विद्युतधारेचे परिणाम

विद्युतधारेमुळे वाहकातून उष्णता निर्माण होण्याच्या परिणामाला विद्युतधारेचा औष्णिक परिणाम म्हणतात. यालाच ज्युलचा उष्णता नियम (Joule's Law of Heating) असेही म्हणतात.

• ज्युलचा नियम: जेव्हा \(R\) रोध असलेल्या वाहकातून \(I\) विद्युतधारा \(t\) वेळेसाठी वाहते, तेव्हा निर्माण होणारी उष्णता \(H\) खालीलप्रमाणे असते:
• \(H = I^2 R t\)
• येथे, \(H\) = उष्णता (जूल), \(I\) = विद्युतधारा (अँपिअर), \(R\) = रोध (ओहम), \(t\) = वेळ (सेकंद).

• उपयोग:
• विद्युत शेगडी, बॉयलर, इस्त्री: या उपकरणांमध्ये उच्च रोधकता असलेल्या मिश्रधातूंचा (उदा. नायक्रोम) उपयोग केला जातो. नायक्रोमची रोधकता जास्त असल्याने, विद्युतधारा वाहताना ती खूप उष्णता निर्माण करते.
• विजेचा बल्ब: बल्बमध्ये टंगस्टन धातूची तार (फिलामेंट) वापरली जाते. टंगस्टनचा द्रवणांक (melting point) खूप उच्च (सुमारे 3400°C) असल्याने, ती उच्च तापमानापर्यंत तापते आणि प्रकाश व उष्णता उत्सर्जित करते.
• वितळतार (Fuse): हे एक सुरक्षा उपकरण आहे, जे लघुपथ (शॉर्ट सर्किट) किंवा अतिभारण (ओव्हरलोडिंग) झाल्यास विद्युत परिपथ खंडित करते. वितळतार कमी द्रवणांकाच्या धातूपासून बनलेली असते, जेणेकरून जास्त विद्युतधारा वाहिल्यास ती वितळून परिपथ तोडते.

• विद्युतशक्ती (Electric Power):
• विद्युत ऊर्जा खर्च होण्याचा दर.
• सूत्र: \(P = V I = I^2 R = \frac{V^2}{R}\)
• एकक: वॅट (W). 1 kW = 1000 W.

• विद्युत ऊर्जा (Electric Energy):
• विद्युतशक्तीने केलेल्या कामाची एकूण मात्रा.
• सूत्र: \(E = P t = V I t = I^2 R t = \frac{V^2}{R} t\)
• व्यावसायिक एकक: किलोवॅट-तास (kWh) किंवा 'युनिट'.
• 1 kWh = \(1000 \text{ W} \times 3600 \text{ s} = 3.6 \times 10^6 \text{ J}\)

• लघुपथ (Short Circuit):
• जेव्हा वीजयुक्त (Live) तार आणि तटस्थ (Neutral) तार एकमेकांना थेट स्पर्श करतात (उदा. इन्सुलेशन खराब झाल्यामुळे).
• यामुळे परिपथातील रोध खूप कमी होतो आणि अत्यंत मोठी विद्युतधारा वाहते.
• परिणामी, खूप उष्णता निर्माण होते, ज्यामुळे आग लागण्याची शक्यता असते.

• अतिभारण (Overloading):
• जेव्हा एकाच परिपथावर अनेक विद्युत उपकरणे जोडली जातात, तेव्हा परिपथातून आवश्यकतेपेक्षा जास्त विद्युतधारा वाहते.
• यामुळे तारा गरम होतात आणि आग लागण्याचा धोका असतो.

• सुरक्षा उपाय:
• वितळतार (Fuse): लघुपथ किंवा अतिभारण झाल्यास वितळून परिपथ खंडित करते.
• MCB (Miniature Circuit Breaker): आधुनिक घरांमध्ये वापरले जाते. विद्युतधारा अचानक वाढल्यास आपोआप बंद होते आणि परिपथ खंडित करते. पुन्हा चालू करता येते.
• भूसंपर्कन (Earthing): उपकरणांमधील धातूचे आवरण पृथ्वीशी जोडलेले असते, जेणेकरून विद्युतप्रवाह लीकेज झाल्यास तो थेट जमिनीत जातो आणि शॉक लागण्याचा धोका टळतो.

