बिजली को समझने के लिए, आपको विद्युत बल को समझना होगा और विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति में आवेशों का क्या होगा। चार्ज क्या बल महसूस करेगा? परिणामस्वरूप यह कैसे चलेगा? एक संबंधित अवधारणा विद्युत क्षमता है, जो बैटरी और सर्किट के बारे में बात करते समय विशेष रूप से उपयोगी हो जाती है।
विद्युत क्षमता की परिभाषा
आपको याद होगा कि गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में रखे किसी पिंड की स्थिति के कारण उसमें एक निश्चित मात्रा में स्थितिज ऊर्जा होती है। (गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा हैजीएमएम/आर, जो कम कर देता हैएमजीएचपृथ्वी की सतह के पास।) इसी तरह, विद्युत क्षेत्र में रखे गए आवेश में क्षेत्र में इसके स्थान के कारण एक निश्चित मात्रा में संभावित ऊर्जा होगी।
विद्युत स्थितिज ऊर्जाएक आरोप काक्यूआवेश द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र के कारणक्यूद्वारा दिया गया है:
पीई_{इलेक}=\frac{kQq}{r}
कहा पेआरचार्ज और कूलम्ब के स्थिरांक के बीच की दूरी है k = 8.99 × 109 एनएम2/सी2.
बिजली के साथ काम करते समय, हालांकि, मात्रा के साथ काम करना अक्सर अधिक सुविधाजनक होता हैबिजली की क्षमता(इलेक्ट्रोस्टैटिक क्षमता भी कहा जाता है)। सरल शब्दों में विद्युत विभव क्या है? खैर, यह प्रति यूनिट चार्ज की विद्युत संभावित ऊर्जा है। विद्युत क्षमता
वी=\frac{kQ}{r}
कहा पेकवही कूलम्ब नियतांक है।
विद्युत विभव का SI मात्रक वोल्ट (V) है, जहाँ V = J/C (जूल प्रति कूलम्ब) है। इस कारण से, विद्युत क्षमता को अक्सर "वोल्टेज" कहा जाता है। इस इकाई का नाम पहली इलेक्ट्रिक बैटरी के आविष्कारक एलेसेंड्रो वोल्टा के नाम पर रखा गया था।
कई आवेशों के वितरण के परिणामस्वरूप अंतरिक्ष में एक बिंदु पर विद्युत क्षमता का निर्धारण करने के लिए, आप बस प्रत्येक व्यक्तिगत आवेश की विद्युत क्षमता का योग कर सकते हैं। ध्यान दें कि विद्युत क्षमता एक अदिश राशि है, इसलिए यह एक प्रत्यक्ष योग है न कि एक सदिश राशि। हालांकि, एक अदिश राशि होने के बावजूद, विद्युत क्षमता अभी भी सकारात्मक और नकारात्मक मूल्यों को ग्रहण कर सकती है।
विद्युत विभवान्तर को वोल्टमीटर से उस वस्तु के समानांतर जोड़कर मापा जा सकता है जिसका वोल्टेज मापा जा रहा है। (नोट: विद्युत विभव और विभवान्तर बिल्कुल समान नहीं हैं। पूर्व किसी दिए गए बिंदु पर एक पूर्ण मात्रा को संदर्भित करता है, और बाद वाला दो बिंदुओं के बीच संभावित अंतर को संदर्भित करता है।)
टिप्स
विद्युत संभावित ऊर्जा और विद्युत क्षमता को भ्रमित न करें। वे एक ही चीज नहीं हैं, हालांकि वे निकट से संबंधित हैं!बिजली की क्षमतावीसे संबंधितविद्युत स्थितिज ऊर्जापी.ईचुनावके जरिएपी.ईचुनाव = क्यूवीशुल्क के लिएक्यू.
