विद्युतप्रभार
या अध्यायात विद्यार्थी विद्युतप्रभाराची संकल्पना, घर्षणामुळे विद्युतप्रभार कसा निर्माण होतो (घर्षणविद्युत), विद्युतप्रभारित वस्तूंचे गुणधर्म (आकर्षण आणि प्रतिकर्षण), विद्युतप्रभार निर्मितीच्या पद्धती (स्पर्शाद्वारे आणि प्रवर्तनाने) आणि वातावरणातील विद्युतप्रभार (वीज चमकणे व पडणे) याबद्दल शिकतात. तसेच, विजेच्या आघातापासून बचाव करण्यासाठी वापरल्या जाणाऱ्या तडितरक्षकाची रचना आणि कार्यपद्धती देखील अभ्यासली जाते. हा अध्याय दैनंदिन जीवनातील विद्युतप्रभाराचे महत्त्व आणि सुरक्षिततेचे उपाय समजून घेण्यासाठी महत्त्वाचा आहे.
घर्षणविद्युत (Frictional electricity)
घर्षणविद्युत म्हणजे दोन वस्तू एकमेकांवर घासल्याने निर्माण होणारा विद्युतप्रभार.
- स्थितिक विद्युत: घर्षणामुळे निर्माण होणारे प्रभार वस्तूवर ज्या ठिकाणी घर्षण झाले त्याच ठिकाणी थोड्या वेळासाठी राहतात. म्हणून याला स्थितिक विद्युत म्हणतात.
- प्रभारांचे वहन: हे प्रभार दमट व ओलसर हवेत शोषले जातात. त्यामुळे हिवाळ्यात, कोरड्या हवेत हे प्रयोग अधिक यशस्वी होतात.
- ऐतिहासिक संदर्भ:
- सुमारे 2500 वर्षांपूर्वी, ग्रीक शास्त्रज्ञ थेलस यांनी पाहिले की पिवळ्या रंगाचा राळेचा दांडा (अँबर) लोकरी कापडाने घासल्यावर पिसे आकर्षित करतो.
- ग्रीक भाषेत अँबरला 'इलेक्ट्रॉन' म्हणतात.
- थॉमस ब्राउन यांनी 1646 साली या आकर्षण गुणधर्माला 'इलेक्ट्रिसिटी' हे नाव दिले.
घर्षणविद्युतची उदाहरणे:
- प्लास्टिकचा कंगवा कोरड्या केसांवर घासल्यावर कागदाचे छोटे तुकडे आकर्षित करतो.
- लोकराच्या कपड्याने घासलेला फुगा भिंतीला चिकटतो.
- थंडीत सिंथेटिक कपडे काढताना येणारा चटचट आवाज आणि दिसणाऱ्या ठिणग्या.
घर्षणविद्युत: दोन वस्तू एकमेकांवर घासल्याने त्यांच्या पृष्ठभागावर निर्माण होणाऱ्या विद्युतप्रभाराला घर्षणविद्युत म्हणतात.
कोरड्या हवामानात स्थितिक विद्युतचे प्रयोग अधिक प्रभावीपणे होतात, कारण दमट हवा प्रभार शोषून घेते.
विद्युतप्रभारांचे गुणधर्म: आकर्षण आणि प्रतिकर्षण
विद्युतप्रभारांचे मुख्य गुणधर्म आकर्षण आणि प्रतिकर्षण हे आहेत, जे वस्तूंच्या प्रभार स्थितीवर अवलंबून असतात.
- प्रभार नसलेल्या वस्तूंचे आकर्षण:
- विद्युतप्रभारित वस्तू प्रभार नसणाऱ्या वस्तूंना आकर्षित करतात. उदा. कंगवा कागदाचे तुकडे आकर्षित करतो.
- सजातीय प्रभारांमध्ये प्रतिकर्षण:
- समान विद्युतप्रभार असणाऱ्या वस्तूंमध्ये प्रतिकर्षण होते. (उदा. धन-धन किंवा ऋण-ऋण)
- विजातीय प्रभारांमध्ये आकर्षण:
- विरुद्ध विद्युतप्रभार असणाऱ्या वस्तूंमध्ये आकर्षण होते. (उदा. धन-ऋण)
प्रभारांच्या ओळखण्यासाठीची कसोटी:
- विद्युतप्रभारित वस्तू ओळखण्यासाठी प्रतिकर्षण ही कसोटी वापरली जाते. कारण, प्रभारित वस्तू प्रभार नसलेल्या वस्तूंना आकर्षित करू शकते, पण प्रतिकर्षण फक्त समान प्रभार असलेल्या वस्तूंमध्येच होते.
