વિદ્યુતનું આધુનિક સમાજમાં મહત્વનું સ્થાન છે. તે ઘર, શાળા, હોસ્પિટલ, ઉદ્યોગો વગેરેમાં વિવિધ ઉપયોગો માટે ઊર્જાનું નિયંત્રણયોગ્ય અને સુવિધાજનક સ્વરૂપ છે. વિદ્યુત શું છે? તે વિદ્યુત પરિપથમાં કેવી રીતે વહે છે? વિદ્યુત પરિપથમાંથી પસાર થતી વિદ્યુતપ્રવાહને નિયંત્રિત અથવા નિયમિત કરતા પરિબળો કયા છે? આ અધ્યાયમાં, આપણે આવા પ્રશ્નોના જવાબ આપવાનો પ્રયત્ન કરીશું. આપણે વિદ્યુતપ્રવાહની ઉષ્મા અસર અને તેના ઉપયોગો પર પણ ચર્ચા કરીશું.

11.1 વિદ્યુતપ્રવાહ અને પરિપથ

આપણે હવાના પ્રવાહ અને પાણીના પ્રવાહથી પરિચિત છીએ. આપણે જાણીએ છીએ કે વહેતું પાણી નદીઓમાં પાણીનો પ્રવાહ બનાવે છે. તે જ રીતે, જો વિદ્યુતભાર કોઈ વાહક (ઉદાહરણ તરીકે, ધાતુનો તાર) માંથી વહે છે, તો આપણે કહીએ છીએ કે વાહકમાં વિદ્યુતપ્રવાહ છે. ટૉર્ચમાં, આપણે જાણીએ છીએ કે સેલ (અથવા બેટરી, જ્યારે યોગ્ય ક્રમમાં મૂકવામાં આવે છે) ટૉર્ચના બલ્બને પ્રકાશિત કરવા માટે ભારોના પ્રવાહ અથવા વિદ્યુતપ્રવાહ પૂરા પાડે છે. આપણે એ પણ જોયું છે કે ટૉર્ચ ત્યારે જ પ્રકાશ આપે છે જ્યારે તેનો સ્વિચ ચાલુ હોય. સ્વિચ શું કરે છે? સ્વિચ સેલ અને બલ્બ વચ્ચે વાહક જોડાણ બનાવે છે. વિદ્યુતપ્રવાહનો સતત અને બંધ માર્ગ વિદ્યુત પરિપથ કહેવાય છે. હવે, જો પરિપથ ક્યાંય તૂટી જાય (અથવા ટૉર્ચનો સ્વિચ બંધ કરવામાં આવે), તો પ્રવાહ વહેવાનું બંધ થાય છે અને બલ્બ પ્રકાશિત થતો નથી.

આપણે વિદ્યુતપ્રવાહને કેવી રીતે વ્યક્ત કરીએ? વિદ્યુતપ્રવાહ એકમ સમયમાં ચોક્કસ ક્ષેત્રફળમાંથી વહેતા ભારની માત્રા દ્વારા વ્યક્ત થાય છે. બીજા શબ્દોમાં, તે વિદ્યુતભારોના પ્રવાહનો દર છે. ધાતુના તારોવાળા પરિપથોમાં, ઇલેક્ટ્રોન ભારોના પ્રવાહનું નિર્માણ કરે છે. જો કે, જ્યારે વિદ્યુતની ઘટનાનું પ્રથમ અવલોકન થયું ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન જાણીતા ન હતા. તેથી, વિદ્યુતપ્રવાહને ધન ભારોનો પ્રવાહ ગણવામાં આવતો હતો અને ધન ભારોના પ્રવાહની દિશાને વિદ્યુતપ્રવાહની દિશા લેવામાં આવતી હતી. પરંપરાગત રીતે, વિદ્યુત પરિપથમાં વિદ્યુતપ્રવાહની દિશાને ઇલેક્ટ્રોનના પ્રવાહની દિશાની વિરુદ્ધ લેવામાં આવે છે, જે ઋણ ભારો છે.

