Notes-Marathi Medium-Class 9-विज्ञान आणि तंत्रज्ञान-पाठ-3- धाराविद्युत-Maharashtra Board

अभ्यासघटक : विभव आणि विभवांतर विद्युतधारा विद्युत परिपथ विद्युत परिपथातील घटकांसाठी चिन्ह आणि त्या घटकांचा उपयोग विद्युतरोध आणि ओहमचा नियम रोधांची जोडणी आणि परिणामी रोध घरगुती विद्युत जोडणी वितळतार वीज वापराच्या बाबतीत घ्यावयाची काळजी.

विभव (Potential) आणि विभवांतर (Potential difference) :

विद्युत विभव : एखाद्या वस्तूमधील विद्युत प्रभाराच्या पातळीला विद्युत विभव म्हणतात.

विभवांतर : दोन वस्तूंवरील अथवा दोन बिंदूंमधील विद्युत विभवांतील फरकास विभवांतर म्हणतात.

• या राशीचे SI एकक व्होल्ट (V) आहे.
• विद्युत क्षेत्रातील दोन भिन्न बिंदूंमधील विद्युत विभवांतर म्हणजे एकक धन प्रभार एका बिंदूपासून दुसऱ्या बिंदूपर्यंत स्थानांतरित होताना घडलेले एकूण कार्य होय.

विद्युत विभवांतर, V = कार्य(W)/प्रभार(Q)

• धनविद्युत प्रभार हा अधिक विभव असलेल्या बिंदूपासून कमी विभव असलेल्या बिंदूकडे प्रवाहित होतो.
• विद्युतप्रवाह इलेक्ट्रॉनच्या, (ज्याचा विद्युत प्रभार ऋण असतो) वहनामुळे होतो.
• इलेक्ट्रॉन कमी विद्युत विभवाच्या बिंदूपासून अधिक विभव असलेल्या बिंदूकडे प्रवाहित होतात.
• धनविद्युत प्रभार कमी विभवावरून त्यापेक्षा जास्त विभवावर स्थानांतरित करण्यास विद्युत क्षेत्राच्या (Electric field) विरुद्ध कार्य करावे लागते.

विद्युतघटाचे विभवांतर (Potential difference of a Cell) :

• विद्युत घटाच्या धन अग्र आणि ऋण अग्र यांच्या विद्युत विभवातील फरक म्हणजे त्या घटाचे विभवांतर होय.
• विद्युत घटामध्ये होणाऱ्या रासायनिक अभिक्रियेमुळे हे विभवांतर निर्माण होते. हे विभवांतर इलेक्ट्रॉन्सला गतिमान करते व दोन्ही अग्रांना जोडणाऱ्या वाहकामध्ये विद्युत प्रवाह निर्माण होतो.

व्होल्ट : एक कूलोम विद्युत प्रभार एका बिंदूपासून दुसऱ्या बिंदूपर्यंत विस्थापित होताना जर एक ज्यूल कार्य घडत असेल, तर त्या दोन टोकांतील विद्युत विभवांतर एक व्होल्ट आहे असे म्हणतात.

1 व्होल्ट (V) = \(\frac{1\,J}{1\,C}\)

विद्युतधारा (Electric Current) : (I) : विद्युतधारा म्हणजे वाहकातून वाहणारा इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह किंवा वाहकाच्या काटछेदातून एकक कालावधीत वाहणारा विद्युत प्रभार होय.

विद्युतधारा, I = \(\frac{Q}{t}\)

येथे Q हा वाहकाच्या काटछेदातून t या कालावधीत वाहणारा विद्युत प्रभार होय.

• एकक : विद्युतधारा चे SI पद्धतीतील एकक अॅम्पिअर (A)
• विद्युत प्रभाराचे SI पद्धतीतील एकक कूलोम (C) (एका इलेक्ट्रॉनवरील प्रभार6 ×10^-19 कूलोम (C) असतो.

