Electricity

విద్యుత్ ప్రవాహం (Electric Current)

• నిర్వచనం: ఒక వాహకం (conductor) గుండా యూనిట్ కాలంలో ప్రవహించే విద్యుత్ ఆవేశం (electric charge) యొక్క రేటును విద్యుత్ ప్రవాహం అంటారు.
• సూత్రం: \(I = \frac{Q}{t}\)
• \(I\) = విద్యుత్ ప్రవాహం (current)
• \(Q\) = ఆవేశం (charge)
• \(t\) = కాలం (time)
• SI యూనిట్: ఆంపియర్ (Ampere, A). 1 ఆంపియర్ అనేది 1 కూలంబ్ ఆవేశం 1 సెకనులో ప్రవహించినప్పుడు ఏర్పడుతుంది. \(1A = 1 C/s\).
• దిశ: సాంప్రదాయకంగా, విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క దిశ ధన ఆవేశాలు ప్రవహించే దిశ లేదా ఎలక్ట్రాన్లు ప్రవహించే దిశకు వ్యతిరేక దిశగా పరిగణించబడుతుంది.
• కొలత: అమీటర్ (Ammeter) ఉపయోగించి కొలుస్తారు. అమీటర్‌ను ఎల్లప్పుడూ సర్క్యూట్‌లో శ్రేణిలో (in series) కలుపుతారు.

విద్యుత్ పొటెన్షియల్ (Electric Potential)

• నిర్వచనం: ఒక యూనిట్ ధన ఆవేశాన్ని అనంతం (infinity) నుండి విద్యుత్ క్షేత్రంలోని ఒక బిందువుకు తీసుకురావడానికి చేసే పనిని ఆ బిందువు వద్ద విద్యుత్ పొటెన్షియల్ అంటారు.

పొటెన్షియల్ తేడా (Potential Difference)

• నిర్వచనం: ఒక యూనిట్ ధన ఆవేశాన్ని విద్యుత్ క్షేత్రంలోని ఒక బిందువు నుండి మరొక బిందువుకు తరలించడానికి చేసే పనిని ఆ రెండు బిందువుల మధ్య పొటెన్షియల్ తేడా అంటారు.
• సూత్రం: \(V = \frac{W}{Q}\)
• \(V\) = పొటెన్షియల్ తేడా (potential difference)
• \(W\) = చేసిన పని (work done)
• \(Q\) = ఆవేశం (charge)
• SI యూనిట్: వోల్ట్ (Volt, V). 1 వోల్ట్ అనేది 1 కూలంబ్ ఆవేశాన్ని తరలించడానికి 1 జౌల్ పని చేసినప్పుడు ఏర్పడుతుంది. \(1V = 1 J/C\).
• కొలత: వోల్ట్‌మీటర్ (Voltmeter) ఉపయోగించి కొలుస్తారు. వోల్ట్‌మీటర్‌ను ఎల్లప్పుడూ సర్క్యూట్‌లో సమాంతరంగా (in parallel) కలుపుతారు.
• పొటెన్షియల్ తేడాను సృష్టించే పరికరాలు: బ్యాటరీ (battery), ఎలక్ట్రిక్ సెల్ (electric cell).

వాహకాలు మరియు బంధకాలు (Conductors and Insulators)

• వాహకాలు: విద్యుత్‌ను తమ గుండా సులభంగా ప్రవహించనిచ్చే పదార్థాలు. ఉదా: లోహాలు (రాగి, అల్యూమినియం), గ్రాఫైట్.
• బంధకాలు: విద్యుత్‌ను తమ గుండా ప్రవహించనివ్వని పదార్థాలు. ఉదా: చెక్క, ప్లాస్టిక్, రబ్బరు, గాజు.