આકૃતિ 11.1 વિદ્યુત પરિપથનું રેખાકૃતિ આકૃતિ - સેલ, વિદ્યુત બલ્બ, એમીટર અને પ્લગ કી

જો ચોખ્ખો ભાર $Q$, સમય $t$ માં વાહકના કોઈ પણ આડછેદમાંથી વહે છે, તો આડછેદમાંથી પસાર થતો પ્રવાહ $I$, છે

$$ \begin{equation*} I=\dfrac{Q}{t} \tag{11.1} \end{equation*} $$

વિદ્યુત ભારનો SI એકમ કુલંબ (C) છે, જે લગભગ $6 \times 10^{18}$ ઇલેક્ટ્રોનમાં રહેલા ભારની સમકક્ષ છે. (આપણે જાણીએ છીએ કે ઇલેક્ટ્રોનમાં $1.6 \times 10^{-19} C$ નો ઋણ ભાર હોય છે.) વિદ્યુતપ્રવાહ એમ્પિયર (A) નામના એકમ દ્વારા વ્યક્ત થાય છે, જે ફ્રેન્ચ વૈજ્ઞાનિક એન્ડ્રે-મેરી એમ્પિયર (1775-1836) ના નામ પર રાખવામાં આવ્યું છે. એક એમ્પિયર એક સેકન્ડ દીઠ એક કુલંબ ભારના પ્રવાહથી બને છે, એટલે કે, $1 A=1 C / 1 s$. નાના પ્રવાહો મિલિએમ્પિયર $(1 mA=10^{-3} A)$ અથવા માઇક્રોએમ્પિયર $(1 \mu A=10^{-6} A)$ માં વ્યક્ત થાય છે. એમીટર નામના સાધનથી પરિપથમાં વિદ્યુતપ્રવાહ માપવામાં આવે છે. તે હંમેશા શ્રેણીમાં જોડવામાં આવે છે જે પરિપથમાંથી પ્રવાહ માપવો હોય છે. આકૃતિ 11.1 એક લાક્ષણિક વિદ્યુત પરિપથનું રેખાકૃતિ આકૃતિ બતાવે છે જેમાં સેલ, વિદ્યુત બલ્બ, એમીટર અને પ્લગ કી છે. નોંધ લો કે વિદ્યુતપ્રવાહ પરિપથમાં સેલના ધન ટર્મિનલથી બલ્બ અને એમીટર દ્વારા સેલના ઋણ ટર્મિનલ સુધી વહે છે.

ઉદાહરણ 11.1

વિદ્યુત બલ્બના ફિલામેન્ટ દ્વારા 10 મિનિટ માટે $0.5 A$ નો પ્રવાહ ખેંચવામાં આવે છે. પરિપથમાંથી વહેતા વિદ્યુત ભારની માત્રા શોધો.

ઉકેલ

આપણને આપેલ છે, $I=0.5 A ; t=10 min=600 s$.

સમીકરણ (11.1) પરથી, આપણી પાસે છે

$$ \begin{aligned} Q & =I t \\ & =0.5 A \times 600 s \\ & =300 C \end{aligned} $$

11.2 વિદ્યુત વિભવ અને વિભવાંતર

વિદ્યુત ભારને વહેવા શું પ્રેરે છે? ચાલો પાણીના પ્રવાહની સાદૃશ્યતા ધ્યાનમાં લઈએ. ભારો તાંબાના તારમાં પોતાનાથી વહેતા નથી, જેમ કે સંપૂર્ણપણે આડી નળીમાં પાણી વહેતું નથી. જો નળીનો એક છેડો ઊંચા સ્તરે રાખેલા પાણીના ટાંકી સાથે જોડવામાં આવે, જેથી નળીના બંને છેડા વચ્ચે દબાણનો તફાવત હોય, તો પાણી નળીના બીજા છેડેથી બહાર વહે છે. વાહક ધાતુના તારમાં ભારોના પ્રવાહ માટે, ગુરુત્વાકર્ષણની, અલબત્ત, કોઈ ભૂમિકા નથી; ઇલેક્ટ્રોન ત્યારે જ ફરે છે જો વિદ્યુત દબાણનો તફાવત હોય - જેને વાહક સાથે વિભવાંતર કહેવાય છે. આ વિભવનો તફાવત એક અથવા વધુ વિદ્યુત સેલ ધરાવતી બેટરી દ્વારા ઉત્પન્ન થઈ શકે છે. સેલની અંદરની રાસાયણિક ક્રિયા તેના ટર્મિનલ પર વિભવાંતર ઉત્પન્ન કરે છે, ત્યારે પણ જ્યારે તેમાંથી કોઈ પ્રવાહ ખેંચવામાં ન આવે. જ્યારે સેલને વાહક પરિપથ તત્વ સાથે જોડવામાં આવે છે, ત્યારે વિભવાંતર વાહકમાં ભારોને ગતિમાં મૂકે છે અને વિદ્યુતપ્રવાહ ઉત્પન્ન કરે છે. આપેલ વિદ્યુત પરિપથમાં પ્રવાહ જાળવવા માટે, સેલે તેમાં સંગ્રહિત તેની રાસાયણિક ઊર્જા ખર્ચવી પડે છે.