विद्युतधारेची अतिसूक्ष्म परिमाणे पुढीलप्रमाणे व्यक्त करतात :

1 mA (मिलिअँम्पिअर) =10^—3 A

1 μA (मायक्रोअँम्पिअर) = 10^—6 A

अॅम्पिअर (A) : वाहकातून एका सेकंदास एक कूलोम इतका विद्युतप्रभार प्रवाहित होत असेल तर वाहकातून वाहणारी विद्युतधारा एक ॲम्पिअर आहे असे म्हणतात.

1A = \(\frac{1C}{1s}\)

विद्युत परिपथ : विदयुत परिपथ म्हणजे विद्युत घटाच्या दोन्ही अग्रांमध्ये जोडलेल्या वाहक तारा, स्विच किंवा प्लग कळ आणि इतर रोध (उदाहरणार्थ, विद्युत उपकरण, विद्युत बल्ब, वितळतार यांचा रोध ) यांमधून वाहणाऱ्या विद्युतधारेचा सलग मार्ग होय.

विद्युत परिपथाकृती : विद्युत परिपथमध्ये वेगवेगळे घटक कसे जोडावेत हे विविध चिन्हे वापरून दाखवलेल्या रेखाकृतीस विद्युत परिपथाकृती असे म्हणतात.

मुक्त इलेक्ट्रॉन (Free Electron) : कोणत्याही धातुरूप विद्युतवाहकाच्या प्रत्येक अणूजवळ एक किंवा एकापेक्षा जास्त इलेक्ट्रॉन असे असतात जे अणूकेंद्रकाशी अतिशय क्षीण बलाने बद्ध असतात. त्यांना मुक्त इलेक्ट्रॉन म्हणतात.

तारेतून जाणारी विद्युतधारा (Electric Current) :

धातूच्या तारेमध्ये (धातूच्या वाहकामध्ये) प्रत्येक अणूमध्ये अणुकेंद्रकाशी अतिशय क्षीण बलाने बद्ध असलेले एक किंवा जास्त इलेक्ट्रॉन असतात. अणूच्या बाह्यतम कक्षेमधील हे इलेक्ट्रॉन जवळजवळ मुक्त असतात. ते धातूमध्ये एका भागाकडून दुसऱ्या भागाकडे शक्यतो सहजपणे जाऊ शकतात, पण धातूमधून बाहेर पडू शकत नाहीत. (वरील आकृती)

धातूची तार विद्युत घटाला जोडलेली नसताना हे “मुक्त'* इलेक्ट्रॉन वायूमधील रेणूंप्रमाणे धातूमध्ये भिन्न वेगांनी भिन्न दिशांमध्ये गतिमान असतात. [ खालील आकृती (a)] त्यामुळे कोणत्याही विशिष्ट दिशेत विद्युत प्रभाराचे निव्वळ वहन होत नाही. धातूमधील धन आयनांचे वस्तुमान इलेक्ट्रॉनच्या वस्तुमानापेक्षा खूप जास्त असल्याने ते मुक्त इलेक्ट्रॉनप्रमाणे गतिमान नसतात. ते फक्त स्वत:च्या माध्यस्थितीभोवती कंप पावतात.

या तारेची टोके कोरड्या विद्युत घटासारख्या विद्युत स्त्रोतास जोडल्यास तारेतील विद्युत प्रभारांवर विद्युत बल क्रिया करते. या वेळी मुक्त इलेक्ट्रॉन, ते ऋण प्रभारित असल्याने, तारेच्या ऋण टोकाकडून धन टोकाकडे प्रवाहित होतात. परिणामी तारेतून विद्युतधारा वाहते.