సర్క్యూట్ రేఖాచిత్రం (Circuit Diagram)

• విద్యుత్ సర్క్యూట్‌లను సూచించడానికి ఉపయోగించే ప్రామాణిక చిహ్నాలను కలిగి ఉన్న రేఖాచిత్రం.
• ముఖ్యమైన భాగాలు మరియు వాటి చిహ్నాలు:
• ఎలక్ట్రిక్ సెల్: \(+\vert-\) (పెద్ద గీత ధన టెర్మినల్, చిన్న గీత ఋణ టెర్మినల్)
• బ్యాటరీ (సెల్స్ కలయిక): \(+\vert-\vert-\vert-\) (రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ సెల్స్)
• కీ (స్విచ్) తెరచి ఉంది: \(----\circ \ \circ----
• కీ (స్విచ్) మూసి ఉంది: \(----\circ \bullet \circ----
• వైర్ జాయింట్: \(----\cdot----
• వైర్లు క్రాస్ అవుతున్నాయి (జాయింట్ లేకుండా): \(----\cap----
• ఎలక్ట్రిక్ బల్బ్: \(----\otimes----
• నిరోధకం (Resistor): \(----\text{M}----
• వేరియబుల్ నిరోధకం (Rheostat): \(----\text{M}\text{/}\text{>----
• అమీటర్: \(----\text{A}----
• వోల్ట్‌మీటర్: \(----\text{V}----

ఓం నియమం (Ohm's Law)

• ప్రవచనం: స్థిరమైన ఉష్ణోగ్రత వద్ద, ఒక వాహకం గుండా ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం \((I)\) దాని చివర్ల మధ్య పొటెన్షియల్ తేడా \((V)\)కు నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.
• సూత్రం: \(V \propto I \implies V = IR\)
• \(V\) = పొటెన్షియల్ తేడా (వోల్ట్స్)
• \(I\) = విద్యుత్ ప్రవాహం (ఆంపియర్స్)
• \(R\) = నిరోధకత (రెసిస్టెన్స్) (ఓమ్స్)

నిరోధకత (Resistance)

• నిర్వచనం: ఒక వాహకం తన గుండా విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని అడ్డుకునే ధర్మాన్ని నిరోధకత అంటారు.
• SI యూనిట్: ఓమ్ (Ohm, \(\Omega\)).
• 1 ఓమ్: ఒక వాహకం చివర్ల మధ్య 1 వోల్ట్ పొటెన్షియల్ తేడా ఉన్నప్పుడు, దాని గుండా 1 ఆంపియర్ ప్రవాహం జరిగితే, ఆ వాహకం నిరోధకత 1 ఓమ్.

ఓం నియమం ధృవీకరణ (Verification of Ohm's Law)

1. ఒక నిక్రోమ్ వైర్, అమీటర్, వోల్ట్‌మీటర్, బ్యాటరీ, రియోస్టాట్ మరియు ప్లగ్ కీని ఉపయోగించి సర్క్యూట్‌ను కలుపండి.
2. రియోస్టాట్‌ను సర్దుబాటు చేయడం ద్వారా సర్క్యూట్‌లోని కరెంట్‌ను మార్చండి.
3. ప్రతిసారి అమీటర్ రీడింగ్ \((I)\) మరియు వోల్ట్‌మీటర్ రీడింగ్ \((V)\)ను నమోదు చేయండి.
4. \(V\) మరియు \(I\) మధ్య గ్రాఫ్‌ను గీయండి. ఇది మూలబిందువు గుండా వెళ్ళే సరళ రేఖ అయి ఉండాలి.
5. ప్రతి రీడింగ్ కోసం \(\frac{V}{I}\) నిష్పత్తిని లెక్కించండి. ఈ నిష్పత్తి స్థిరంగా ఉండాలి, ఇది నిరోధకత \((R)\)ను సూచిస్తుంది.

V-I గ్రాఫ్ (V-I Graph)

• \(V\)ను Y-అక్షంపై మరియు \(I\)ను X-అక్షంపై గీసినప్పుడు, గ్రాఫ్ ఒక సరళ రేఖను ఇస్తుంది.
• ఈ సరళ రేఖ యొక్క వాలు (slope) నిరోధకత \((R)\)ను సూచిస్తుంది. \(Slope = \frac{\Delta V}{\Delta I} = R\).