समविभव सतह और रेखाएं
समविभव पृष्ठ या रेखाएँ ऐसे क्षेत्र हैं जिनके साथ विद्युत विभव स्थिर रहता है। जब किसी दिए गए विद्युत क्षेत्र के लिए समविभव रेखाएँ खींची जाती हैं, तो वे आवेशित कणों द्वारा देखे गए स्थान का एक प्रकार का स्थलाकृतिक मानचित्र बनाते हैं।
और समविभव रेखाएं वास्तव में स्थलाकृतिक मानचित्र की तरह ही कार्य करती हैं। जिस तरह आप कल्पना कर सकते हैं कि ऐसी स्थलाकृति को देखकर एक गेंद किस दिशा में लुढ़केगी, आप बता सकते हैं कि आवेश किस दिशा में समविभव मानचित्र से आगे बढ़ेगा।
उच्च क्षमता वाले क्षेत्रों को पहाड़ियों की चोटी और कम क्षमता वाले क्षेत्रों को घाटियों के रूप में सोचें। जिस तरह एक गेंद नीचे की ओर लुढ़कती है, उसी तरह एक सकारात्मक चार्ज उच्च से निम्न क्षमता की ओर बढ़ेगा। इस गति की सटीक दिशा, किसी भी अन्य बलों को छोड़कर, हमेशा इन समविभव रेखाओं के लंबवत होगी।
विद्युत क्षमता और विद्युत क्षेत्र:यदि आपको याद हो तो धन आवेश विद्युत क्षेत्र रेखाओं की दिशा में गति करते हैं। तब यह देखना आसान है कि विद्युत क्षेत्र रेखाएँ हमेशा समविभव रेखाओं को लंबवत रूप से काटती हैं।
एक बिंदु आवेश के आसपास की समविभव रेखाएँ निम्नलिखित की तरह दिखेंगी:
ध्यान दें कि वे चार्ज के पास एक साथ अधिक दूरी पर हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि वहां क्षमता अधिक तेजी से गिरती है। यदि आपको याद हो, एक धनात्मक बिंदु आवेश के लिए संबद्ध विद्युत क्षेत्र रेखाएँ रेडियल रूप से बाहर की ओर इंगित करती हैं और, जैसा कि अपेक्षित था, इन रेखाओं को लंबवत रूप से प्रतिच्छेद करेगी।
यहाँ एक द्विध्रुव की समविभव रेखाओं का चित्रण है।
•••ऐप का उपयोग करके बनाया गया: https://phet.colorado.edu/sims/html/charges-and-fields/latest/charges-and-fields_en.html
ध्यान दें कि वे एंटीसिमेट्रिक हैं: सकारात्मक चार्ज के पास वाले उच्च क्षमता के मान होते हैं, और नकारात्मक चार्ज के पास कम क्षमता वाले मान होते हैं। आस-पास कहीं भी रखा गया एक सकारात्मक चार्ज वह करेगा जो आप उम्मीद करते हैं कि गेंद नीचे की ओर लुढ़कती है: कम क्षमता वाली "घाटी" की ओर। हालाँकि, नकारात्मक शुल्क इसके विपरीत करते हैं। वे "चढ़ाई पर लुढ़कते हैं!"
जिस प्रकार गुरुत्वाकर्षण स्थितिज ऊर्जा मुक्त रूप से गिरने वाली वस्तुओं के लिए गतिज ऊर्जा में परिवर्तित होती है, उसी प्रकार विद्युत स्थितिज ऊर्जा एक विद्युत में स्वतंत्र रूप से घूमने वाले आवेशों के लिए गतिज ऊर्जा में परिवर्तित होती है मैदान। इसलिए यदि आवेश q एक संभावित अंतराल V को पार करता है, तो स्थितिज ऊर्जा में इसके परिवर्तन का परिमाणक्यूवीअब गतिज ऊर्जा है1/2mv2. (ध्यान दें कि यह चार्ज को उसी दूरी पर ले जाने के लिए विद्युत बल द्वारा किए गए कार्य के बराबर है। यह कार्य-गतिज ऊर्जा प्रमेय के अनुरूप है।)
बैटरी, करंट और सर्किट
आप बैटरियों पर वोल्टेज लिस्टिंग देखने से परिचित होंगे। यह दो बैटरी टर्मिनलों के बीच विद्युत संभावित अंतर का एक संकेत है। जब दो टर्मिनल एक संवाहक तार के माध्यम से जुड़े होते हैं, तो चालक के भीतर मुक्त इलेक्ट्रॉनों को स्थानांतरित करने के लिए प्रेरित किया जाएगा।
यद्यपि इलेक्ट्रॉन निम्न विभव से उच्च विभव की ओर बढ़ रहे हैं, धारा प्रवाह की दिशा को विहित रूप में विपरीत दिशा में परिभाषित किया गया है। ऐसा इसलिए है क्योंकि भौतिकविदों को पता था कि यह इलेक्ट्रॉन, एक नकारात्मक चार्ज कण था, जो वास्तव में शारीरिक रूप से चल रहा था, इससे पहले इसे सकारात्मक चार्ज प्रवाह की दिशा के रूप में परिभाषित किया गया था।