• त्वरणित इलेक्ट्रॉन धन आयनांवर आदळून त्यांना आपली काही गतिज ऊर्जा देतात. त्यामुळे इलेक्ट्रॉनची चाल अतिशय अनियमित असते.
• सूक्ष्म विद्युतधारा वाहून नेणाऱ्या तांब्याच्या तारेतील इलेक्ट्रॉनची सरासरी अनियमित चाल अतिशय कमी, सुमारे 1 mm प्रति सेकंद असते.
• अशा प्रकारे धातूमध्ये विद्युत विभवांतर प्रयुक्त केले असता मुक्त इलेक्ट्रॉनच्या वहनामुळे विद्युतधारा निर्माण होते.

विद्युत रोध (Resistance) आणि ओहमचा नियम :

विद्युतरोध : विद्युत प्रवाहास अडथळा निर्माण करण्याच्या वाहकाच्या गुणधर्मास विदयुतरोध म्हणतात.

• अंकगणितीय दृष्टिकोनातून विद्युतरोध म्हणजे वाहकाच्या टोकांतील विद्युत विभवांतर आणि वाहकातून वाहणारी विद्युतधारा यांचे गुणोत्तर होय.
• विद्युतरोधाचे SI पद्धतीतील एकक ओहम ( Ω) आहे.

विद्युत वाहक : ज्या पदार्थांची विद्युत रोधकता खूप कमी असते, त्याला विद्युत वाहक म्हणतात.

• चांदी, तांबे व अँल्युमिनिअम हे उत्तम विद्युत वाहक आहेत.

विद्युत विसंवाहक : ज्या पदार्थांची विद्युत रोधकता खूप जास्त असते, त्याला विद्युत विसंवाहक म्हणतात.

• रबर, लाकूड व काच हे उत्तम विद्युत विसंवाहक आहेत.
• पदार्थांचे वाहक किंवा विसंवाहक असणे हे पदार्थांच्या संरचनेवर अवलंबून असते. पदार्थात जवळजवळ मुक्तपणे फिरू शकणारे विद्युत प्रभार (सामान्यत: इलेक्ट्रॉन) असल्यास पदार्थ विद्युत सुवाहक असतो, तर तसे नसल्यास पदार्थ विद्युत विसंवाहक असतो.
• विद्युत विभवांतराच्या प्रभावाखाली फिरू शकणारे धन व ऋण विद्युत प्रभार आपल्या शरीरात असल्याने आपले शरीर विद्युत वाहक असते.

अर्धवाहक : जो पदार्थ सामान्य परिस्थितीमध्ये विसंवाहक असतो, परंतु विशिष्ट परिस्थितीत सुवाहक बनतो त्याला अर्धवाहक म्हणतात.

• जर्मेनिअम व सिलिकॉन हे अर्धवाहक आहेत.

अतिवाहक व अनओहमनीय वाहक : तापमान कमी करीत करीत शून्य K च्या जवळ नेल्यास काही वाहकांचा रोध शून्याच्या जवळ पोहोचतो. अशा वाहकास अतिवाहक (Super Conductor) म्हणतात. काही वाहक ओहमच्या नियमाचे पालन करीत नाहीत, अशा वाहकास अनओहमनीय वाहक म्हणतात.

ओहमचा नियम : वाहकाची भौतिक अवस्था, म्हणजेच लांबी, काटछेदी क्षेत्रफळ, तापमान व द्रव्य कायम असताना वाहकातून वाहणारी विद्युतधारा ही त्या वाहकाच्या दोन टोकांतील विद्युत विभवांतरास समानुपाती असते.

I ∝ V

∴ I = kV ( k = स्थिरांक)

I x \(\frac{1}{k}\) = V  ( \(\frac{1}{k}\) = R = वाहकाचा रोध)

∴ V = IR किंवा R = \(\frac{V}{I}\)

या सूत्रास ओहमचा नियम असे म्हणतात .

रोधाचे SI एकक \(\frac{V}{A}\)  यालाच ओहम (Ω)  असेही म्हणतात.

