Maharashtra · Class 8 · 🔬 Science · Chapter 8
Current Electricity and Magnetism
विद्युत धाराविद्युत स्थितिक विभवविभवांतरविद्युत घटविद्युत परिपथविद्युत धारेचे चुंबकीय परिणाम
'विद्युत धारा आणि चुंबकत्व' हा धडा अणूमध्ये असलेल्या धन आणि ऋण प्रभारांपासून सुरू होतो, विद्युत धारा कशी निर्माण होते हे स्पष्ट करतो. यात स्थिर विद्युत स्थितिक विभव, विभवांतर आणि विद्युत धारेचे SI एकक (अँपिअर) यावर चर्चा केली आहे. विविध प्रकारचे विद्युत घट जसे की कोरडा विद्युत घट, लेड-ॲसिड घट आणि Ni-Cd घट यांची रचना आणि कार्यपद्धती समजावून सांगितली आहे. विद्युत परिपथ आणि विद्युत घट जोडणीचे महत्त्व स्पष्ट केले आहे. शेवटी, विद्युत धारेचे चुंबकीय परिणाम आणि विद्युत घंटेच्या कार्यपद्धतीसह विद्युत चुंबकाचे उपयोग यावर प्रकाश टाकला आहे. हा धडा दैनंदिन जीवनातील विद्युत आणि चुंबकत्वाच्या मूलभूत संकल्पना समजून घेण्यासाठी महत्त्वाचा आहे.
विद्युत प्रवाह आणि विद्युत क्षमता
विद्युत प्रवाह (Electric Current)
- अणूतील रचना: प्रत्येक अणूमध्ये धनप्रभारित प्रोटॉन आणि ऋणप्रभारित इलेक्ट्रॉन समान संख्येने असतात. त्यामुळे अणू विद्युतदृष्ट्या उदासीन असतो.
- प्रभारांचे वहन: वस्तूमध्ये प्रचंड विद्युत प्रभार असतो, पण तो संतुलित असतो. जेव्हा काचेच्या कांडीला रेशीम कापडावर घासले जाते, तेव्हा इलेक्ट्रॉन एका वस्तूतून दुसऱ्या वस्तूत जातात, ज्यामुळे वस्तू प्रभारित होतात.
- विद्युत प्रवाह: जेव्हा विद्युत वाहकातून इलेक्ट्रॉन एका विशिष्ट दिशेने वाहतात, तेव्हा विद्युत प्रवाह निर्माण होतो.
- व्याख्या: 1 सेकंदात तारेतून वाहणाऱ्या विद्युत प्रभाराला एकक विद्युत प्रवाह म्हणतात.
- SI एकक: कुलंब प्रति सेकंद (C/s) किंवा ॲम्पिअर (Ampere, A).
- सूत्र: \(1 \text{ Ampere} = 1 \text{ Coulomb} / 1 \text{ second}\)
- राशी: विद्युत प्रवाह ही अदिश राशी आहे.
इलेक्ट्रोस्टॅटिक क्षमता (Electrostatic Potential)
- प्रवाहाची दिशा: पाणी नेहमी उच्च पातळीकडून निम्न पातळीकडे वाहते, उष्णता उच्च तापमानाकडून निम्न तापमानाकडे वाहते. त्याचप्रमाणे, धनप्रभार उच्च विद्युत पातळीकडून निम्न विद्युत पातळीकडे वाहण्याचा प्रयत्न करतो.
- विद्युत पातळी: विद्युत प्रभाराच्या प्रवाहाची दिशा ठरवणारी ही विद्युत पातळी म्हणजे इलेक्ट्रोस्टॅटिक क्षमता होय.
विभवांतर (Potential Difference)
- संकल्पना: धबधब्याची उंची, उष्ण व थंड वस्तूंच्या तापमानातील फरक याप्रमाणे, दोन बिंदूंमधील विद्युत क्षमतेतील फरकाला विभवांतर म्हणतात.