विद्युतधारा वाहणाऱ्या वाहकाभोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते, याला विद्युतधारेचा चुंबकीय परिणाम म्हणतात. हान्स ख्रिश्चन ओर्स्टेड यांनी 1820 मध्ये याचा शोध लावला.

• ओर्स्टेडचा प्रयोग:
• जेव्हा तारेतून विद्युतधारा प्रवाहित होते, तेव्हा तारेजवळ ठेवलेली चुंबकसूची विचलित होते.
• विद्युतधारेची दिशा बदलल्यास चुंबकसूचीच्या विचलनाची दिशा बदलते.
• यावरून सिद्ध होते की विद्युतधारा चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करते.

• सरळ विद्युतवाहकामुळे निर्माण होणारे चुंबकीय क्षेत्र:
• विद्युतधारेमुळे सरळ वाहकाभोवती समकेंद्रीय वर्तुळाकार चुंबकीय बलरेषा निर्माण होतात.
• या बलरेषांची दिशा उजव्या हाताच्या अंगठ्याच्या नियमाने ठरवली जाते.
• तीव्रता: विद्युतधारेच्या तीव्रतेवर अवलंबून असते (धारा वाढल्यास तीव्रता वाढते) आणि वाहकापासूनच्या अंतरावर अवलंबून असते (अंतर वाढल्यास तीव्रता कमी होते).

• उजव्या हाताचा अंगठ्याचा नियम (Right Hand Thumb Rule):
• कल्पना करा की तुम्ही विद्युतवाहक उजव्या हातात असा पकडला आहे की, तुमचा अंगठा विद्युतधारेच्या दिशेने आहे.
• तर, तुमची बोटे ज्या दिशेने वाहकाला वेढतात, ती दिशा चुंबकीय बलरेषांची दिशा असते.

• तारेच्या वेटोळ्यातून (कुंडलातून) विद्युतधारेमुळे निर्माण होणारे चुंबकीय क्षेत्र:
• एका वेटोळ्यातून विद्युतधारा वाहिल्यास, प्रत्येक बिंदूपाशी समकेंद्रीय वर्तुळाकार बलरेषा निर्माण होतात.
• वेटोळ्याच्या मध्यभागी, बलरेषा जवळजवळ सरळ आणि समांतर दिसतात, ज्यामुळे एकसमान चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते.
• जर तारेचे 'n' वेढे असतील, तर चुंबकीय क्षेत्राची तीव्रता 'n' पटीने वाढते.

• नालकुंतलातून (Solenoid) विद्युतधारेमुळे निर्माण होणारे चुंबकीय क्षेत्र:
• नालकुंतल: विद्युतरोधक आवरण असलेल्या तांब्याच्या तारेचे अनेक वेढे जवळजवळ गुंडाळून तयार केलेली दंडगोलाकार रचना.
• नालकुंतलातून विद्युतधारा प्रवाहित केल्यास, ते चुंबकपट्टीप्रमाणे (Bar Magnet) कार्य करते.
• त्याच्या आतमध्ये एकसमान आणि तीव्र चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते, ज्याच्या बलरेषा एकमेकांना समांतर असतात.
• नालकुंतलाचे एक टोक उत्तर ध्रुवाप्रमाणे आणि दुसरे टोक दक्षिण ध्रुवाप्रमाणे कार्य करते.

• चुंबकीय क्षेत्रात विद्युतधारा वाहून नेणाऱ्या विद्युतवाहकावरील बल:
• जेव्हा विद्युतधारा वाहणारा वाहक चुंबकीय क्षेत्रात ठेवला जातो, तेव्हा त्यावर बल (Force) कार्य करते.
• या बलाची दिशा विद्युतधारेची दिशा आणि चुंबकीय क्षेत्राची दिशा या दोन्हीला लंब असते.
• या बलाची दिशा फ्लेमिंगच्या डाव्या हाताच्या नियमाने ठरवली जाते.
• बलाची तीव्रता: विद्युतधारा, चुंबकीय क्षेत्राची तीव्रता, वाहकाची लांबी आणि विद्युतधारा व चुंबकीय क्षेत्रातील कोनाच्या साइन मूल्यावर अवलंबून असते. जेव्हा विद्युतधारा चुंबकीय क्षेत्राला लंब असते, तेव्हा बल सर्वाधिक असते.