આપણે વિભવાંતરને વિદ્યુત પરિપથમાં બે બિંદુઓ વચ્ચે એકમ ભારને એક બિંદુથી બીજા બિંદુ પર ખસેડવા માટે કરેલ કાર્ય તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરીએ છીએ -

વિભવાંતર $(V)$ બે બિંદુઓ $=$ વચ્ચે કરેલ કાર્ય $(W) /$ ભાર $(Q)$

$$ \begin{equation*} V=W / Q \tag{11.2} \end{equation*} $$

વિદ્યુત વિભવાંતરનો SI એકમ વોલ્ટ $(V)$ છે, જે ઇટાલિયન ભૌતિકશાસ્ત્રી એલેસાન્ડ્રો વોલ્ટા (1745-1827) ના નામ પર રાખવામાં આવ્યું છે. એક વોલ્ટ એ પ્રવાહવાહક વાહકમાં બે બિંદુઓ વચ્ચેનો વિભવાંતર છે જ્યારે 1 કુલંબ ભારને એક બિંદુથી બીજા બિંદુ પર ખસેડવા માટે 1 જૂલ કાર્ય કરવામાં આવે છે.

$$ \text{ Therefore, 1 volt } =\dfrac{1 \text{ joule }}{1 \text{ coulomb }}$$

$$ \begin{equation*} 1 \mathrm{~V}=1 \mathrm{JC}^{-1} \tag{11.3} \end{equation*} $$

વિભવાંતર વોલ્ટમીટર નામના સાધન દ્વારા માપવામાં આવે છે. વોલ્ટમીટર હંમેશા સમાંતરમાં જોડવામાં આવે છે જે બિંદુઓ વચ્ચે વિભવાંતર માપવાનું હોય છે.

ઉદાહરણ 11.2

$2 C$ ના ભારને $12 V$ ના વિભવાંતર ધરાવતા બે બિંદુઓ વચ્ચે ખસેડવામાં કેટલું કાર્ય થાય છે?

ઉકેલ

ભારની માત્રા $Q$, જે વિભવાંતર $V(=12 V)$ પરના બે બિંદુઓ વચ્ચે વહે છે તે $2 C$ છે. આમ, ભારને ખસેડવામાં થયેલ કાર્યની માત્રા $W$, [સમીકરણ (11.2) પરથી] છે

$$ \begin{matrix} W & = V Q \\ & = 12 V \times 2 C \\ & = 24 J . \end{matrix} $$

11.3 પરિપથ આકૃતિ

આપણે જાણીએ છીએ કે વિદ્યુત પરિપથ, જેમ કે આકૃતિ 11.1 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, સેલ (અથવા બેટરી), પ્લગ કી, વિદ્યુત ઘટક(ઓ) અને જોડાણ તારો ધરાવે છે. રેખાકૃતિ આકૃતિ દોરવી ઘણીવાર સુવિધાજનક હોય છે, જેમાં પરિપથના વિવિધ ઘટકોને સુવિધાજનક રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા પ્રતીકો દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. પરિપથ આકૃતિઓમાં સૌથી વધુ સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા વિદ્યુત ઘટકોને દર્શાવવા માટે વપરાતા પરંપરાગત પ્રતીકો કોષ્ટક 11.1 માં આપેલા છે.

કોષ્ટક 11.1 પરિપથ આકૃતિઓમાં સામાન્ય રીતે ઉપયોગમાં લેવાતા કેટલાક ઘટકોના પ્રતીકો

11.4 ઓહમનો નિયમ

વાહક પરના વિભવાંતર અને તેમાંથી પસાર થતા પ્રવાહ વચ્ચે કોઈ સંબંધ છે? ચાલો એક પ્રવૃત્તિ સાથે અન્વેષણ કરીએ.

પ્રવૃત્તિ 11.1

• આકૃતિ 11.2 માં બતાવ્યા પ્રમાણે પરિપથ સેટ કરો, જેમાં લંબાઈ $0.5 m$ ની નિક્રોમ તાર XY, એમીટર, વોલ્ટમીટર અને દરેક $1.5 V$ ના ચાર સેલ શામેલ છે. (નિક્રોમ નિકલ, ક્રોમિયમ, મેંગેનીઝ અને આયર્ન ધાતુઓની મિશ્રધાતુ છે.)
• પ્રથમ પરિપથમાં સ્રોત તરીકે ફક્ત એક જ સેલનો ઉપયોગ કરો. નિક્રોમ તાર $XY$ પરના વિભવાંતર માટે પ્રવાહ માટે એમીટર $I$ નું અને વોલ્ટમીટર $V$ નું રીડિંગ નોંધો. તેમને આપેલ કોષ્ટકમાં ટેબ્યુલેટ કરો.