ఒక వాహకం యొక్క నిరోధకత \((R)\) కింది కారకాలపై ఆధారపడి ఉంటుంది:

1. పొడవు \((l)\): వాహకం యొక్క నిరోధకత దాని పొడవుకు నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

• \(R \propto l\)
• పొడవు రెట్టింపు అయితే, నిరోధకత కూడా రెట్టింపు అవుతుంది.

1. అడ్డుకోత వైశాల్యం \((A)\): వాహకం యొక్క నిరోధకత దాని అడ్డుకోత వైశాల్యానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

• \(R \propto \frac{1}{A}\)
• వైర్ మందంగా ఉంటే (ఎక్కువ అడ్డుకోత వైశాల్యం), నిరోధకత తక్కువగా ఉంటుంది.

1. పదార్థం యొక్క స్వభావం (Nature of Material): వేర్వేరు పదార్థాలకు వేర్వేరు నిరోధకతలు ఉంటాయి. ఈ ధర్మాన్ని నిరోధకత్వం (Resistivity, \(\rho\)) అంటారు.

1. ఉష్ణోగ్రత (Temperature): లోహాల నిరోధకత ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే పెరుగుతుంది, అయితే సెమీకండక్టర్ల నిరోధకత ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే తగ్గుతుంది.

నిరోధకత్వం (Resistivity, \(\rho\))

• నిర్వచనం: ఒక యూనిట్ పొడవు మరియు యూనిట్ అడ్డుకోత వైశాల్యం కలిగిన పదార్థం యొక్క నిరోధకతను నిరోధకత్వం అంటారు. ఇది పదార్థం యొక్క అంతర్గత ధర్మం.
• సూత్రం: పై సంబంధాలను కలిపి, మనం పొందవచ్చు:
• \(R = \rho \frac{l}{A}\)
• ఇక్కడ \(\rho\) (రో) అనేది అనులోమానుపాత స్థిరాంకం, దీనిని పదార్థం యొక్క నిరోధకత్వం అంటారు.
• SI యూనిట్: ఓమ్-మీటర్ (Ohm-meter, \(\Omega m\)).
• విలువలు:
• లోహాలు మరియు మిశ్రమాలు: చాలా తక్కువ నిరోధకత్వం (\(10^{-8}\ \Omega m\) నుండి \(10^{-6}\ \Omega m\)). ఇవి మంచి వాహకాలు.
• బంధకాలు: చాలా ఎక్కువ నిరోధకత్వం (\(10^{12}\ \Omega m\) నుండి \(10^{17}\ \Omega m\)).
• మిశ్రమాల ప్రాముఖ్యత: ఎలక్ట్రిక్ హీటింగ్ పరికరాలలో (టోస్టర్లు, ఐరన్‌లు) ఉపయోగించే నిక్రోమ్ వంటి మిశ్రమాలు ఎక్కువ నిరోధకత్వం మరియు అధిక ద్రవీభవన స్థానం కలిగి ఉంటాయి. ఇవి అధిక ఉష్ణోగ్రతల వద్ద ఆక్సీకరణం చెందవు.

శ్రేణి సంయోగం (Series Combination)