हालाँकि, अधिकांश व्यावहारिक उद्देश्यों के लिए, एक दिशा में गतिमान धनात्मक विद्युत आवेश दिखता है विपरीत दिशा में गतिमान ऋणात्मक विद्युत आवेश के समान, भेद बन जाता है अप्रासंगिक।
एक विद्युत परिपथ तब बनता है जब कोई तार किसी शक्ति स्रोत को छोड़ता है, जैसे कि बैटरी, उच्च क्षमता पर, फिर अलग से जुड़ता है सर्किट तत्व (संभवतः प्रक्रिया में शाखाएं) फिर एक साथ वापस आते हैं और बिजली के कम संभावित टर्मिनल से वापस जुड़ते हैं स्रोत
जब इस तरह से जुड़ा होता है, तो सर्किट के माध्यम से करंट चलता है, जिससे विभिन्न को विद्युत ऊर्जा मिलती है सर्किट तत्व, जो बदले में उस ऊर्जा को गर्मी या प्रकाश या गति में परिवर्तित करते हैं, जो उनके. पर निर्भर करता है समारोह।
एक विद्युत परिपथ को बहते पानी वाले पाइपों के समान माना जा सकता है। बैटरी पाइप के एक सिरे को ऊपर उठाती है जिससे पानी नीचे की ओर बहता है। पहाड़ी के तल पर, बैटरी पानी को वापस शुरुआत तक उठाती है।
वोल्टेज इस बात के अनुरूप है कि पानी छोड़ने से पहले कितना ऊंचा उठाया जाता है। वर्तमान जल प्रवाह के अनुरूप है। और यदि विभिन्न अवरोधों (उदाहरण के लिए, एक पानी का पहिया) को रास्ते में रखा जाता है, तो यह पानी के प्रवाह को धीमा कर देगा क्योंकि ऊर्जा को सर्किट तत्वों की तरह स्थानांतरित किया गया था।
हॉल वोल्टेज
धनात्मक धारा प्रवाह की दिशा को उस दिशा के रूप में परिभाषित किया जाता है जिसमें एक धनात्मक मुक्त आवेश अनुप्रयुक्त विभव की उपस्थिति में प्रवाहित होगा। यह परिपाटी आपके यह जानने से पहले बनाई गई थी कि वास्तव में एक परिपथ में कौन से आवेश गतिमान हैं।
अब आप जानते हैं कि भले ही आप धारा को धन आवेश प्रवाह की दिशा में परिभाषित करते हैं, वास्तव में, इलेक्ट्रॉन विपरीत दिशा में बह रहे हैं। लेकिन आप दाहिनी ओर जाने वाले धनात्मक आवेशों और बाईं ओर जाने वाले ऋणात्मक आवेशों के बीच अंतर कैसे बता सकते हैं, जबकि धारा एक ही तरह से है?
यह पता चला है कि गतिमान आवेश बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में एक बल का अनुभव करते हैं।
किसी दिए गए चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में दिए गए कंडक्टर के लिए, दाईं ओर जाने वाले सकारात्मक चार्ज ऊपर की ओर महसूस करते हैं बल, और इसलिए कंडक्टर के शीर्ष छोर पर इकट्ठा होगा, शीर्ष छोर और नीचे के छोर के बीच एक वोल्टेज ड्रॉप पैदा करेगा।
उसी चुंबकीय क्षेत्र में बाईं ओर जाने वाले इलेक्ट्रॉनों को भी ऊपर की ओर बल महसूस होता है, और इसलिए कंडक्टर के शीर्ष छोर पर नकारात्मक चार्ज जमा हो जाता है। इस प्रभाव को कहा जाता हैहॉल प्रभाव. यह मापने के द्वारा कि क्याहॉल वोल्टेजसकारात्मक या नकारात्मक है, आप बता सकते हैं कि कौन से कण वास्तविक आवेश वाहक हैं!
अध्ययन के उदाहरण
उदाहरण 1:एक गोले की सतह समान रूप से 0.75 C से आवेशित होती है। इसके केंद्र से कितनी दूरी पर संभावित 8 एमवी (मेगावोल्ट) है?
हल करने के लिए, आप एक बिंदु आवेश की विद्युत क्षमता के समीकरण का उपयोग कर सकते हैं और इसे दूरी के लिए हल कर सकते हैं, r:
V=\frac{kQ}{r}\का अर्थ है r=\frac{kQ}{V}
संख्याओं को जोड़ने से आपको अंतिम परिणाम मिलता है:
r=\frac{kQ}{V}=\frac{(8.99\times10^9)(0.75)}{8.00\times10^6}=843\text{ m}
स्रोत से लगभग एक किलोमीटर की दूरी पर भी यह कुछ बहुत ही उच्च वोल्टेज है!
