విద్యుత్కు ఆధునిక సమాజంలో ముఖ్యమైన స్థానం ఉంది. ఇది ఇళ్లలో, పాఠశాలలలో, ఆసుపత్రులలో, పరిశ్రమలలో మరియు మరెన్నో ప్రదేశాలలో వివిధ ఉపయోగాల కోసం నియంత్రించదగిన మరియు సౌకర్యవంతమైన శక్తి రూపం. విద్యుత్ను ఏమి నిర్మిస్తుంది? ఇది ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లో ఎలా ప్రవహిస్తుంది? ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్ ద్వారా కరెంట్ను నియంత్రించే లేదా నియంత్రించే కారకాలు ఏమిటి? ఈ అధ్యాయంలో, మేము అలాంటి ప్రశ్నలకు సమాధానం ఇవ్వడానికి ప్రయత్నిస్తాము. మేము విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క తాపన ప్రభావం మరియు దాని అనువర్తనాలను కూడా చర్చిస్తాము.

11.1 విద్యుత్ ప్రవాహం మరియు సర్క్యూట్

గాలి ప్రవాహం మరియు నీటి ప్రవాహం గురించి మనకు తెలుసు. ప్రవహించే నీరు నదులలో నీటి ప్రవాహాన్ని ఏర్పరుస్తుందని మనకు తెలుసు. అదేవిధంగా, ఎలక్ట్రిక్ ఛార్జ్ ఒక కండక్టర్ ద్వారా (ఉదాహరణకు, మెటాలిక్ వైర్ ద్వారా) ప్రవహిస్తే, కండక్టర్లో విద్యుత్ ప్రవాహం ఉందని మనం చెప్పాము. టార్చ్లో, సెల్స్ (లేదా బ్యాటరీ, సరైన క్రమంలో ఉంచినప్పుడు) ఛార్జీల ప్రవాహాన్ని లేదా టార్చ్ బల్బ్ ద్వారా ప్రకాశించే విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని అందిస్తాయని మనకు తెలుసు. టార్చ్ దాని స్విచ్ ఆన్ చేసినప్పుడు మాత్రమే కాంతిని ఇస్తుందని కూడా మనం చూశాము. స్విచ్ ఏమి చేస్తుంది? సెల్ మరియు బల్బ్ మధ్య స్విచ్ ఒక కండక్టింగ్ లింక్ను చేస్తుంది. విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క నిరంతర మరియు మూసివేయబడిన మార్గాన్ని ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్ అంటారు. ఇప్పుడు, సర్క్యూట్ ఎక్కడైనా విచ్ఛిన్నమైతే (లేదా టార్చ్ స్విచ్ ఆఫ్ చేయబడితే), కరెంట్ ప్రవహించడం ఆగిపోతుంది మరియు బల్బ్ ప్రకాశించదు.

విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని మనం ఎలా వ్యక్తపరుస్తాము? విద్యుత్ ప్రవాహం యూనిట్ సమయంలో ఒక నిర్దిష్ట ప్రాంతం ద్వారా ప్రవహించే ఛార్జ్ మొత్తంతో వ్యక్తీకరించబడుతుంది. మరో మాటలో చెప్పాలంటే, ఇది విద్యుత్ ఛార్జీల ప్రవాహం రేటు. మెటాలిక్ వైర్లను ఉపయోగించే సర్క్యూట్లలో, ఎలక్ట్రాన్లు ఛార్జీల ప్రవాహాన్ని ఏర్పరుస్తాయి. అయితే, విద్యుత్ దృగ్విషయం మొదట గమనించబడిన సమయంలో ఎలక్ట్రాన్లు తెలియవు. కాబట్టి, విద్యుత్ ప్రవాహం సానుకూల ఛార్జీల ప్రవాహంగా పరిగణించబడింది మరియు సానుకూల ఛార్జీల ప్రవాహం దిశ విద్యుత్ ప్రవాహం దిశగా తీసుకోబడింది. సంప్రదాయంగా, ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లో విద్యుత్ ప్రవాహం దిశ ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహం దిశకు వ్యతిరేకంగా తీసుకోబడుతుంది, ఇవి ప్రతికూల ఛార్జీలు.