- महत्त्व: विद्युत प्रवाह वाहण्यासाठी विभवांतर आवश्यक आहे. विभवांतरामुळे इलेक्ट्रॉन एका ठिकाणाहून दुसऱ्या ठिकाणी ढकलले जातात.
- एकक: SI प्रणालीमध्ये विभवांतराचे एकक व्होल्ट (Volt, V) आहे.
विद्युत प्रवाहाची दिशा
- इलेक्ट्रॉन प्रवाह: इलेक्ट्रॉन ऋण टोकाकडून धन टोकाकडे वाहतात.
- पारंपरिक प्रवाह (Conventional Current): हा धन टोकाकडून ऋण टोकाकडे वाहतो. (हे इलेक्ट्रॉन प्रवाहाच्या विरुद्ध दिशेने मानले जाते).
महत्त्वाची नोंद
विद्युत प्रवाह वाहण्यासाठी नेहमी विभवांतर आवश्यक असते. विभवांतर नसेल तर विद्युत प्रवाह वाहत नाही.
सूत्र
विद्युत प्रवाह (I) = \(\frac{\text{प्रभार (Q)}}{\text{वेळ (t)}}\) \(I = Q/t\)
विद्युत घट (इलेक्ट्रिक सेल्स)
विद्युत घट (Electric Cells)
- कार्य: परिपथामध्ये विद्युत प्रभाराचा एकसमान प्रवाह निर्माण करण्यासाठी विद्युत घट आवश्यक असतो. हे दोन टोकांमध्ये स्थिर विभवांतर राखतात.
- प्रकार: विविध प्रकारचे विद्युत घट उपलब्ध आहेत, जे घड्याळांपासून ते पाणबुड्यांपर्यंत अनेक उपकरणांमध्ये वापरले जातात.
- मुख्य कार्य: दोन टर्मिनल्समध्ये स्थिर विभवांतर राखणे.
कोरडा सेल (Dry Cell)
- उपयोग: रेडिओ, भिंतीवरील घड्याळे, टॉर्च इत्यादींमध्ये वापरले जातात.
- रचना (आकृती 4.2):
- ऋण टोक: झिंक (Zn) धातूचा थर (बाहेरील आवरण).
- धन टोक: कार्बनची (ग्रॅफाइटची) कांडी (मध्यभागी).
- इलेक्ट्रोलाइट: झिंक क्लोराईड (ZnCl₂) आणि अमोनियम क्लोराईड (NH₄Cl) यांचा ओला लगदा. यात धन आणि ऋण आयन असतात, जे विद्युत वाहक म्हणून कार्य करतात.
- मँगनीज डायऑक्साइड (MnO₂): कार्बनच्या कांडीभोवती भरलेला असतो.
- कार्यप्रणाली: रासायनिक अभिक्रियेमुळे दोन्ही टोकांवर (झिंक थर आणि ग्रॅफाइट कांडी) विद्युत प्रभार निर्माण होतो आणि परिपथातून विद्युत प्रवाह वाहतो.
- वैशिष्ट्ये:
- ओल्या लगद्यामुळे रासायनिक अभिक्रिया हळू होते.
- यापासून मोठा विद्युत प्रवाह मिळत नाही.
- द्रव वापरणाऱ्या सेल्सच्या तुलनेत शेल्फ लाइफ जास्त असते.
- कोणत्याही स्थितीत वापरता येतात, त्यामुळे पोर्टेबल उपकरणांसाठी सोयीस्कर.
लेड-ऍसिड सेल (Lead-Acid Cell)
- उपयोग: कार, ट्रक, मोटरसायकल आणि अखंडित वीज पुरवठा (UPS) यांसारख्या मोठ्या उपकरणांमध्ये वापरले जातात.
- वैशिष्ट्य: विद्युत विसर्जित झाल्यानंतर पुन्हा चार्ज करता येतो (रिचार्जेबल).
- रचना (आकृती 4.3):
- इलेक्ट्रोड्स: एक लेड (Pb) इलेक्ट्रोड (ऋण टोक) आणि एक लेड डायऑक्साइड (PbO₂) इलेक्ट्रोड (धन टोक).
