब्रश सतत कुंडलाच्या खालच्या दिशेने कार्यरत असलेल्या भुजेच्या संपर्कात असतो.
• परिणामी जोपर्यंत कुंडल चुंबकीय क्षेत्रात फिरत असते, तोपर्यंत विद्युतधारा परिपथात एकाच दिशेने प्रवाहित होते. तसेच कुंडल चुंबकीय क्षेत्रात फिरत असेपर्यंतच विद्युतधारा निर्माण होत असते.
• येथे विद्युतधारेचे परिमाण मात्र सतत बदलत असते. या बाबतीत ही विद्युतधारा विद्युत घटापासून मिळणाऱ्या विद्युत-धोरेपेक्षा वेगळी असते.

उघडी वीजयुक्त तार व उघडी तटस्थ तार परस्परांच्या प्रत्यक्ष संपर्कात आल्यास अथवा परस्परांना चिकटल्यास परिपथाचा रोध अतिशय कमी होऊन परिपथातून प्रचंड प्रमाणात विद्युतधारा प्रवाहित होते. या स्थितीस लघुपरिपथन म्हणतात. या वेळी प्रचंड प्रमाणात उष्णता निर्माण होते. त्यामुळे परिपथात आग लागू शकते.

• विजेच्या बल्बमधील तारेच्या कुंतलामधून बाहेर पडणाऱ्या प्रकाशाची तीव्रता तारेच्या तापमानावर अवलंबून असते. तापमान जास्त असल्यास प्रकाशाची तीव्रता जास्त असते.
• बल्बमधील तार बनवण्यासाठी वापरलेल्या पदार्थांचा वितळणांक अतिउच्च असल्यास तारेतून विद्युतधारा पाठवून, तार न वितळता, तारेचे तापमान मोठ्या प्रमाणात वाढवता येते. परिणामी बल्बमधून जास्त प्रकाश मिळतो. टंगस्टनचा वितळणांक अतिउच्च असतो. म्हणून विजेच्या बल्बमध्ये कुंतल बनवण्यासाठी टंगस्टन धातूचा उपयोग करतात.

• विद्युत इस्त्री, टोस्टर यांसारख्या साधनांचे कार्य विद्युतधारेच्या औष्णिक परिणामावर म्हणजेच विद्युत ऊर्जेचे उष्णतेत रूपांतर यावर अवलंबून असते.
• नायक्रोम या संमिश्राची रोधकता खूप जास्त असते व त्याचे ऑक्सिडीकरण न होता ते उच्च तापमानापर्यंत तापवता येते. हे शुद्ध धातूच्या बाबतीत शक् य नसते. म्हणून अशा साधनांमध्ये शुद्ध धातूऐवजी नायक्रोमसारख्या संमिश्राचा उपयोग करतात.

• तांबे व अँल्युमिनिअम उत्तम विद्युत वाहक आहेत.
• तांबे व अँल्युमिनिअमची रोधकता खूप कमी असल्याने त्यांतून विद्युतधारेचे वहन होत असताना निर्माण होणाऱ्या उष्णतेचे प्रमाणही कमी असते. म्हणून विद्युत पारेषणासाठी तांब्याच्या किंवा अल्युमिनिअमच्या तारांचा उपयोग करतात.

230 V, 5 A चे विद्युत उपकरण एक तास वापरल्यास,

वापरलेली विद्युत ऊर्जा VIt = 230 V x 5 A x 3600 s = 4140000 joules.

हीच ऊर्जा kW-h या एककात व्यक्त केल्यास, ती \(\frac{4140000}{3.6×10^6}\) kW.h = 1.15 kW.h अशी जास्त सुटसुटीतपणे व्यक्त करता येते. म्हणून व्यवहारात विद्युत ऊर्जा मोजण्यासाठी joule

ऐवजी kW-h हे एकक वापरले जाते.

• 1 kW.h = 3.6 x 10⁶ ज्यूल (J)

(ई) समकेंद्री वर्तुळाकार, तारेला केंद्रस्थानी ठेवून तारेला लंबप्रतलात चुंबकीय बलरेषा जातात.

स्पष्टीकरण :

उजव्या हाताच्या अंगठ्याचा नियम (Right hand thumb rule) :

अशी कल्पना करा की, सरळ विद्युतवाहकाला तुम्ही उजव्या हातात अशा रितीने पकडले आहे की, अंगठा विद्युतधारेच्या दिशेने तारेवर स्थिरावला आहे; तर मग तुमची बोटे विद्युतवाहकाभोवती गुंडाळा. बोटांची दिशा हिच चुंबकीय क्षेत्राच्या बलरेषांची दिशा होय.

नालकुंतल (Solenoid) : विद्युतरोधक आवरण असलेली तांब्याची तार घेऊन कुंडलांची मालिका तयार केल्यास त्या रचनेस नालकुंतल (Solenoid) म्हणतात.