చిత్రం 11.1 సెల్, ఎలక్ట్రిక్ బల్బ్, ఆమ్మీటర్ మరియు ప్లగ్ కీలను కలిగి ఉన్న ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్ యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం

ఒక నికర ఛార్జ్ $Q$, సమయం $t$లో కండక్టర్ యొక్క ఏదైనా క్రాస్-సెక్షన్ అంతటా ప్రవహిస్తే, క్రాస్-సెక్షన్ ద్వారా కరెంట్ $I$

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

విద్యుత్ ఛార్జ్ యొక్క SI యూనిట్ కూలంబ్ (C), ఇది దాదాపు $6 \times 10^{18}$ ఎలక్ట్రాన్లలో ఉన్న ఛార్జ్కు సమానం. (ఎలక్ట్రాన్ $1.6 \times 10^{-19} C$ యొక్క ప్రతికూల ఛార్జ్ను కలిగి ఉందని మనకు తెలుసు.) విద్యుత్ ప్రవాహం ఆంపియర్ (A) అనే యూనిట్ ద్వారా వ్యక్తీకరించబడుతుంది, ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్త ఆండ్రే-మేరీ ఆంపియర్ (1775-1836) పేరు పెట్టారు. ఒక ఆంపియర్ సెకనుకు ఒక కూలంబ్ ఛార్జ్ ప్రవాహం ద్వారా ఏర్పడుతుంది, అంటే, $1 A=1 C / 1 s$. చిన్న మొత్తంలో కరెంట్ మిల్లియాంపియర్ $(1 mA=10^{-3} A)$ లేదా మైక్రోఆంపియర్ $(1 \mu A=10^{-6} A)$లో వ్యక్తీకరించబడుతుంది. ఆమ్మీటర్ అనే పరికరం సర్క్యూట్లో విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని కొలుస్తుంది. కరెంట్ కొలవబడే సర్క్యూట్లో ఇది ఎల్లప్పుడూ సిరీస్లో కనెక్ట్ చేయబడి ఉంటుంది. చిత్రం 11.1 సెల్, ఎలక్ట్రిక్ బల్బ్, ఆమ్మీటర్ మరియు ప్లగ్ కీలను కలిగి ఉన్న సాధారణ ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్ యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రాన్ని చూపుతుంది. విద్యుత్ ప్రవాహం సెల్ యొక్క పాజిటివ్ టెర్మినల్ నుండి సెల్ యొక్క నెగటివ్ టెర్మినల్ వరకు బల్బ్ మరియు ఆమ్మీటర్ ద్వారా సర్క్యూట్లో ప్రవహిస్తుందని గమనించండి.

ఉదాహరణ 11.1

$0.5 A$ యొక్క కరెంట్ ఎలక్ట్రిక్ బల్బ్ యొక్క ఫిలమెంట్ ద్వారా 10 నిమిషాలు గీయబడుతుంది. సర్క్యూట్ ద్వారా ప్రవహించే విద్యుత్ ఛార్జ్ మొత్తాన్ని కనుగొనండి.

పరిష్కారం

మాకు ఇవ్వబడింది, $I=0.5 A ; t=10 min=600 s$.

Eq. (11.1) నుండి, మనకు ఉంది

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

11.2 విద్యుత్ పొటెన్షియల్ మరియు పొటెన్షియల్ భేదం

విద్యుత్ ఛార్జ్ను ప్రవహించేలా చేసేది ఏమిటి? నీటి ప్రవాహం యొక్క సారూప్యతను పరిశీలిద్దాం. ఛార్జీలు రాగి తీగ ద్వారా స్వయంగా ప్రవహించవు, సరిగ్గా సమాంతర గొట్టంలోని నీరు ప్రవహించదు. ట్యూబ్ యొక్క ఒక చివర ఎత్తైన స్థాయిలో ఉంచబడిన నీటి ట్యాంకుకు కనెక్ట్ చేయబడి ఉంటే, ట్యూబ్ యొక్క రెండు చివరల మధ్య ఒత్తిడి వ్యత్యాసం ఉంటే, నీరు ట్యూబ్ యొక్క మరొక చివర నుండి బయటకు ప్రవహిస్తుంది. కండక్టింగ్ మెటాలిక్ వైర్లో ఛార్జీల ప్రవాహం కోసం, గురుత్వాకర్షణ, వాస్తవానికి, పాత్ర పోషించదు; ఎలక్ట్రాన్లు విద్యుత్ ఒత్తిడి వ్యత్యాసం ఉంటే మాత్రమే కదులుతాయి - కండక్టర్ వెంట పొటెన్షియల్ భేదం అంటారు. ఈ పొటెన్షియల్ భేదం ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ ఎలక్ట్రిక్ సెల్లను కలిగి ఉన్న బ్యాటరీ ద్వారా ఉత్పత్తి చేయబడవచ్చు. సెల్ యొక్క టెర్మినల్స్ అంతటా సెల్లోని రసాయన చర్య పొటెన్షియల్ భేదాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది, దాని నుండి ఎటువంటి కరెంట్ తీయకపోయినా. సెల్ ఒక కండక్టింగ్ సర్క్యూట్ ఎలిమెంట్కు కనెక్ట్ చేయబడినప్పుడు, పొటెన్షియల్ భేదం కండక్టర్లో ఛార్జీలను చలనంలో ఉంచుతుంది మరియు విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఇచ్చిన ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లో కరెంట్ను నిర్వహించడానికి, సెల్ దానిలో నిల్వ చేయబడిన దాని రసాయన శక్తిని ఖర్చు చేయాలి.