स्ट्रॉचे उदाहरण (Activity 8.3.1 चे निरीक्षण): | कृती | आकर्षण / प्रतिकर्षण झाले | निष्कर्ष | |---|---|---| | प्रभार नसणाऱ्या स्ट्रॉजवळ प्रभारित स्ट्रॉ नेल्यास | आकर्षण | प्रभारित वस्तू प्रभार नसलेल्या वस्तूंना आकर्षित करते. | | समान विद्युतप्रभार असणाऱ्या दोन स्ट्रॉ जवळ आणल्यास (दोन्ही लोकरी कापडाने घासलेल्या) | प्रतिकर्षण | सजातीय प्रभारांमध्ये प्रतिकर्षण होते. | | प्रभारित स्ट्रॉ व ज्याने घासले ते विरुद्ध प्रभारित कापड जवळ आणल्यास | आकर्षण | विजातीय प्रभारांमध्ये आकर्षण होते. |
निष्कर्ष:
- जेव्हा दोन वस्तू घासल्या जातात, तेव्हा एक वस्तू इलेक्ट्रॉन गमावून धनप्रभारित होते, तर दुसरी वस्तू इलेक्ट्रॉन मिळवून ऋणप्रभारित होते.
- उदा. लोकरी कापडाने प्लास्टिकची स्ट्रॉ घासल्यास, स्ट्रॉ ऋणप्रभारित होते आणि लोकरी कापड धनप्रभारित होते.
प्रतिकर्षण ही विद्युतप्रभाराची निश्चित कसोटी आहे, कारण आकर्षण प्रभार नसलेल्या वस्तूंबरोबरही होऊ शकते.
विद्युतप्रभार निर्मिती: स्पर्श आणि प्रवर्तन
वस्तू दोन प्रकारे प्रभारित केल्या जाऊ शकतात: स्पर्श आणि प्रवर्तन.
1. स्पर्शाद्वारे वस्तू प्रभारित करणे (Charging by Contact)
- जेव्हा एक प्रभारित वस्तू प्रभार नसलेल्या वस्तूला स्पर्श करते, तेव्हा प्रभारित वस्तूवरील काही प्रभार प्रभार नसलेल्या वस्तूकडे हस्तांतरित होतो.
- यामुळे प्रभार नसलेली वस्तू प्रभारित होते आणि तिला प्रभारित वस्तूच्या समान प्रभार मिळतो.
- उदाहरण: एका प्लास्टिकच्या कंगव्याला कागदाने घासून प्रभारित करा. या प्रभारित कंगव्याने दुसऱ्या प्रभार नसलेल्या कंगव्याला स्पर्श करा. आता हा दुसरा कंगवा कागदाच्या कपट्यांजवळ नेल्यास, तो कपट्यांना आकर्षित करेल, कारण तो स्पर्शाने प्रभारित झाला आहे.
2. प्रवर्तनाने वस्तू प्रभारित करणे (Charging by Induction)
- जेव्हा एक प्रभारित वस्तू प्रभार नसलेल्या वस्तूला स्पर्श न करता तिच्या जवळ आणली जाते, तेव्हा प्रभार नसलेल्या वस्तूमध्ये तात्पुरता प्रभार निर्माण होतो.
- या प्रक्रियेत, प्रभारित वस्तूच्या जवळच्या बाजूला विरुद्ध प्रभार आणि दूरच्या बाजूला समान प्रभार निर्माण होतो.
- उदाहरण: कंगवा किंवा फुगा केसांवर घासून प्रभारित करा. आता हा प्रभारित कंगवा पाण्याच्या बारीक धारेजवळ न्या.
- निरीक्षण (a): प्रभारित कंगवा पाण्याच्या धारेजवळ नेताच धार कंगव्याकडे आकर्षित होते.
- निरीक्षण (b): कंगवा धारेपासून दूर नेताच धार पुन्हा पूर्ववत होते आणि आकर्षण थांबते.