આકૃતિ 11.2 ઓહમના નિયમનો અભ્યાસ કરવા માટે વિદ્યુત પરિપથ

• આગળ પરિપથમાં બે સેલ જોડો અને નિક્રોમ તારમાંથી પસાર થતા પ્રવાહ અને નિક્રોમ તાર પરના વિભવાંતરના મૂલ્યો માટે એમીટર અને વોલ્ટમીટરના અનુરૂપ રીડિંગ નોંધો.
• ઉપરનાં પગલાંને અલગથી ત્રણ સેલ અને પછી ચાર સેલનો ઉપયોગ કરીને પુનરાવર્તિત કરો.
• વિભવાંતર $V$ અને પ્રવાહ $I$ ની દરેક જોડી માટે $V$ અને $I$ ના ગુણોત્તરની ગણતરી કરો.

• $V$ અને $I$ વચ્ચે આલેખ દોરો, અને આલેખની પ્રકૃતિનું અવલોકન કરો.

આકૃતિ 11.3 નિક્રોમ તાર માટે $V-I$ આલેખ. સીધી રેખાનો પ્લોટ બતાવે છે કે જેમ તારમાંથી પસાર થતો પ્રવાહ વધે છે, તેમ તાર પરનું વિભવાંતર રેખીય રીતે વધે છે - આ ઓહમનો નિયમ છે.

આ પ્રવૃત્તિમાં, તમે જોશો કે દરેક કિસ્સામાં લગભગ સમાન મૂલ્ય $V / I$ માટે મળે છે. આમ $V-I$ આલેખ એ સીધી રેખા છે જે આલેખના મૂળમાંથી પસાર થાય છે, જેમ કે આકૃતિ 11.3 માં બતાવ્યા પ્રમાણે. આમ, $V / I$ એ સતત ગુણોત્તર છે.

1827 માં, જર્મન ભૌતિકશાસ્ત્રી જ્યોર્જ સિમન ઓહમ (1787-1854) ને ધાતુના તારમાં વહેતા પ્રવાહ $I$ અને તેના ટર્મિનલ પરના વિભવાંતર વચ્ચેનો સંબંધ જાણવા મળ્યો. વિદ્યુત પરિપથમાં આપેલ ધાતુના તારના છેડા પરનું વિભવાંતર, $V$, તેમાંથી વહેતા પ્રવાહના સીધા પ્રમાણમાં હોય છે, જો તેનું તાપમાન સમાન રહે. આને ઓહમનો નિયમ કહેવાય છે. બીજા શબ્દોમાં -

$ \begin{equation*} V \propto I \tag{11.4} \end{equation*} $

અથવા $\hspace{40 px} V/I = $ અચળ

$ \hspace{70 px} = R $

અથવા

$ \begin{equation*} \hspace{50 px} V = IR \tag{11.5} \end{equation*} $

સમીકરણ (11.4) માં, $R$ આપેલ ધાતુના તાર માટે આપેલ તાપમાને અચળ છે અને તેને તેનો અવરોધ કહેવાય છે. તે વાહકની ભારોના પ્રવાહનો વિરોધ કરવાની મિલકત છે. તેનો SI એકમ ઓહમ છે, જે ગ્રીક અક્ષર $\Omega$ દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે. ઓહમના નિયમ મુજબ,

$ \begin{equation*} R=V / I \tag{11.6} \end{equation*} $

જો વાહકના બે છેડા વચ્ચેનું વિભવાંતર $1 V$ હોય અને તેમાંથી પસાર થતો પ્રવાહ $1 A$ હોય, તો વાહકનો અવરોધ $R$, છે $1 \Omega$. એટલે કે,

$1 ohm=\dfrac{1 \text{ volt }}{1 \text{ ampere }}$

સમીકરણ (11.5) પરથી પણ આપણને મળે છે

$ \begin{equation*} I=V / R \tag{11.7} \end{equation*} $

સમીકરણ (11.7) પરથી સ્પષ્ટ છે કે રેઝિસ્ટરમાંથી પસાર થતો પ્રવાહ તેના અવરોધના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. જો અવરોધ બમણો કરવામાં આવે તો પ્રવાહ અડધો થાય છે. ઘણી વ્યવહારિક પરિસ્થિતિઓમાં વિદ્યુત પરિપથમાં પ્રવાહ વધારવો અથવા ઘટાડવો જરૂરી હોય છે. વોલ્ટેજ સ્રોત બદલ્યા વિના પ્રવાહને નિયમિત કરવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતા ઘટકને ચલ અવરોધ કહેવાય છે. વિદ્યુત પરિપથમાં, પરિપથમાં અવરોધ બદલવા માટે રિઓસ્ટેટ નામના ઉપકરણનો ઘણીવાર ઉપયોગ થાય છે. હવે આપણે નીચેની પ્રવૃત્તિની મદદથી વાહકના વિદ્યુત અવરોધ વિશે અભ્યાસ કરીશું.