కొన్ని కరెంట్ను మోసుకెళ్లే ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లోని రెండు పాయింట్ల మధ్య విద్యుత్ పొటెన్షియల్ భేదాన్ని ఒక పాయింట్ నుండి మరొక పాయింట్కు యూనిట్ ఛార్జ్ను తరలించడానికి చేసిన పనిగా నిర్వచించాము -

రెండు పాయింట్ల మధ్య పొటెన్షియల్ భేదం $(V)$ $=$ చేసిన పని $(W) /$ ఛార్జ్ $(Q)$

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

విద్యుత్ పొటెన్షియల్ భేదం యొక్క SI యూనిట్ వోల్ట్ $(V)$, ఇటాలియన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త అలెస్సాండ్రో వోల్టా (1745-1827) పేరు పెట్టారు. ఒక పాయింట్ నుండి మరొక పాయింట్కు 1 కూలంబ్ ఛార్జ్ను తరలించడానికి 1 జౌల్ పని చేసినప్పుడు కరెంట్ క్యారీ కండక్టర్లోని రెండు పాయింట్ల మధ్య పొటెన్షియల్ భేదం ఒక వోల్ట్.

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

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

పొటెన్షియల్ భేదం వోల్ట్మీటర్ అనే పరికరం ద్వారా కొలుస్తారు. పొటెన్షియల్ భేదం కొలవబడే పాయింట్ల మధ్య వోల్ట్మీటర్ ఎల్లప్పుడూ సమాంతరంగా కనెక్ట్ చేయబడి ఉంటుంది.

ఉదాహరణ 11.2

$2 C$ ఛార్జ్ను పొటెన్షియల్ భేదం $12 V$ ఉన్న రెండు పాయింట్లలో తరలించడంలో ఎంత పని జరుగుతుంది?

పరిష్కారం

$Q$ ఛార్జ్ మొత్తం, పొటెన్షియల్ భేదం $V(=12 V)$ వద్ద రెండు పాయింట్ల మధ్య ప్రవహిస్తుంది $2 C$. అందువలన, చేసిన పని మొత్తం $W$, ఛార్జ్ను తరలించడంలో [Eq. (11.2)] నుండి

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

11.3 సర్క్యూట్ రేఖాచిత్రం

చిత్రం 11.1లో చూపిన విధంగా ఒక ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్ సెల్ (లేదా బ్యాటరీ), ప్లగ్ కీ, ఎలక్ట్రికల్ కాంపోనెంట్(లు) మరియు కనెక్టింగ్ వైర్లను కలిగి ఉంటుందని మనకు తెలుసు. స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రాన్ని గీయడం తరచుగా సౌకర్యవంతంగా ఉంటుంది, దీనిలో సర్క్యూట్ యొక్క వివిధ భాగాలు సౌకర్యవంతంగా ఉపయోగించిన చిహ్నాల ద్వారా సూచించబడతాయి. సర్క్యూట్ రేఖాచిత్రాలలో చాలా సాధారణంగా ఉపయోగించే కొన్ని ఎలక్ట్రికల్ భాగాలను సూచించడానికి ఉపయోగించే సంప్రదాయ చిహ్నాలు టేబుల్ 11.1లో ఇవ్వబడ్డాయి.

టేబుల్ 11.1 సర్క్యూట్ రేఖాచిత్రాలలో సాధారణంగా ఉపయోగించే కొన్ని భాగాల చిహ్నాలు

11.4 ఓం యొక్క నియమం

కండక్టర్ అంతటా పొటెన్షియల్ భేదం మరియు దాని ద్వారా కరెంట్ మధ్య సంబంధం ఉందా? ఒక కార్యాచరణతో అన్వేషిద్దాం.