- इलेक्ट्रोलाइट: दोन्ही इलेक्ट्रोड्स विरल सल्फ्युरिक ऍसिडमध्ये बुडवलेले असतात.
- विभवांतर: दोन टोकांमधील विभवांतर सुमारे 2V असते.
- कार्यप्रणाली: इलेक्ट्रोड्स आणि ऍसिडमधील रासायनिक अभिक्रियेमुळे विद्युत प्रभार निर्माण होतो आणि परिपथातून विद्युत प्रवाह वाहतो.
- क्षमता: मोठा विद्युत प्रवाह देण्याची क्षमता असते.
Ni-Cd सेल (Nickel-Cadmium Cell)
- उपयोग: विविध पोर्टेबल गॅजेट्समध्ये वापरले जातात.
- वैशिष्ट्य: रिचार्जेबल असतात.
- विभवांतर: 1.2 V विभवांतर देतात.
लिथियम-आयन सेल (Lithium-ion Cells)
- उपयोग: स्मार्टफोन, लॅपटॉप यांसारख्या आधुनिक उपकरणांमध्ये वापरले जातात.
- वैशिष्ट्य: रिचार्जेबल आणि उच्च ऊर्जा साठवण क्षमता.
- Ni-Cd सेल्सच्या तुलनेत जास्त विद्युत ऊर्जा साठवू शकतात.
गैरसमज
कोरडा सेल आणि लेड-ऍसिड सेल यांच्यातील फरक अनेकदा परीक्षेत विचारला जातो. त्यांची रचना, उपयोग आणि रिचार्जेबल क्षमता यावर लक्ष द्या.
विद्युत परिपथ (इलेक्ट्रिक सर्किट)
विद्युत परिपथ (Electric Circuit)
- व्याख्या: विद्युत घट, बल्ब आणि प्लग की यांसारखे विद्युत घटक जोडणाऱ्या तारांच्या जोडणीला विद्युत परिपथ म्हणतात.
- कार्यप्रणाली (आकृती 4.4):
- जेव्हा सेल होल्डरमध्ये कोरडा सेल बसवला जातो आणि प्लग की बंद केली जाते, तेव्हा बल्ब लागतो. याचा अर्थ परिपथातून विद्युत प्रवाह वाहत आहे.
- सेल काढल्यास, बल्ब विझतो, कारण विद्युत प्रवाह थांबतो.
- घरातील विद्युत पुरवठा: घरातील विद्युत पुरवठा विद्युत घटांऐवजी बाहेरील स्त्रोताकडून होतो.
सेल्स जोडणे (Connecting Cells)
- उद्देश: एका सेलपेक्षा जास्त विभवांतर मिळवण्यासाठी अनेक सेल्स जोडले जातात, ज्यामुळे जास्त विद्युत प्रवाह मिळतो.
- मालिका जोडणी (Series Connection) - आकृती 4.5 (a) आणि (b):
- एका सेलचे धन टोक दुसऱ्या सेलच्या ऋण टोकाला जोडले जाते.
- उदाहरणार्थ, ट्रान्झिस्टर रेडिओमध्ये 2-3 कोरडे सेल मालिकेत जोडलेले असतात.
- जर प्रत्येक सेलचे विभवांतर 1.5 V असेल आणि 3 सेल मालिकेत जोडले असतील, तर एकूण विभवांतर \(1.5 \text{ V} + 1.5 \text{ V} + 1.5 \text{ V} = 4.5 \text{ V}\) होते.
- अशा जोडणीला सेल्सची बॅटरी असेही म्हणतात.
लक्षात ठेवा
विद्युत परिपथात विद्युत प्रवाहाचा मार्ग पूर्ण असणे आवश्यक आहे. मार्ग खंडित झाल्यास (उदा. प्लग की उघडी असल्यास), प्रवाह थांबतो.
विद्युत प्रवाहाचे चुंबकीय परिणाम
विद्युत प्रवाहाचे चुंबकीय परिणाम (Magnetic Effects of Electric Current)
- चुंबकीय सुई: चुंबकीय सुई स्वतः एक लहान चुंबक असते.