પ્રવૃત્તિ 11.2

• એક નિક્રોમ તાર, ટૉર્ચ બલ્બ, $10 W$ બલ્બ અને એમીટર (0 - 5 A રેન્જ), પ્લગ કી અને કેટલાક જોડાણ તારો લો.
• આકૃતિ 11.4 માં બતાવ્યા પ્રમાણે, પરિપથમાં XY ગેપ છોડીને એમીટર સાથે શ્રેણીમાં દરેક $1.5 V$ ના ચાર ડ્રાય સેલ જોડીને પરિપથ સેટ કરો.

આકૃતિ 11.4

• XY ગેપમાં નિક્રોમ તાર જોડીને પરિપથ પૂર્ણ કરો. કી પ્લગ કરો. એમીટર રીડિંગ નોંધો. પ્લગમાંથી કી બહાર કાઢો. [નોંધ: પરિપથમાંથી પસાર થતો પ્રવાહ માપ્યા પછી હંમેશા પ્લગમાંથી કી બહાર કાઢો.]
• પરિપથમાં નિક્રોમ તારને ટૉર્ચ બલ્બથી બદલો અને એમીટરનું રીડિંગ માપીને તેમાંથી પસાર થતો પ્રવાહ શોધો.
• હવે XY ગેપમાં $10 W$ બલ્બ સાથે ઉપરનું પગલું પુનરાવર્તિત કરો.
• શું XY માં જોડાયેલા વિવિધ ઘટકો માટે એમીટર રીડિંગ અલગ છે? ઉપરનાં અવલોકનો શું સૂચવે છે?
• તમે ગેપમાં કોઈપણ સામગ્રી ઘટક રાખીને આ પ્રવૃત્તિ પુનરાવર્તિત કરી શકો છો. દરેક કિસ્સામાં એમીટર રીડિંગનું અવલોકન કરો. અવલોકનોનું વિશ્લેષણ કરો.

આ પ્રવૃત્તિમાં આપણે જોઈએ છીએ કે વિવિધ ઘટકો માટે પ્રવાહ અલગ છે. તેઓ કેમ અલગ પડે છે? ચોક્કસ ઘટકો વિદ્યુતપ્રવાહના પ્રવાહ માટે સરળ માર્ગ પૂરો પાડે છે જ્યારે અન્ય પ્રવાહનો વિરોધ કરે છે. આપણે જાણીએ છીએ કે વિદ્યુત પરિપથમાં ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ વિદ્યુતપ્રવાહ બનાવે છે. જો કે, ઇલેક્ટ્રોન વાહકની અંદર ફરવા માટે સંપૂર્ણપણે મુક્ત નથી. તેઓ પરમાણુઓના આકર્ષણ દ્વારા અવરોધિત થાય છે જેની વચ્ચે તેઓ ફરે છે. આમ, વાહક દ્વારા ઇલેક્ટ્રોનની ગતિ તેના અવરોધ દ્વારા મંદ થાય છે. આપેલ કદનો ઘટક જે ઓછો અવરોધ પૂરો પાડે છે તે સારો વાહક છે. કેટલાક નોંધપાત્ર અવરોધ ધરાવતા વાહકને રેઝિસ્ટર કહેવાય છે. સમાન કદનો ઘટક જે વધુ અવરોધ પૂરો પાડે છે તે ખરાબ વાહક છે. સમાન કદનો વિસંવાહક વધુ અવરોધ પૂરો પાડે છે.

11.5 જે પરિબળો પર વાહકનો અવરોધ આધાર રાખે છે

પ્રવૃત્તિ 11.3

• સેલ, એમીટર, લંબાઈ $l$ ની નિક્રોમ તાર [ધારો કે, ચિહ્નિત (1)] અને પ્લગ કી ધરાવતો વિદ્યુત પરિપથ પૂર્ણ કરો, જેમ કે આકૃતિ 11.5 માં બતાવ્યા પ્રમાણે.

આકૃતિ 11.5 વાહક તારોના અવરોધ કયા પરિબળો પર આધાર રાખે છે તેનો અભ્યાસ કરવા માટે વિદ્યુત પરિપથ

• હવે, કી પ્લગ કરો. એમ