కార్యాచరణ 11.1

• చిత్రం 11.2లో చూపిన విధంగా ఒక సర్క్యూట్ను సెటప్ చేయండి, దీనిలో నిక్రోమ్ వైర్ XY పొడవు, $0.5 m$, ఆమ్మీటర్, వోల్ట్మీటర్ మరియు నాలుగు సెల్లు $1.5 V$ ఒక్కొక్కటి ఉంటాయి. (నిక్రోమ్ అనేది నికెల్, క్రోమియం, మాంగనీస్ మరియు ఇనుము లోహాల మిశ్రమం.)
• మొదట సర్క్యూట్లో మూలంగా ఒక సెల్ మాత్రమే ఉపయోగించండి. ఆమ్మీటర్ $I$లో రీడింగ్ను గమనించండి, కరెంట్ కోసం మరియు వోల్ట్మీటర్ $V$ యొక్క రీడింగ్ నిక్రోమ్ వైర్ $XY$ అంతటా పొటెన్షియల్ భేదం కోసం సర్క్యూట్లో. వాటిని ఇచ్చిన పట్టికలో పట్టిక చేయండి.

చిత్రం 11.2 ఓం యొక్క నియమాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్

• తరువాత సర్క్యూట్లో రెండు సెల్లను కనెక్ట్ చేయండి మరియు నిక్రోమ్ వైర్ ద్వారా కరెంట్ మరియు నిక్రోమ్ వైర్ అంతటా పొటెన్షియల్ భేదం విలువల కోసం ఆమ్మీటర్ మరియు వోల్ట్మీటర్ యొక్క సంబంధిత రీడింగ్లను గమనించండి.

• పై దశలను మూడు సెల్లను ఉపయోగించి మరియు తరువాత సర్క్యూట్లో నాలుగు సెల్లను విడివిడిగా ఉపయోగించి పునరావృతం చేయండి.
• ప్రతి జత పొటెన్షియల్ భేదం $V$ మరియు కరెంట్ $I$ కోసం $V$ నుండి $I$ నిష్పత్తిని లెక్కించండి.

• $V$ మరియు $I$ మధ్య గ్రాఫ్ను ప్లాట్ చేయండి మరియు గ్రాఫ్ యొక్క స్వభావాన్ని గమనించండి.

చిత్రం 11.3 $V-I$ నిక్రోమ్ వైర్ కోసం గ్రాఫ్. సరళ రేఖ ప్లాట్ వైర్ ద్వారా కరెంట్ పెరిగినప్పుడు, వైర్ అంతటా పొటెన్షియల్ భేదం సరళంగా పెరుగుతుందని చూపిస్తుంది - ఇది ఓం యొక్క నియమం.

ఈ కార్యాచరణలో, ప్రతి సందర్భంలో సుమారుగా ఒకే విలువ $V / I$ కనుగొనబడుతుంది. అందువలన $V-I$ గ్రాఫ్ అనేది గ్రాఫ్ యొక్క మూలం గుండా వెళ్లే సరళ రేఖ, చిత్రం 11.3లో చూపిన విధంగా. అందువలన, $V / I$ స్థిరమైన నిష్పత్తి.

1827లో, జర్మన్ భౌతిక శాస్త్రవేత్త జార్జ్ సైమన్ ఓమ్ (1787-1854) మెటాలిక్ వైర్లో ప్రవహించే కరెంట్ $I$ మరియు దాని టెర్మినల్స్ అంతటా పొటెన్షియల్ భేదం మధ్య సంబంధాన్ని కనుగొన్నాడు. పొటెన్షియల్ భేదం, $V$, ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లో ఇచ్చిన మెటాలిక్ వైర్ చివరల అంతటా దాని ద్వారా ప్రవహించే కరెంట్కు నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది, దాని ఉష్ణోగ్రత అలాగే ఉంటుంది. దీనిని ఓం యొక్క నియమం అంటారు. మరో మాటలో చెప్పాలంటే -

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

లేదా $\hspace{40 px} V/I = $ స్థిరాంకం

$ \hspace{70 px} = R $

లేదా

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

Eq. (11.4)లో, $R$ ఇచ్చిన ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఇచ్చిన మెటాలిక్ వైర్ కోసం స్థిరాంకం మరియు దాని నిరోధకత అంటారు. ఇది ఛార్జీల ప్రవాహాన్ని నిరోధించే కండక్టర్ యొక్క లక్షణం. దీని SI యూనిట్ ఓమ్, గ్రీక్ అక్షరం $\Omega$ ద్వారా సూచించబడుతుంది. ఓం యొక్క నియమం ప్రకారం,

