3. धाराविद्युत

आधुनिक जगात विजेचेअनन्यसाधारण महत्त्व आहे. दैनंदिन जीवनात प्रत्येक गोष्टीसाठी आपण विजेवर अवलंबून आहोत. वीज नसताना होणारी गैरसोय टाळण्यासाठी दवाखाने, बँका, कार्यालयेव खाजगी संस्थांमध्ये जनित्र (Generator) वापरून विजेसाठी पर्यायी व्यवस्था केलेली असते. विद्युतभट्ट्या (Electric oven), विद्युत चलित्रे (Motor) यांचे चलन आणि काही विशिष्ट उपकरणांच्या वापरासाठी उद्योगधंद्यांमध्ये विजेचा वापर केला जातो.

फ्रीज, विद्युत ओव्हन, मिक्सर, पंखे, धुलाई यंत्र, निर्वात स्वच्छता यंत्र (Vacuum cleaner), रोटीमेकर या सर्व घरगुती साधनांनी आपली श्रमाची आणि वेळेची बचत केली आहे. या सर्व उपकरणांना चालविण्यासाठी विजेशिवाय दुसरा पर्याय नाही.

फक्त माणसेच नाही तर काही प्राणी विजेचा वापर करतात. उदा., ईल हा मासा आपलेभक्ष्य पकडण्यासाठी व स्वत:चेसंरक्षण करण्यासाठी विजेचा वापर करतो. कडाडून पडणारी वीज ही नैसर्गिक विद्युत प्रवाहाचेउत्तम उदाहरण आहे. ही वीज जर आपण साठवूशकलो तर?

विद्युत निर्मितीसाठी धरणातील पाणीउंच पातळीवरून सोडण्यात येतेव गुरुत्वाकर्षणामुळेतेखालच्या पातळीवर पडते. म्हणजेआपल्याला माहीतच आहेकी दोन बिंदूंमधील पाण्याच्या प्रवाहाची दिशा त्या बिंदूंच्या पातळीवर अवलंबून असते.

विभव (Potential) आणि विभवांतर (Potential difference)

पाण्याप्रमाणेच विद्युत प्रभाराचा प्रवाह एक प्रकारच्या विद्युतपातळीवर अवलंबून असतो. त्या विद्युत पातळीस विद्युत विभव असे म्हणतात.

धनविद्युत प्रभारहा अधिक विभव असलेल्या बिंदूपासून कमी विभव असलेल्या बिंदूकडेप्रवाहित होतो. आपण यापूर्वी अभ्यासलेआहेकी, विद्युतप्रवाह इलेक्ट्रॉनच्या, (ज्याचा विद्युत प्रभार ऋण असतो) वहनामुळेहोतो. इलेक्ट्रॉन कमी विद्युत विभवाच्या बिंदूपासून अधिक विभव असलेल्या बिंदूकडेप्रवािहत होतात. आकाशात चमकणारी वीज म्हणजेकमी विभव असलेल्या ढगांतून अधिक विभव असलेल्या जमिनीपर्यंत येणारा इलेक्ट्रॉन्स्‌चा प्रवाह असतो. विद्युत विभवाची परिभाषा तुम्ही पुढेअभ्यासाल.

वाहक A व B या दोन्हींच्या विद्युत विभवांतील फरकास त्या वाहकांदरम्यानचे विभवांतर म्हणतात.

आकृती 3.2 मध्ये दाखविल्याप्रमाणे A हा जास्त विभव असलेला वाहक (Conductor) व B हा कमी विभव असलेला वाहक आहे. जर तेदोन्ही वाहक वीजवाहक तारेने जोडले तर तारेच्या दोन टोकांमध्ये विभवांतर निर्माण होईल व इलेक्ट्रॉन्सचा प्रवाह B या वाहकाकडून A या वाहकाकडे सुरू होईल. A आणि B या दोन्ही वाहकांवरील विद्युत विभव समान होईपर्यंत हा प्रवाह सुरू राहील. म्हणजेच या दोन्ही वाहकांतील विभवांतर जेव्हा शून्य होईल तेव्हा हा इलेक्ट्रॉन्स्‌चा प्रवाह थांबेल.

धनविद्युत प्रभार मात्र कमी विभवावरून त्यापेक्षा जास्त विभवावर स्थानांतरित करण्यास विद्युत क्षेत्राच्या (Electric field) विरुद्ध कार्य करावे लागते.