• నిర్వచనం: రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ నిరోధకాలను ఒకదాని తర్వాత ఒకటి కలిపినప్పుడు, వాటిని శ్రేణిలో కలిపినట్లు అంటారు. ఈ సంయోగంలో, విద్యుత్ ప్రవాహానికి ఒకే మార్గం ఉంటుంది.
• సర్క్యూట్ రేఖాచిత్రం: [IMAGE: TODO: Series circuit diagram with R1, R2, R3 and Ammeter, Voltmeter]
• ముఖ్య లక్షణాలు:
• విద్యుత్ ప్రవాహం (Current): ప్రతి నిరోధకం గుండా ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం ఒకే విధంగా ఉంటుంది. \(I_{total} = I_1 = I_2 = I_3\).
• పొటెన్షియల్ తేడా (Potential Difference): మొత్తం పొటెన్షియల్ తేడా వ్యక్తిగత నిరోధకాలపై పడే పొటెన్షియల్ తేడాల మొత్తానికి సమానం. \(V_{total} = V_1 + V_2 + V_3\).
• సమానమైన నిరోధకత (Equivalent Resistance, \(R_s\)):
• ఓం నియమం ప్రకారం, \(V = IR\).
• మొత్తం సర్క్యూట్‌కు: \(V_{total} = I R_s\)
• వ్యక్తిగత నిరోధకాలకు: \(V_1 = IR_1, V_2 = IR_2, V_3 = IR_3\)
• \(I R_s = I R_1 + I R_2 + I R_3\)
• \(R_s = R_1 + R_2 + R_3\)
• ముగింపు: శ్రేణిలో కలిపినప్పుడు, సమానమైన నిరోధకత వ్యక్తిగత నిరోధకాల మొత్తానికి సమానం మరియు ఏదైనా వ్యక్తిగత నిరోధకత కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది.

శ్రేణి సంయోగం యొక్క నష్టాలు (Disadvantages of Series Combination)

• ఒక పరికరం పనిచేయకపోతే: సర్క్యూట్‌లోని ఏదైనా ఒక పరికరం పాడైతే (ఓపెన్ సర్క్యూట్), మొత్తం సర్క్యూట్ విచ్ఛిన్నం అవుతుంది మరియు ఇతర పరికరాలు కూడా పనిచేయవు.
• వేర్వేరు పరికరాలకు ఒకే కరెంట్: గృహోపకరణాలకు వేర్వేరు కరెంట్ అవసరాలు ఉన్నప్పటికీ, శ్రేణిలో కలిపినప్పుడు వాటి గుండా ఒకే కరెంట్ ప్రవహిస్తుంది, ఇది వాటి సరైన పనితీరుకు ఆటంకం కలిగిస్తుంది.
• వోల్టేజ్ విభజన: వోల్టేజ్ ప్రతి పరికరం మధ్య విభజించబడుతుంది, దీనివల్ల ప్రతి పరికరానికి తక్కువ వోల్టేజ్ లభిస్తుంది.

సమాంతర సంయోగం (Parallel Combination)

• నిర్వచనం: రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ నిరోధకాలను ఒకే రెండు బిందువుల మధ్య కలిపినప్పుడు, వాటిని సమాంతరంగా కలిపినట్లు అంటారు. ఈ సంయోగంలో, విద్యుత్ ప్రవాహానికి బహుళ మార్గాలు ఉంటాయి.
• సర్క్యూట్ రేఖాచిత్రం: [IMAGE: TODO: Parallel circuit diagram with R1, R2, R3 and Ammeter, Voltmeter]
• ముఖ్య లక్షణాలు:
• పొటెన్షియల్ తేడా (Potential Difference): ప్రతి నిరోధకంపై పడే పొటెన్షియల్ తేడా ఒకే విధంగా ఉంటుంది. \(V_{total} = V_1 = V_2 = V_3\).
• విద్యుత్ ప్రవాహం (Current): మొత్తం విద్యుత్ ప్రవాహం వ్యక్తిగత నిరోధకాల గుండా ప్రవహించే ప్రవాహాల మొత్తానికి సమానం. \(I_{total} = I_1 + I_2 + I_3\).
• సమానమైన నిరోధకత (Equivalent Resistance, \(R_p\)):
• ఓం నియమం ప్రకారం, \(I = \frac{V}{R}\).
• మొత్తం సర్క్యూట్‌కు: \(I_{total} = \frac{V}{R_p}\)
• వ్యక్తిగత నిరోధకాలకు: \(I_1 = \frac{V}{R_1}, I_2 = \frac{V}{R_2}, I_3 = \frac{V}{R_3}\)
• \(\frac{V}{R_p} = \frac{V}{R_1} + \frac{V}{R_2} + \frac{V}{R_3}\)
• \(\frac{1}{R_p} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}\)
• ముగింపు: సమాంతరంగా కలిపినప్పుడు, సమానమైన నిరోధకత యొక్క విలోమం వ్యక్తిగత నిరోధకాల విలోమాల మొత్తానికి సమానం మరియు ఏదైనా వ్యక్తిగత నిరోధకత కంటే తక్కువగా ఉంటుంది.