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

కండక్టర్ యొక్క రెండు చివరల మధ్య పొటెన్షియల్ భేదం $1 V$ మరియు దాని ద్వారా కరెంట్ $1 A$ అయితే, నిరోధకత $R$, కండక్టర్ యొక్క $1 \Omega$. అంటే,

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

Eq. (11.5) నుండి కూడా మనకు లభిస్తుంది

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

Eq. (11.7) నుండి రెసిస్టర్ ద్వారా కరెంట్ దాని నిరోధకతకు విలోమానుపాతంలో ఉంటుందని స్పష్టంగా తెలుస్తుంది. నిరోధకత రెట్టింపు అయితే కరెంట్ సగం అవుతుంది. అనేక ఆచరణాత్మక సందర్భాలలో ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లో కరెంట్ను పెంచడం లేదా తగ్గించడం అవసరం. వోల్టేజ్ మూలాన్ని మార్చకుండా కరెంట్ను నియంత్రించడానికి ఉపయోగించే భాగాన్ని వేరియబుల్ రెసిస్టెన్స్ అంటారు. ఎలక్ట్రిక్ సర్క్యూట్లో, సర్క్యూట్లోని నిరోధకతను మార్చడానికి రియోస్టాట్ అనే పరికరం తరచుగా ఉపయోగించబడుతుంది. ఇప్పుడు మనం కింది కార్యాచరణ సహాయంతో కండక్టర్ యొక్క ఎలక్ట్రికల్ నిరోధకత గురించి అధ్యయనం చేస్తాము.

కార్యాచరణ 11.2

• ఒక నిక్రోమ్ వైర్, టార్చ్ బల్బ్, $10 W$ బల్బ్ మరియు ఆమ్మీటర్ (0 - 5 A పరిధి), ప్లగ్ కీ మరియు కొన్ని కనెక్టింగ్ వైర్లను తీసుకోండి.
• ఆమ్మీటర్తో సిరీస్లో $1.5 V$ ప్రతి నాలుగు డ్రై సెల్లను కనెక్ట్ చేయడం ద్వారా సర్క్యూట్ను సెటప్ చేయండి, చిత్రం 11.4లో చూపిన విధంగా సర్క్యూట్లో XY గ్యాప్ను వదిలివేయండి.

చిత్రం 11.4

• గ్యాప్ XYలో నిక్రోమ్ వైర్ను కనెక్ట్ చేయడం ద్వారా సర్క్యూట్ను పూర్తి చేయండి. కీని ప్లగ్ చేయండి. ఆమ్మీటర్ రీడింగ్ను గమనించండి. ప్లగ్ నుండి కీని బయటకు తీయండి. [గమనిక: సర్క్యూట్ ద్వారా కరెంట్ను కొలిచిన తర్వాత ఎల్లప్పుడూ ప్లగ్ నుండి కీని బయటకు తీయండి.]
• సర్క్యూట్లో టార్చ్ బల్బ్తో నిక్రోమ్ వైర్ను భర్తీ చేయండి మరియు ఆమ్మీటర్ రీడింగ్ను కొలవడం ద్వారా దాని ద్వారా కరెంట్ను కనుగొనండి.
• ఇప్పుడు గ్యాప్ XYలో $10 W$ బల్బ్తో పై దశను పునరావృతం చేయండి.
• గ్యాప్ XYలో కనెక్ట్ చేయబడిన వివిధ భాగాల కోసం ఆమ్మీటర్ రీడింగ్లు భిన్నంగా ఉన్నాయా? పై పరిశీలనలు ఏమి సూచిస్తాయి?
• మీరు గ్యాప్లో ఏదైనా మెటీరియల్ కాంపోనెంట్ను ఉంచడం ద్వారా ఈ కార్యాచరణను పునరావృతం చేయవచ్చు. ప్రతి సందర్భంలో ఆమ్మీటర్ రీడింగ్లను గమనించండి. పరిశీలనలను విశ్లేషించండి.

ఈ కార్యాచరణలో వివిధ భాగాల కోసం కరెంట్ భిన్నంగా ఉందని మనం గమనించాము. అవి ఎందుకు భిన్నంగా ఉంటాయి? కొన్ని భాగాలు విద్యుత్ ప్రవాహం ప్రవాహం కోసం సులభ