• फ्लेमिंगचा डाव्या हाताचा नियम (Fleming's Left Hand Rule):
• डाव्या हाताचा अंगठा, तर्जनी आणि मधले बोट एकमेकांना लंब राहतील असे ताठ धरा.
• जर तर्जनी चुंबकीय क्षेत्राची दिशा दर्शवत असेल,
• आणि मधले बोट विद्युतधारेची दिशा दर्शवत असेल,
• तर अंगठा विद्युतवाहकावरील बलाची दिशा दर्शवतो.

• विद्युतचलित्र (Electric Motor):
• हे एक असे उपकरण आहे जे विद्युत ऊर्जेचे यांत्रिक ऊर्जेत रूपांतर करते.
• कार्यतत्त्व: चुंबकीय क्षेत्रात ठेवलेल्या विद्युतधारा वाहणाऱ्या कुंडलावर बल कार्य करते, ज्यामुळे ते फिरते (फ्लेमिंगचा डाव्या हाताचा नियम).
• रचना:
• आयताकृती कुंडल: तांब्याच्या तारेचे विद्युतरोधक आवरण असलेले कुंडल.
• प्रबळ चुंबक: कुंडलाभोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करण्यासाठी.
• दुभंगलेले कडे (Split Ring Commutator): हे कुंडलाच्या टोकांना जोडलेले असते आणि प्रत्येक अर्धपरिवलनानंतर कुंडलातील विद्युतधारेची दिशा उलट करते, ज्यामुळे कुंडल एकाच दिशेने फिरत राहते. याला दिक्परिवर्तक (Commutator) असेही म्हणतात.
• कार्बन ब्रश (Carbon Brushes): हे स्थिर ब्रश दुभंगलेल्या कड्यांना स्पर्श करून विद्युतधारेचा पुरवठा करतात.
• आस (Axle): कुंडल ज्यावर फिरते.
• कार्य: विद्युतधारा कुंडलातून वाहिल्यास, फ्लेमिंगच्या डाव्या हाताच्या नियमानुसार कुंडलाच्या भुजांवर विरुद्ध दिशांनी बल कार्य करते, ज्यामुळे कुंडल फिरते. दिक्परिवर्तकमुळे प्रत्येक अर्धपरिवलनानंतर धारेची दिशा उलट होऊन कुंडल सतत एकाच दिशेने फिरते.
• उपयोग: पंखे, मिक्सर, वॉशिंग मशीन, रेफ्रिजरेटर, पंप इत्यादी.

मायकेल फॅरेडे यांनी 1831 मध्ये शोध लावला की, चुंबकीय क्षेत्रात बदल झाल्यामुळे विद्युतधारेची निर्मिती होऊ शकते. या घटनेला विद्युतचुंबकीय प्रवर्तन (Electromagnetic Induction) म्हणतात.

• फॅरेडेचे प्रवर्तनाचे नियम:
• जेव्हा एखाद्या कुंडलातून जाणाऱ्या चुंबकीय बलरेषांच्या संख्येत (चुंबकीय अभिवाहात) बदल होतो, तेव्हा त्या कुंडलात विद्युतधारा प्रवर्तित (Induced Current) होते.
• चुंबकीय अभिवाहात बदल जितक्या वेगाने होतो, तितकी प्रवर्तित विद्युतधारा जास्त असते.
• प्रवर्तित विद्युतधारेची दिशा फ्लेमिंगच्या उजव्या हाताच्या नियमाने दिली जाते.

• गॅल्व्हॅनोमीटर (Galvanometer):
• हे एक संवेदनशील उपकरण आहे, जे परिपथातील लहान विद्युतधारेची उपस्थिती आणि दिशा दर्शवते.
• त्याच्या तबकडीवर शून्य मध्यभागी असते. विद्युतधारेच्या दिशेनुसार काटा शून्याच्या दोन्ही बाजूंना विचलित होतो.
• हे विद्युतचलित्राच्या तत्त्वावर आधारित आहे.