प्रवर्तनाचे स्पष्टीकरण:
- सुरुवातीस पाण्याची धार प्रभाररहित (उदासीन) असते, म्हणजे त्यात धन आणि ऋण प्रभारांची संख्या समान असते.
- ऋणभारित कंगवा जवळ येताच, पाण्याच्या धारेतील कंगव्यासमोरच्या भागातील ऋण कण दूर सारले जातात.
- ऋणप्रभाराच्या कमतरतेमुळे धारेचा तेवढा भाग धनप्रभारित बनतो.
- कंगवा (ऋण) आणि पाण्याची धार (धन) यांच्यातील विजातीय प्रभारातील आकर्षणामुळे पाण्याची धार कंगव्याकडे आकर्षली जाते.
- कंगवा दूर नेताच, पाण्याच्या धारेतील ऋण कण पुन्हा पूर्वस्थानी येतात आणि धार पुन्हा प्रभाररहित होते, त्यामुळे आकर्षण थांबते.
महत्वाचे मुद्दे:
- उदासीन वस्तू: प्रभार नसणाऱ्या किंवा उदासीन वस्तूवर धन व ऋण प्रभारांची संख्या सारखी असते.
- प्रवर्तनाने निर्माण झालेला प्रभार: प्रवर्तनाने (जवळ असताना) निर्माण झालेला विद्युतप्रभार फक्त विद्युतप्रभारित वस्तू जवळ असेपर्यंत टिकतो. वस्तू दूर केल्यास प्रभार नाहीसा होतो.
भिंतीला चिकटलेला फुगा (Figure 8.5):
- केसांवर घासलेला ऋणप्रभारित फुगा भिंतीजवळ नेल्यास, भिंतीतील ऋण प्रभार दूर सारले जातात आणि भिंतीचा फुग्याच्या जवळचा भाग धनप्रभारित होतो.
- या विजातीय प्रभारातील आकर्षणामुळे फुगा भिंतीला चिकटतो. हा प्रवर्तनाचा परिणाम आहे.
प्रवर्तनाने निर्माण झालेला प्रभार तात्पुरता असतो, तर स्पर्शाने निर्माण झालेला प्रभार वस्तूवर कायमस्वरूपी राहू शकतो (जोपर्यंत तो डिस्चार्ज होत नाही).
वातावरणातील विद्युतप्रभार: वीज चमकणे आणि पडणे
आकाशात वीज चमकणे आणि पडणे ही वातावरणातील विद्युतप्रभारांमुळे घडणारी नैसर्गिक घटना आहे.
वीज चमकणे (Lightning)
- प्रभार निर्मिती: आकाशात हवा आणि ढग एकमेकांवर घासले जातात, तेव्हा घर्षणामुळे विद्युतप्रभार निर्माण होतात.
- काही ढग धनप्रभारित बनतात (वरच्या बाजूला).
- काही ढग ऋणप्रभारित बनतात (खालच्या बाजूला).
- प्रभारांचे वहन: जेव्हा ढगाच्या तळाचा ऋणप्रभार जमिनीवरील प्रभारापेक्षा खूप जास्त होतो, तेव्हा टप्प्याटप्प्याने ऋणप्रभार जमिनीकडे वाहू लागतो.
- ही घटना अतिशय जलदगतीने, एका सेकंदापेक्षाही कमी वेळात घडते.
- ऊर्जा निर्मिती: या विद्युतप्रवाहामुळे प्रचंड उष्णता, प्रकाश आणि ध्वनिऊर्जा निर्माण होते. यालाच आपण वीज चमकणे असे म्हणतो.
वीज पडणे (Lightning Strike)
- आकर्षण: विद्युतप्रभारित ढग आकाशात असताना, उंच इमारती किंवा झाडे विजेला आकर्षित करतात.
- प्रवर्तन: वीज पडते तेव्हा इमारतीच्या छतावर किंवा झाडाच्या शेंड्यावर प्रवर्तनाने विरुद्ध विद्युतप्रभार निर्माण होतो.
- प्रभारांचे वहन: ढग आणि इमारत यांच्यातील विरुद्ध प्रभारातील आकर्षणामुळे ढगातील प्रभार इमारतीकडे प्रवाहित होतो. यालाच वीज पडणे असे म्हणतात.