సమాంతర సంయోగం యొక్క ప్రయోజనాలు (Advantages of Parallel Combination)

• స్వతంత్ర ఆపరేషన్: ఒక పరికరం పాడైతే, ఇతర పరికరాలు పనిచేయడం ఆపవు, ఎందుకంటే కరెంట్ ప్రవహించడానికి ఇతర మార్గాలు ఉంటాయి.
• స్థిరమైన వోల్టేజ్: అన్ని పరికరాలకు ఒకే వోల్టేజ్ (సరఫరా వోల్టేజ్) లభిస్తుంది, ఇది వాటి సరైన పనితీరుకు అవసరం.
• తక్కువ మొత్తం నిరోధకత: సమానమైన నిరోధకత తగ్గుతుంది, దీనివల్ల సర్క్యూట్ ఎక్కువ కరెంట్‌ను పొందగలదు.
• గృహ వైరింగ్: గృహోపకరణాలు సాధారణంగా సమాంతరంగా కలుపబడతాయి, ఈ ప్రయోజనాల వల్ల.

విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క తాపన ప్రభావం (Heating Effect of Electric Current)

• నిర్వచనం: ఒక నిరోధకం గుండా విద్యుత్ ప్రవాహం ప్రవహించినప్పుడు, నిరోధకం వేడెక్కుతుంది మరియు ఉష్ణాన్ని ఉత్పత్తి చేస్తుంది. ఈ ప్రభావాన్ని విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క తాపన ప్రభావం లేదా జౌల్ తాపనం (Joule Heating) అంటారు.
• కారణం: ఎలక్ట్రాన్లు వాహకంలోని అణువులతో ఢీకొని, వాటి గతి శక్తిని ఉష్ణ శక్తిగా మారుస్తాయి.

జౌల్ తాపన నియమం (Joule's Law of Heating)

• ప్రవచనం: ఒక నిరోధకంలో ఉత్పత్తి అయ్యే ఉష్ణం \((H)\) కింది వాటికి నేరుగా అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది:

1. నిరోధకం గుండా ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం యొక్క వర్గం \((I^2)\).
2. నిరోధకత \((R)\).
3. విద్యుత్ ప్రవాహం ప్రవహించిన కాలం \((t)\).

• సూత్రం: \(H = I^2Rt\)
• \(H\) = ఉత్పత్తి అయిన ఉష్ణం (జౌల్స్)
• \(I\) = విద్యుత్ ప్రవాహం (ఆంపియర్స్)
• \(R\) = నిరోధకత (ఓమ్స్)
• \(t\) = కాలం (సెకన్లు)

• ఇతర సూత్రాలు:
• \(H = VIt\) (ఎందుకంటే \(V = IR\))
• \(H = \frac{V^2}{R}t\) (ఎందుకంటే \(I = \frac{V}{R}\))

తాపన ప్రభావం యొక్క ఆచరణాత్మక అనువర్తనాలు (Practical Applications)