- ओर्स्टेडचा शोध: हॅन्स ख्रिश्चन ओर्स्टेड यांनी प्रथम निरीक्षण केले की, जेव्हा तारेतून विद्युत प्रवाह वाहतो, तेव्हा त्या तारेभोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते.
- प्रयोग (आकृती 4.6):
- जेव्हा चुंबकीय सुईजवळून विद्युत प्रवाह वाहतो, तेव्हा चुंबकीय सुईची दिशा बदलते.
- प्रवाह थांबवल्यास, सुई पुन्हा मूळ स्थितीत येते.
- निष्कर्ष: विद्युत प्रवाहामुळे चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते.
इलेक्ट्रोमॅग्नेट (Electromagnet)
- रचना (आकृती 4.7):
- लोखंडी स्क्रूभोवती तांब्याची तार गुंडाळलेली असते.
- या तारेतून विद्युत प्रवाह प्रवाहित केल्यास, स्क्रूभोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते आणि स्क्रू तात्पुरता चुंबक बनतो.
- कार्यप्रणाली: विद्युत प्रवाह चालू असताना, गुंडाळी चुंबक बनते आणि लोखंडी वस्तूंना आकर्षित करते. प्रवाह थांबवल्यास, चुंबकत्व नाहीसे होते.
- उपयोग: वैज्ञानिक संशोधनात मजबूत चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करण्यासाठी, तसेच विद्युत घंटेसारख्या उपकरणांमध्ये.
महत्त्वाची नोंद
इलेक्ट्रोमॅग्नेट हे तात्पुरते चुंबक असतात. विद्युत प्रवाह चालू असेपर्यंतच ते चुंबकत्व दाखवतात.
विद्युत घंटा (Electric Bell)
विद्युत घंटा (Electric Bell)
- रचना (आकृती 4.8):
- इलेक्ट्रोमॅग्नेट: लोखंडी तुकड्याभोवती तांब्याची तार गुंडाळून बनवलेली गुंडाळी.
- लोखंडी पट्टी (Armature): स्ट्रायकरसह इलेक्ट्रोमॅग्नेटजवळ बसवलेली असते.
- संपर्क स्क्रू (Contact Screw): लोखंडी पट्टीच्या संपर्कात असतो.
- गोंग (Gong): स्ट्रायकर ज्यावर आदळून आवाज करतो.
- कार्यप्रणाली:
- प्रवाह सुरू: जेव्हा संपर्क स्क्रू लोखंडी पट्टीच्या संपर्कात असतो, तेव्हा परिपथातून विद्युत प्रवाह वाहतो.
- चुंबकत्व निर्माण: इलेक्ट्रोमॅग्नेट चुंबक बनते.
- आकर्षण: इलेक्ट्रोमॅग्नेट लोखंडी पट्टीला आपल्याकडे आकर्षित करते.
- आवाज: पट्टीवरील स्ट्रायकर गोंगवर आदळतो आणि आवाज निर्माण होतो.
- संपर्क तुटतो: पट्टी इलेक्ट्रोमॅग्नेटकडे खेचली गेल्याने, संपर्क स्क्रू आणि पट्टी यांचा संपर्क तुटतो.
- चुंबकत्व नष्ट: परिपथातील प्रवाह थांबतो, त्यामुळे इलेक्ट्रोमॅग्नेटचे चुंबकत्व नाहीसे होते.
- पट्टी परत येते: चुंबकत्व नाहीसे झाल्याने, लोखंडी पट्टी पुन्हा मूळ स्थितीत येते आणि संपर्क स्क्रूच्या संपर्कात येते.
- पुनरावृत्ती: ही प्रक्रिया पुन्हा सुरू होते आणि घंटा वाजत राहते.
टीप
विद्युत घंटेची रचना आणि कार्यप्रणाली आकृतीसह स्पष्ट करा हा प्रश्न बोर्ड परीक्षेत वारंवार विचारला जातो. प्रत्येक टप्पा व्यवस्थित समजून घ्या.