विद्युतघटाचे विभवांतर (Potential differance of a Cell)

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

A या बिंदूपासून B या बिंदूपर्यंत एकक धनप्रभार स्थानांतरित करण्यासाठी जेकार्य करावेलागते त्यास A आणि B बिंदूंदरम्यानचे विद्युत विभवांतर 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. आकृती 3.3 मध्येदाखविल्याप्रमाणे वाहकामध्येहे इलेक्ट्रॉन एका भागाकडून दुसऱ्या भागाकडे सहजपणे जाऊ शकतात. यामुळे मुक्त इलेक्ट्रॉन्सच्या ऋण प्रभाराचेही वहन होते. म्हणजेच वाहकातील मुक्त इलेक्ट्रॉन्स हे ऋण प्रभाराचे वाहक असतात.

तारेतून जाणारी विद्युतधारा (Electric Current)

आकृती 3.4 अ मध्येदाखवल्याप्रमाणे जर विद्युतवाहक तार विद्युतघटाला जोडलेली नसेल तर तिच्यातील मुक्त इलेक्ट्रॉन्स तिच्यातील अणूंच्या दरम्यान सर्व दिशांना मुक्तपणे फिरत असतात परंतुजेव्हा त्या तारेची टोके कोरड्या विद्युत घटासारख्या विद्युतस्रोतास जोडली जातात तेव्हा तारेतील इलेक्ट्रॉन्सवर विभवांतरामुळे विद्युतबल कार्य करते आणि आकृती 3.4 ब मध्ये दाखवल्याप्रमाणे इलेक्ट्रॉन्स ऋण प्रभारित असल्याने तारेच्या ऋण टोकाकडून (कमी विभवाकडून) धन टोकाकडे (जास्त विभवाकडे) प्रवाहित होतात. याच इलेक्ट्रॉनच्या प्रवाहामुळे तारेतून विद्युतधारा वाहू लागते. इलेक्ट्रॉन्सची ही हालचाल अनियमित अशा सरासरी चालीने सुरू असते.

विद्युतधारा (Electric Current)

वाहकातून वाहणारा इलेक्ट्रॉन्सचा प्रवाह म्हणजे विद्युतधारा होय. त्याचेमूल्य (I) एकक कालावधीत वाहकातून वाहणाऱ्या विद्युतप्रभाराएवढेअसत

जर Q हा वाहकाच्या काटछेदातून t या कालावधीत वाहणारा विद्युत प्रभार असेल, तर

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

उदाहरण : एका विद्युत वाहक तारेतून 0.4 A इतकी विद्युतधारा सतत 5 मिनिटेप्रवाहीत होत असेल तर त्या तारेतून प्रवाहित होणारा विद्युतप्रभार किती असेल?

दिलेले :       I = 0.4 A
t = 5 min = 5 ´ 60 s =300 s
सूत्र       Q = I ´ t
Q = 0.4 A ´ 300 s
Q = 120 C.
तारेतून जाणारा विद्युतप्रभार = 120 C

विद्युतरोध (Resistance) आणि ओहमचा नियम.

ओहमचा नियम (Ohm’s law )

वाहकामधून प्रवाहित होणारी विद्युतधारा (I) व त्या वाहकाच्या दोन टोकांमधील विभवांतर (V) यांच्यामधील संबंध जर्मन शास्त्रज्ञ जॉर्ज ओहम यांच्या नियमानुसार काढता येतो.

वाहकाची भौतिक अवस्था कायम असताना वाहकामधून वाहणारी विद्युतधारा ही त्या वाहकाच्या दोन टोकांमधील विभवांतरास समानुपाती असते.

एक ओहम रोध : वाहकाच्या दोन टोकांमध्ये एक व्होल्ट विभवांतर प्रयुक्त केले असता वाहकातून एक ॲम्पिअर विद्युतधारा जात असेल तर त्या वाहकाचा रोध एक ओहम असतो.

