धडा ३: विद्युत प्रवाह

आकृतीत : आकृतीत विभवांतर म्हणजे पाण्याच्या पातळीतील फरकासारखे, जो पाणी वाहवतो.

नियम 1 : विभव आणि विद्युतभाराचा प्रवाह — विद्युत विभवातील फरकामुळे विद्युतभार वाहतो, जसे पाण्याच्या पातळीतील फरकाने. धन विद्युतभार उच्च विभवाकडून कमी विभवाकडे आणि इलेक्ट्रॉन कमी विभवाकडून उच्चाकडे वाहतात.

• सोपे : 1.5 V च्या घटाचे + टोक उच्च विभवावर असते; इलेक्ट्रॉन तारेतून − टोकापासून + टोकाकडे जातात.
• मध्यम : तारेची दोन्ही टोके एकाच विभवावर असतील तर प्रवाह नाही, जसे उंचीत फरक नसलेल्या नळातील पाणी.
• परीक्षेसाठी : घटाचे विभवांतर त्याच्या आतील रासायनिक अभिक्रियांमुळे येते. पहिला घट व्होल्टा यांनी बनवला.

नियम 2 : व्होल्ट — V = W ÷ Q. एकक व्होल्ट (V); 1 V = 1 J/C.

• सोपे : 6 J कार्य 2 C हलवते : V = 6 ÷ 2 = 3 V.
• मध्यम : 12 V ची बॅटरी जाणाऱ्या प्रत्येक कुलोम्बला 12 J देते.
• परीक्षेसाठी : 6 V च्या दोन बिंदूंमध्ये विद्युतभार हलवायला 24 J कार्य झाले. Q = W ÷ V = 24 ÷ 6 = 4 C.

फरक ओळखा

नियम 1 : विद्युतप्रवाह आणि मुक्त इलेक्ट्रॉन — धातूंत विद्युतप्रवाह मुक्त इलेक्ट्रॉन वाहून नेतात. I = Q ÷ t आणि एकक अँपिअर (A); 1 A = 1 C/s. इलेक्ट्रॉनवरील भार 1.6 × 10⁻¹⁹ C. परिपाठीय प्रवाह + कडून − कडे वाहतो, जो इलेक्ट्रॉनच्या प्रवाहाच्या उलट असतो.

• सोपे : 5 s मध्ये 10 C वाहतात : I = 10 ÷ 5 = 2 A.
• मध्यम : 0.5 A प्रवाह 20 s वाहतो : Q = I × t = 0.5 × 20 = 10 C.
• परीक्षेसाठी : 3.2 C मधील इलेक्ट्रॉनांची संख्या : 3.2 ÷ (1.6 × 10⁻¹⁹) = 2 × 10¹⁹ इलेक्ट्रॉन.

नियम 2 : प्रवाहाची दिशा — सुरुवातीच्या शास्त्रज्ञांनी प्रवाह + कडून − कडे वाहतो असे मानले (परिपाठीय प्रवाह). आता माहीत आहे की इलेक्ट्रॉन − कडून + कडे वाहतात. दोन्ही वर्णने वापरतात आणि मंडलात प्रवाहाची दिशा नेहमी + कडून − कडे धरतात.

• सोपे : टॉर्चमध्ये इलेक्ट्रॉन घटाच्या − टोकापासून बल्बमधून + टोकाकडे जातात, पण प्रवाह + ते − म्हणून धरतात.
• मध्यम : 5 इलेक्ट्रॉनांचा भार 5 × 1.6 × 10⁻¹⁹ = 8 × 10⁻¹⁹ C.
• परीक्षेसाठी : 2 A प्रवाह 10 मिनिटे : t = 600 s, म्हणून Q = 2 × 600 = 1200 C.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत ओहमचा नियम : V हा I च्या प्रमाणात आहे आणि चढ म्हणजे रोध.

नियम 1 : ओहमचा नियम — स्थिर तापमानाला V = I × R. रोधाचे एकक ओहम (Ω). V विरुद्ध I चा आलेख सरळ रेषा असतो आणि तिचा चढ म्हणजे R. अँमीटर श्रेणीत आणि व्होल्टमीटर समांतर जोडतात.

• सोपे : V = 12 V, R = 4 Ω : I = V ÷ R = 12 ÷ 4 = 3 A.
• मध्यम : I = 0.5 A, R = 20 Ω : V = 0.5 × 20 = 10 V.
• परीक्षेसाठी : V विरुद्ध I च्या आलेखावर (0.2 A, 1 V) आणि (0.4 A, 2 V) हे बिंदू आहेत : चढ = 1 ÷ 0.2 = 5 Ω.