नालकुंतलातून वाहणाऱ्या विद्युतधारेमुळे निर्माण होणारे चुंबकीय क्षेत्र :

• नालकुंतलातून वाहणाऱ्या विद्युतधारेमुळे निर्माण होणाऱ्या चुंबकीय बलरेषा पट्टी चुंबकामुळे तयार होणाऱ्या बलरेषां सारख्याच असतात.
• ज्यातून विद्युतधारा प्रवाहित आहे असे नालकुंतल पट्टी चुंबकाप्रमाणे कार्य करते व असे नालकुंतल वापरून लोखंड व काही संमिश्रांमध्ये चुंबकत्व निर्माण करता येते.

उत्तर (आकृती अ) :

फ्लेमिंगचा उजव्या हाताचा नियम (Fleming’s right hand rule) : आपल्या उजव्या हाताचा अंगठा, तर्जनी आणि मधले बोट एकमेकांस लंब राहतील अशी ताणा. जर तर्जनी चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेत आणि अंगठा विद्युतवाहकाच्या गतीच्या दिशेत असेल, तर मधले बोट प्रवर्तित विद्युतधारेची दिशा दाखवते.

उत्तर (आकृती आ) :

फ्लेमिंगचा डाव्या हाताचा नियम : आपल्या डाव्या हाताची तर्जनी, मधले बोट आणि अंगठा एकमेकांना लंब राहतील अशी ताठ धरल्यास, जर तर्जनी चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेत असेल आणि मधले बोट विद्युतधारेच्या दिशेत असेल, तर अंगठ्याची दिशा ही विद्युतवाहकावरील बलाची दिशादर्शक असते.

उत्तर (आकृती अ) :

आकृती वितळतार : विद्युत उपकरणातून प्रमाणाबाहेर विद्युतधारा जाऊन त्याचे व परिपथाचे नुकसान होऊ नये यासाठी परिपथात एकसर पद्धतीने वितळतार जोडतात. ही तार कमी वितळणांक असलेल्या संमिश्राची (उदाहरणार्थ, शिसे व कथिल यांचे संमिश्र) बनवलेली असते.

'परिपथातून ठरावीक मयदिपेक्षा जास्त विद्युतधारा जाऊ लागल्यास तारेचे तापमान एवढे वाढते की, ती वितळून परिपथ खंडित होतो. परिणामी परिपथ व उपकरण यांचे संरक्षण होते.

उत्तर (आकृती आ) :

आकृती MCB (Miniature Circuit Breaker) : हल्ली घरामध्ये MCB नावाने ओळखली जाणारी एक कळ बसवली जाते. विद्युतधारा अचानक वाढल्यास ही कळ खुली होऊन परिपथ बंद पाडते. यासाठी विविध प्रकारचे MCB वापरले जातात. संपूर्ण घरासाठी मात्र वितळतारच वापरली जाते.

उत्तर (आकृती इ) :

आकृती दिष्ट जनित्र : आकृती मध्ये दिष्ट विद्युतधारा जनित्राची (DC जनरेटर) रचना दाखवली आहे. येथे यांत्रिक ऊर्जेचा वापर विद्युत वाहक कुंडल त्याच्या असाभोवती चुंबकीय क्षेत्रात फिरविण्यासाठी व त्याद्वारे वीजनिर्मितीसाठी केला जातो.

दिलेले : P = 100W, I = 3A, R= ?

P = I²R

∴ विद्युतरोध, R = P/I² = 100/3² = 100/9 = 11.11 Ω

दिलेले : P₁ = 100W, P₂ = 60W V = 220 V, I = ?

P = V I ∴ I =  \(\frac{P}{V}\)

∴ I₁ = \(\frac{P_1}{V}\)  व I₂ = \(\frac{P_2}{V}\)

मुख्य विद्युतवाहकातील विद्युतधारा, I = I₁ + I₂  (समांतर जोडणी)

∴ I = \(\frac{P_1}{V}+\frac{P_2}{V}=\frac{P_1+P_2}{V} = \frac{100+60}{220}\)  

           = \(\frac{160}{220}\)  = 0.727 A

दिलेले : P₁ = 500W, P₂ = 600W V = 220 V,  t₁ = 30 मिनिटे = \(\frac{30}{60}h=\frac{1}{2}h\), t₂ = 20 मिनिटे = \(\frac{20}{60}h=\frac{1}{3}h\)

विद्युत ऊर्जा = Pt

टीव्ही संच : P₁t₁ = 500 x \(\frac{1}{2}\)  = 250 W-h

शेगडी : P₂t₂ = 600 x \(\frac{1}{3}\)  = 200 W-h

टीव्ही संच : 250 W-h > शेगडी : 200 W-h

यावरून असे दिसते की, टीव्ही संच अधिक विद्युत ऊर्जा खर्च करील.

दिलेले : P = 1100 W, t  = 2 x 30 = 60 तास, ₹ 5.00 प्रति युनिट, खर्च  = ?

N = \(\frac{Pt}{1000\,W.h/युनिट}=\frac{1100\,W×60\,h}{1000\,W.h/युनिट}\) = 66 युनिट

.'. विजेचा खर्च = 66 युनिट x ₹ 5.00 =  ₹ 330.