उदाहरण 2:एक इलेक्ट्रोस्टैटिक पेंट स्प्रेयर में 25 kV (किलोवोल्ट) की क्षमता पर 0.2 मीटर व्यास का धातु का गोला होता है जो पेंट की बूंदों को एक जमीन पर टिकी हुई वस्तु पर पीछे हटा देता है। (ए) गोले पर क्या चार्ज है? (बी) १० मीटर/सेकेंड की गति से वस्तु पर ०.१ मिलीग्राम पेंट की बूंद तक पहुंचने के लिए क्या चार्ज होना चाहिए?
भाग (ए) को हल करने के लिए आप क्यू के लिए हल करने के लिए अपने विद्युत संभावित समीकरण को पुनर्व्यवस्थित करते हैं:
V=\frac{kQ}{r}\का अर्थ है Q = \frac{Vr}{k}
और फिर अपने नंबरों को प्लग इन करें, यह ध्यान में रखते हुए कि त्रिज्या आधा व्यास है:
Q = \frac{Vr}{k}=\frac{(25\times 10^3)(0.1)}{8.99\times 10^9}=2.78\times10^{-7}\text{ C}
भाग (बी) के लिए, आप ऊर्जा संरक्षण का उपयोग करते हैं। खोई हुई स्थितिज ऊर्जा, प्राप्त गतिज ऊर्जा बन जाती है। दो ऊर्जा व्यंजकों को बराबर करके और के लिए हल करकेक्यू, आपको मिला:
qV=\frac{1}{2}mv^2\ का अर्थ है q=\frac{mv^2}{2V}
और फिर, आप अंतिम उत्तर प्राप्त करने के लिए अपने मूल्यों में प्लग इन करते हैं:
q=\frac{mv^2}{2V}=\frac{(0.1\times10^{-6})(10)^2}{2(25\times10^3)}=2\times10^{-10 }\पाठ{सी}
उदाहरण 3:एक क्लासिक परमाणु भौतिकी प्रयोग में, एक अल्फा कण को सोने के नाभिक की ओर त्वरित किया गया था। यदि अल्फा कण की ऊर्जा 5 MeV (मेगा-इलेक्ट्रॉनवोल्ट) थी, तो विक्षेपित होने से पहले यह सोने के नाभिक के कितने करीब आ सकता था? (एक अल्फा कण में +2. का आवेश होता हैइ, और एक सोने के नाभिक पर +79. का आवेश होता हैइजहां मौलिक प्रभारइ = 1.602 × 10-19 सी।)
टिप्स
एक इलेक्ट्रॉन वोल्ट (ईवी) क्षमता की एक इकाई नहीं है!यह ऊर्जा की एक इकाई है जो 1 वोल्ट संभावित अंतर के माध्यम से एक इलेक्ट्रॉन को तेज करने में किए गए कार्य के बराबर है। 1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट =इ×1 वोल्ट, जहांइमौलिक प्रभार है।
इस प्रश्न को हल करने के लिए, आप r के लिए पहले हल करने के लिए विद्युत स्थितिज ऊर्जा और विद्युत क्षमता के बीच संबंध का उपयोग करते हैं:
PE_{elec}=qV=q\frac{kQ}{r}\अर्थात् r=q\frac{kQ}{PE_{elec}}
फिर आप इकाइयों के बारे में बेहद सावधान रहते हुए मूल्यों को जोड़ना शुरू करते हैं।
r=q\frac{kQ}{PE_{elec}}=2e\frac{(8.99\times10^9 \text{Nm}^2/\text{C}^2)(79e)}{5\times10^ 6\पाठ{ईवी}}
अब, आप इस तथ्य का उपयोग करते हैं कि 1 इलेक्ट्रॉन वोल्ट =इ×1 वोल्ट को और सरल बनाने के लिए, और अंतिम उत्तर प्राप्त करने के लिए शेष संख्या में प्लग करें:
r=2e\frac{(8.99\times10^9 \text{Nm}^2/\text{C}^2)(79\cancel{e})}{5\times10^6\cancel{\text{ eV }}\पाठ{ वी}}\\ \पाठ{ }\\=2(1.602\बार 10^{-19}\पाठ{सी})\frac{(8.99\times10^9 \text{Nm}^2/\text{C}^2)(79)} {5\times10^6\text{ V}}\\ \text{ }\\=4.55\times10^{-14}\पाठ{ मी}
तुलना के लिए, सोने के नाभिक का व्यास लगभग 1.4 × 10. होता है-14 म।