ओहम (Ω ): वाहकाच्या दोन टोकांमध्ये एक व्होल्ट विभवांतर प्रयुक्त केले असता, त्या वाहकातून जर एक अँम्पिअर विद्युतधारा जात असेल, तर त्या वाहकाचा विदयुतरोध एक ओहम आहे असे म्हणतात.

1 ओहम (Ω) = एक व्होल्ट(V)/एक अँम्पिअर(A)

वाहकाचा रोध व रोधकता (Resistance and Resistivity) :

एकक लांबी व एकक काटछेदी क्षेत्रफळ असणाऱ्या वाहकाच्या रोधास त्या वाहकाची रोधकता म्हणतात.

वाहकाचा रोध (R) वाहकाच्या लांबीशी (L) समानुपाती असतो, तर वाहकाच्या काटछेदाच्या क्षेत्रफळाशी (A) व्यस्तानुपाती असतो.

R ∝ L , व R ∝ 1/A

∴ R ∝ L/A

∴ R = ρL/A

या ठिकाणी ρ (र्हो, rho) हा स्थिरांक असून त्यास वाहकाच्या पदार्थाची रोधकता (Resistivity) म्हणतात.

वरील समीकरणावरून, ρ = R(L/A) पदार्थांची रोधकता काढण्याचे सूत्र होय.

रोधाचे SI एकक ओहम आहे, क्षेत्रफळाचे SI एकक मीटर² आहे व लांबीचे SI एकक मीटर आहे.

रोधकता पदार्थ (द्रव्य) व तापमान यांवर अवलंबून असते, पण वाहकाची लांबी व काटछेदी क्षेत्रफळ यांवर अवलंबून नसते. तारेची त्रिज्या r असल्यास, तारेचे काटछेदी क्षेत्रफळ, A = πr² या वेळी

R = ρ \(\frac{L}{πr^2}\)

• रोधकतेच्या चढत्या क्रमाने पदार्थांची मांडणी : चांदी, तांबे, कॉन्स्टन्टन, काच.
• रोधकतेच्या उतरत्या क्रमाने मांडणी : कठीण रबर, नायक्रोम, अल्युमिनिअम, तांबे.

 रोधांची जोडणी आणि परिणामी रोध (System of Resistors and their effective Resistance)

रोधांची एकसर जोडणी (Resistors in Series) : अनेक रोध एकामागून एक जोडल्यास अशा जोडणीस रोधांची एकसर जोडणी म्हणतात,

रोधांच्या एकसर जोडणीची वैशिष्ट्ये :

• प्रत्येक रोधातून समान विद्युतधारा वाहते.
• एकसर जोडणीच्या दरम्यानचे विभवांतर प्रत्येक रोधाच्या दरम्यानच्या विभवांतरांच्या बेरजेइतके असते.
• एकसर जोडणीचा परिणामी रोध हा जोडणीतील सर्व रोधांच्या बेरजेइतका असतो.
• एकसर जोडणीचा परिणामी रोध हा जोडणीतील प्रत्येक रोधापेक्षा जास्त असतो.
• प्रत्येक रोधाच्या दरम्यानचे विभवांतर त्या रोधाशी समानुपाती असते.
• ही जोडणी परिपथातील रोध वाढवते.

रोधांची समांतर जोडणी : अनेक रोध दोन सामाईक बिंदूंमध्ये जोडल्यास अशा जोडणीस रोधांची समांतर जोडणी म्हणतात.

रोधांच्या समांतर जोडणीची वैशिष्ट्ये :

• समांतर जोडणीत प्रत्येक रोधाच्या दरम्यानचे विभवांतर समान असते.
• परिपिथातून वाहणारी एकूण विद्युतधारा ही सर्व रोधांतून स्वतंत्रपणे वाहणाऱ्या विद्धुतधारांच्या बेरजेइतकी असते.
• जोडलेल्या सर्व रोधांच्या व्यस्तांकांची बेरीज ही जोडणीच्या परिणामी रोधाच्या व्यस्तांकाइतकी असते.
• समांतर जोडणीचा परिणामी रोध हा त्या जोडणीतील रोधांच्या स्वतंत्र किमतीपेक्षा कमी असतो.
• प्रत्येक रोधातून वाहणारी विद्युतधारा ही त्या रोधाशी व्यस्तानुपाती असते.
• ही जोडणी परिपथातील रोध कमी करण्यासाठी वापरता येते.