1. ఎలక్ట్రిక్ హీటింగ్ పరికరాలు: ఎలక్ట్రిక్ ఐరన్, టోస్టర్, ఓవెన్, హీటర్, గీజర్. ఇవి అధిక నిరోధకత కలిగిన నిక్రోమ్ వంటి మిశ్రమాలను తాపన మూలకాలుగా ఉపయోగిస్తాయి.
2. ఎలక్ట్రిక్ బల్బ్: బల్బ్ ఫిలమెంట్ (సాధారణంగా టంగ్‌స్టన్) అధిక నిరోధకత మరియు అధిక ద్రవీభవన స్థానం (3380°C) కలిగి ఉంటుంది. ఇది వేడెక్కి కాంతిని విడుదల చేస్తుంది. ఆక్సీకరణం చెందకుండా ఉండటానికి, బల్బులో ఆర్గాన్ వంటి జడ వాయువులను నింపుతారు.
3. ఎలక్ట్రిక్ ఫ్యూజ్ (Electric Fuse):

• పనితీరు: సర్క్యూట్‌లు మరియు ఉపకరణాలను అధిక కరెంట్ నుండి రక్షిస్తుంది.
• నిర్మాణం: తక్కువ ద్రవీభవన స్థానం కలిగిన తీగ (అల్యూమినియం, రాగి, టిన్-లెడ్ మిశ్రమం)తో తయారు చేయబడుతుంది.
• కనెక్షన్: ఎల్లప్పుడూ సర్క్యూట్‌లో శ్రేణిలో కలుపుతారు.
• రక్షణ: అధిక కరెంట్ ప్రవహించినప్పుడు, ఫ్యూజ్ తీగ వేడెక్కి కరిగిపోతుంది, సర్క్యూట్‌ను తెరిచి, ఉపకరణాలను రక్షిస్తుంది.

విద్యుత్ శక్తి (Electric Power)

• నిర్వచనం: విద్యుత్ శక్తి వినియోగం యొక్క రేటును విద్యుత్ శక్తి అంటారు. ఇది యూనిట్ కాలంలో వినియోగించబడిన లేదా ఉత్పత్తి చేయబడిన విద్యుత్ పని లేదా శక్తి.
• సూత్రం: \(P = \frac{W}{t}\) లేదా \(P = \frac{E}{t}\)
• \(P\) = విద్యుత్ శక్తి (power)
• \(W\) = చేసిన పని (work done)
• \(E\) = శక్తి (energy)
• \(t\) = కాలం (time)

• విద్యుత్ శక్తికి ఇతర సూత్రాలు:
• \(P = VI\) (పొటెన్షియల్ తేడా మరియు కరెంట్ పరంగా)
• \(P = I^2R\) (ఓం నియమం \(V=IR\) నుండి)
• \(P = \frac{V^2}{R}\) (ఓం నియమం \(I=\frac{V}{R}\) నుండి)

• SI యూనిట్: వాట్ (Watt, W). 1 వాట్ అనేది 1 జౌల్ శక్తి 1 సెకనులో వినియోగించబడినప్పుడు.
• \(1W = 1 J/s\)
• \(1W = 1V \times 1A\)

వాట్ మరియు కిలోవాట్ (Watt and Kilowatt)

• వాట్ అనేది చిన్న యూనిట్. పెద్ద యూనిట్ కిలోవాట్ (kW).
• \(1 kW = 1000 W\)

విద్యుత్ శక్తి యొక్క వాణిజ్య యూనిట్ (Commercial Unit of Electric Energy)

• వాట్-గంట (Watt-hour, Wh): 1 వాట్ శక్తిని 1 గంట పాటు ఉపయోగించినప్పుడు వినియోగించబడిన శక్తి.
• కిలోవాట్-గంట (Kilowatt-hour, kWh): విద్యుత్ శక్తి యొక్క వాణిజ్య యూనిట్, దీనిని సాధారణంగా 'యూనిట్' అంటారు.
• \(1 kWh = 1000 Wh\)
• జౌల్స్‌తో సంబంధం:
• \(1 kWh = 1 kW \times 1 h\)
• \(1 kWh = 1000 W \times 3600 s\)
• \(1 kWh = 3.6 \times 10^6 J\)
• గృహాలలో విద్యుత్ బిల్లులు kWh యూనిట్లలో వినియోగించబడిన శక్తి ఆధారంగా లెక్కించబడతాయి.