वाहकाचा रोध व रोधकता (Resistance and Resistivity)

वरील आकृती 3.4 प्रमाणे वाहकात प्रचंड प्रमाणात मुक्त इलेक्ट्रॉन्स असतात. हे इलेक्ट्रान्स सातत्याने यादृच्छिक गतीत असतात. वाहकाच्या दोन टोकांमध्ये विभवांतर प्रयुक्त केले असता हे इलेक्ट्रॉन्स कमी विभव असलेल्या टोकाकडून जास्त विभव असलेल्या टोकाकडे जाऊ लागतात.अशा प्रकारच्या इलेक्ट्रॉन्सच्या प्रवाहामुळे विद्युतधारा निर्माण होते. गतिमान इलेक्ट्रॉन्स त्यांच्या मार्गात येणाऱ्या अणूंवर किंवा आयनांवर आदळतात. अशा प्रकारच्या आघातामुळे इलेक्ट्रॉन्सच्या गतीला अडथळा होतो व विद्युतधारेस विरोध होतो. या विरोधालाच वाहकाचा रोध असे म्हणतात.

जॉर्ज सायमन ओहम या जर्मन भौतिक शास्त्रज्ञाने विद्युत वाहकातील रोध मोजण्यासाठी नियम प्रस्थापित केला. त्यांच्या सन्मानार्थ रोधाच्या एककास ‘ओहम’ हे नाव देण्यात आले आहे.

रोधकता :विशिष्ट तापमानास वाहकाचा रोध R हा वाहकपदार्थ (Material), वाहकाची लांबी (L) व काटछेदी क्षेत्रफळ A या गोष्टींवर अवलंबून असतो.

या ठिकाणी r हा समानुपातता स्थिरांक आहे. या स्थिरांकास वाहकपदार्थाची ‘रोधकता’ (Resistivity) म्हणतात. SI पद्धतीत रोधकतेचे एकक ओहम मीटर (W m) आहे. रोधकता हा पदार्थाचा वैशिष्ट्यपूर्ण गुणधर्म असून वेगवेगळ्या पदार्थांची रोधकता ही भिन्न असते.

विद्युत परिपथ (Electric Circuit)

विद्युतघटाच्या दोन्ही अग्रांमध्ये जोडलेल्या वाहक तारा आणि इतर रोध यामधून वाहणाऱ्या विद्युतधारेचा सलग मार्ग म्हणजे विद्युत परिपथ होय. विद्युत परिपथ हा नेहमी आकृती काढून दाखवतात.यामध्येवेगवेगळे घटक कसे जोडावेत हे विविध चिन्हे वापरून दाखवलेल्या रेखाकृतीस विद्युत परिपथाकृती असे म्हणतात. (आकृती 3.5 पहा)

या आकृतीत विद्युतधारा मोजण्यासाठी ‘अॅमीटर’ व रोधाच्या दोन टोकांदरम्यान असलेले विभवांतर मोजण्यासाठी ‘व्होल्टमीटर’ ही यंत्रे वापरली आहेत. व्होल्टमीटरचा रोध अतिशय जास्त असल्याचे त्यातून वाहणारा विद्युतप्रवाह अतिसूक्ष्म असतो.

परिपथातील विद्युतधारा मोजा नंतर तांब्याच्या तारेच्या जागी ॲल्युमिनिअमची तार, काचकांडी, रबर एकावेळी एक असे जोडा व प्रत्येक वेळी विद्युतधारा मोजा. तुमची निरीक्षणे नोंदवा. तांबे, ॲल्युमिनिअमची तार, काचकांडी व रबर.

वाहक आणि विसंवाहक (Conductors and Insulators)

विद्युतरोधाची संकल्पना आपण अभ्यासली आहे. आपण सर्व पदार्थांची विद्युतवाहक (सुवाहक) व विसंवाहक (दुर्वाहक) अशी विभागणी करू शकतो.

वाहक : ज्या पदार्थांची रोधकता खूप कमी असते त्यांना वाहक असे म्हणतात. यांच्यातून सहजतेने विद्युतधारा वाहू शकते.

विसंवाहक : ज्या पदार्थांची रोधकता खूप जास्त असते, म्हणजेच ज्याच्यातून विद्युतधारा वाहूच शकत नाही अशा पदार्थांना विसंवाहक म्हणतात.

ओहमच्या नियमाचा प्रयोगाच्या साहाय्याने पडताळा घेणे.

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

अनेक विद्युत उपकरणांमध्येआपण असंख्य रोध वेगवेगळ्या प्रकारे जोडत असतो. अशा प्रकारे केलेल्या रोधांच्या जोडण्यांनासुद्धा ओहमचा नियम लागू पडतो.

रोधांची एकसर जोडणी (Resistors in Series)