माहीतीसाठी :

• समांतर जोडणीने अनेक दिवे जोडले असता जर एखादा दिवा त्या दिव्यातील तारेचे कुंडल तुटल्याने प्रकाशित होत नसेल तरी विद्युत परिपथ खंडित होत नाही. दुसऱ्या मार्गातून विद्युतधारा वाहते व इतर दिवे प्रकाशित होतात.
• अनेक दिवे एकसर पद्धतीने जोडले तर ते आपल्या मूळ प्रखरतेपेक्षा कमी प्रखरतेने प्रकाशतात. परंतु तेच दिवे समांतर पद्धतीने जोडले तर प्रत्येक दिवा आपल्या मूळ प्रखरतेने प्रकाशतो

घरगुती विद्युत जोडणी :

• आपल्या घरातील विद्युतधारा ही मुख्य विद्युतवाहक तारेतून, जमिनीखालून तारांद्वारे किंवा विद्युत खांबावरील तारांमधून आणली जाते. त्या पैकी एक तार वीजयुक्त (live) तर दुसरी तार तटस्थ (Neutral) असते.
• सामान्यपणे वीजयुक्त तार लाल रंगाच्या रोधी म्हणजेच विसंवाहक आवरणाची असते, तर तटस्थ तार काळ्या रंगाच्या रोधी आवरणाची असते. भारतात या दोन्ही तारांमधील वि द्युत विभवांतर साधारणतः 220 V असते.
• या दोन्ही तारा घरातील विद्युत मीटरला मुख्य वितळतारेद्वारे (Main fuse) जोडलेल्या असतात. मुख्य कळद्वारे (Main Switch) या तारा घरातील सर्व वाहक तारांना जोडल्या जातात.
• आपल्या घरामध्ये प्रत्येक खोलीमध्ये वीज उपलब्ध होईल अशा रीतीने वीजवाहक तारांची जोडणी केलेली असते.
• प्रत्येक स्वतंत्र परिपथामध्ये वीजयुक्त आणि तटस्थ तारेच्या दरम्यान वेगवेगळी उपकरणे जोडलेली असतात.
• प्रत्येक उपकरणाला समान विभवांतर पुरवले जाते आणि उपकरणे नेहमी समांतर जोडणीने जोडलेली असतात.
• याव्यतिरिक्त तिसरी तार भूसंपर्कन असून ती पिवळ्या रंगाच्या रोधी आवरणाची असते. ती घराजवळ जमि नीत एका धातुपट्टीला जोडलेली असते. ही तार सुरक्षेसाठी वापरलेली असते.

 वितळतार :

• विद्युत उपकरणांचे नुकसान न होऊ देण्यासाठी वितळतार वापरतात.
• ही तार विशिष्ट द्रवणांक असलेल्या संमिश्राची बनलेली असते व ती विद्युत उपकरणांना एकसर जोडणीत जोडलेली असते.
• जर परिपथातून काही कारणाने ठरावीक मर्यादेबाहेर विद्युतधारा जाऊ लागली, तर या तारेचे तापमान वाढून ती वितळते. त्यामुळे विद्युत परिपथ खंडित होऊन विद्युतप्रवाह थांबतो व उपकरणांचे संरक्षण होते.
• ही तार पोर्सेलिनसारख्या रोधक पदार्था पासून बनवलेल्या खोबणीत बसवलेली असते.
• घरगुती वापरासाठी 1A, 2A, 3A, 4A, 5A व 10A मर्यादा असलेल्या वितळतारा वापरतात.