नियम 2 : विशिष्ट रोध — R = ρL ÷ A; येथे ρ = विशिष्ट रोध, L = लांबी, A = अनुप्रस्थ छेदाचे क्षेत्रफळ. विशिष्ट रोधाचे एकक Ω m. तांबे 1.7 × 10⁻⁸ Ω m; निक्रोम 1.1 × 10⁻⁶ Ω m. वाहकांचा रोध कमी आणि विसंवाहकांचा रोध खूप जास्त असतो.

• सोपे : जास्त लांब तारेचा रोध जास्त; जास्त जाड तारेचा कमी.
• मध्यम : तांब्याची तार L = 10 m, A = 1 मिमी² = 10⁻⁶ m² : R = 1.7 × 10⁻⁸ × 10 ÷ 10⁻⁶ = 0.17 Ω.
• परीक्षेसाठी : निक्रोम तार L = 2 m आणि A = 10⁻⁶ m² : R = 1.1 × 10⁻⁶ × 2 ÷ 10⁻⁶ = 2.2 Ω. तितक्याच आकाराच्या तांब्यापेक्षा तिचा रोध सुमारे 13 पट जास्त (2.2 ÷ 0.17 ≈ 13).

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत श्रेणीत रोध बेरीज होतो; समांतरमध्ये एकूण रोध प्रत्येकापेक्षा कमी असतो.

नियम 1 : श्रेणी जोडणी — प्रत्येक रोधकातून तोच प्रवाह जातो. R_s = R₁ + R₂ + …. एकूण रोध प्रत्येकापेक्षा जास्त. एक रोधक बिघडला तर मंडल तुटते.

• सोपे : 2 Ω + 3 Ω + 5 Ω श्रेणीत : R_s = 10 Ω.
• मध्यम : 12 V चा घट 2 Ω व 4 Ω श्रेणीत : R = 6 Ω, I = 12 ÷ 6 = 2 A आणि 4 Ω वरील V = 2 × 4 = 8 V.
• परीक्षेसाठी : भागांवरील विभवांतर मिळून पुरवठ्याएवढे : 2 × 2 + 2 × 4 = 4 + 8 = 12 V.

नियम 2 : समांतर जोडणी — प्रत्येक रोधकावर विभवांतर सारखेच. 1 ÷ R_p = 1 ÷ R₁ + 1 ÷ R₂ + …. एकूण रोध सर्वात लहानापेक्षा कमी. प्रवाह बेरीज होतात.

• सोपे : 6 Ω आणि 3 Ω समांतर : 1/R_p = 1/6 + 1/3 = 3/6 = 1/2, म्हणून R_p = 2 Ω.
• मध्यम : 10 Ω चे दोन समान रोधक समांतर : 10 ÷ 2 = 5 Ω.
• परीक्षेसाठी : 12 V पुरवठा, 6 Ω व 3 Ω समांतर : प्रवाह 12 ÷ 6 = 2 A आणि 12 ÷ 3 = 4 A; एकूण प्रवाह 6 A, जो 12 ÷ 2 एवढाच.

फरक ओळखा

आकृतीत : आकृतीत घरगुती जोडणीत फ्यूज आणि अर्थ वायर आहेत.

नियम 1 : घरगुती मंडल — लाल किंवा तपकिरी (live), निळी किंवा काळी (neutral) आणि हिरवी किंवा पिवळी (earth) तारा सुमारे 220 V घरात आणतात. उपकरणे समांतर जोडतात. फ्यूज live तारेशी श्रेणीत जोडतात आणि जास्त प्रवाहाने वितळतो.

• सोपे : पुरवठा सुमारे 220 V आणि उपकरणे समांतर, म्हणून प्रत्येकाला 220 V.
• मध्यम : 44 Ω चा हीटर 220 V वर I = 220 ÷ 44 = 5 A घेतो.
• परीक्षेसाठी : 55 Ω ची इस्त्री 220 ÷ 55 = 4 A घेते; 5 A चा फ्यूज ते चालू देतो. 22 Ω ची किटली 220 ÷ 22 = 10 A घेते, ज्यामुळे 5 A चा फ्यूज वितळतो.

नियम 2 : सुरक्षितता — स्विच हाताळताना हात कोरडे ठेवा आणि रबरी पादत्राणे घाला. धक्का बसणाऱ्या व्यक्तीला कधीही हात लावू नका; आधी मुख्य स्विच बंद करा.

• सोपे : प्लग दुरुस्त करण्यापूर्वी मुख्य स्विच बंद करा.
• मध्यम : अर्थ वायर : गळती झालेला प्रवाह सुरक्षितपणे जमिनीत नेते आणि धातूच्या कव्हरला हात लावणाऱ्याचे रक्षण करते.
• परीक्षेसाठी : कुणी live तारेला चिकटले असेल तर उघड्या हातांनी ओढू नका; मुख्य स्विच बंद करा किंवा कोरड्या लाकडी काठीने दूर करा आणि मदतीला (108) बोलवा.

फरक ओळखा