• फ्लेमिंगचा उजव्या हाताचा नियम (Fleming's Right Hand Rule):
• उजव्या हाताचा अंगठा, तर्जनी आणि मधले बोट एकमेकांना लंब राहतील असे ताठ धरा.
• जर अंगठा विद्युतवाहकाच्या गतीची दिशा दर्शवत असेल,
• आणि तर्जनी चुंबकीय क्षेत्राची दिशा दर्शवत असेल,
• तर मधले बोट प्रवर्तित विद्युतधारेची दिशा दर्शवते.
• प्रवर्तित विद्युतधारा सर्वाधिक असते, जेव्हा वाहकाची गती चुंबकीय क्षेत्राला लंब असते.

• प्रत्यावर्ती धारा (Alternating Current - AC):
• ज्या विद्युतधारेचे परिमाण आणि दिशा ठराविक समान कालावधीनंतर बदलते, तिला प्रत्यावर्ती धारा म्हणतात.
• भारतात, AC ची वारंवारिता (frequency) 50 Hz असते, म्हणजे एका सेकंदात 50 चक्रे पूर्ण होतात.
• लांब अंतरावर विद्युतशक्तीचे पारेषण करण्यासाठी AC अधिक फायदेशीर आहे, कारण त्यात ऊर्जेची हानी कमी होते.
• घरातील विद्युतपुरवठा AC असतो.

• दिष्ट धारा (Direct Current - DC):
• जी विद्युतधारा एकाच दिशेने वाहते, तिला दिष्ट धारा म्हणतात.
• तिचे परिमाण स्थिर, वाढणारे किंवा कमी होणारे असू शकते, परंतु दिशा बदलत नाही.
• बॅटरी, सेल यांसारख्या स्रोतांकडून DC मिळते.

• विद्युत जनित्र (Electric Generator):
• हे एक असे उपकरण आहे जे यांत्रिक ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर करते.
• कार्यतत्त्व: विद्युतचुंबकीय प्रवर्तन (फॅरेडेचे नियम).
• रचना:
• कुंडल (Armature Coil): चुंबकीय क्षेत्रात फिरणारे तांब्याच्या तारेचे कुंडल.
• प्रबळ चुंबक: चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करण्यासाठी.
• सरकती कडी (Slip Rings - AC जनित्रात): कुंडलाच्या टोकांना जोडलेली असतात आणि बाहेरील परिपथाला विद्युतधारा पुरवतात. ही कडी आसासोबत फिरतात.
• दुभंगलेले कडे (Split Ring Commutator - DC जनित्रात): AC जनित्रातील सरकत्या कड्यांऐवजी वापरले जाते, जे बाहेरील परिपथात एकाच दिशेने विद्युतधारा (DC) मिळवून देते.
• कार्बन ब्रश: स्थिर ब्रश सरकत्या कड्यांना/दुभंगलेल्या कड्यांना स्पर्श करून बाहेरील परिपथाशी जोडणी करतात.
• आस (Axle): कुंडल ज्यावर फिरवले जाते.
• कार्य: कुंडल चुंबकीय क्षेत्रात फिरवल्यास, त्याच्या भुजांमधून जाणाऱ्या चुंबकीय बलरेषांच्या संख्येत बदल होतो, ज्यामुळे कुंडलात विद्युतधारा प्रवर्तित होते (फ्लेमिंगचा उजव्या हाताचा नियम).
• AC जनित्र: सरकत्या कड्यांमुळे प्रत्येक अर्धपरिवलनानंतर विद्युतधारेची दिशा बाहेरील परिपथात बदलते, ज्यामुळे AC मिळते.
• DC जनित्र: दुभंगलेल्या कड्यांमुळे प्रत्येक अर्धपरिवलनानंतर कुंडलातील धारेची दिशा बदलली तरी, बाहेरील परिपथात विद्युतधारा एकाच दिशेने राहते, ज्यामुळे DC मिळते.