विजेचे फायदे:
- नत्र स्थिरीकरण: विजेमुळे निर्माण होणाऱ्या प्रचंड उष्णता व प्रकाशामुळे हवेतील नायट्रोजन व ऑक्सिजन यांच्यात रासायनिक क्रिया होऊन नायट्रोजन ऑक्साईड वायू तयार होतो. हा वायू पावसाच्या पाण्यात मिसळून जमिनीवर येतो व जमिनीची सुपीकता वाढवणारे 'नत्र' पुरवतो.
- ओझोन निर्मिती: विजेच्या ऊर्जेमुळे हवेतील ऑक्सिजनचे ओझोनमध्ये रूपांतर होते. हा ओझोन वायू सूर्यापासून येणाऱ्या हानिकारक अतिनील किरणांपासून आपले रक्षण करतो.
विजेपासून होणारे नुकसान आणि बचाव:
- वीज पडल्याने मनुष्य आणि जनावरांचा मृत्यू होऊ शकतो, इमारती आणि झाडांचे नुकसान होऊ शकते.
- बचावाचे उपाय: तडितरक्षक वापरणे, खुल्या मैदानात न थांबणे, झाडाखाली आश्रय न घेणे, विजेच्या खांबांपासून दूर राहणे.
वीज चमकणे आणि पडणे ही नैसर्गिकरित्या होणारी विद्युतप्रभाराची निर्वहन प्रक्रिया आहे.
वीज पडताना झाडाखाली किंवा उंच ठिकाणी आश्रय घेणे धोकादायक असते, कारण ती ठिकाणे विजेला आकर्षित करतात.
तडितरक्षक (Lightning conductor)
तडितरक्षक हे इमारतींना विजेच्या आघातापासून वाचवणारे एक महत्त्वाचे उपकरण आहे.
- रचना:
- तडितरक्षक म्हणजे तांब्याची एक लांब पट्टी असते.
- या पट्टीचे एक टोक इमारतीच्या सर्वात उंच भागावर असते. या टोकाला भाल्याप्रमाणे तीक्ष्ण अग्रे असतात.
- पट्टीचे दुसरे टोक जमिनीच्या आत बिडाच्या जाड पट्ट्याला जोडलेले असते.
- जमिनीतील खड्ड्यात कोळसा व मीठ घालून हा जाड पट्टा उभा केला जातो.
- त्यात पाणी टाकण्याची सोय असते, ज्यामुळे वीज चटकन जमिनीत पसरली जाते.
- कार्यपद्धती:
- विद्युतप्रभारित ढग इमारतीवरून जाताच, इमारतीकडे प्रवाहित होणारे विद्युतप्रभार तडितरक्षकाच्या तीक्ष्ण अग्रांमुळे आकर्षित होतात.
- हे प्रभार तांब्याच्या पट्टीमार्फत थेट जमिनीत पोहोचवले जातात.
- यामुळे इमारतीचे नुकसान टळते, कारण वीज इमारतीवर न पडता सुरक्षितपणे जमिनीत जाते.
- उंच इमारतीवर तडितरक्षक बसवल्याने आजूबाजूच्या परिसराचेही वीज पडण्यापासून संरक्षण होते.
तडितरक्षकाचे घटक आणि त्यांचे कार्य: | घटक | कार्य | |---|---| | तीक्ष्ण अग्रे | वातावरणातील विद्युतप्रभार आकर्षित करून त्यांना पट्टीकडे वळवतात. (प्रवर्तनाने प्रभार निर्माण करतात) | | तांब्याची पट्टी | विजेचा प्रभार सुरक्षितपणे जमिनीकडे वाहून नेण्यासाठी उत्तम विद्युतवाहक. | | बिडाचा जाड पट्टा | जमिनीतील प्रभार शोषून घेण्यासाठी मोठा पृष्ठभाग पुरवतो. | | कोळसा व मीठ | जमिनीची विद्युतवाहकता वाढवतात, ज्यामुळे प्रभार अधिक चांगल्या प्रकारे जमिनीत पसरतो. | | पाणी | जमिनीची विद्युतवाहकता टिकवून ठेवण्यासाठी मदत करते. |
'हे नेहमी लक्षात ठेवा': विजेच्या आघातापासून बचाव कसा करावा याची माहिती आपत्ती व्यवस्थापनाच्या पाठातून मिळते. उदा. खुल्या मैदानात असल्यास गुडघ्यावर बसून डोके गुडघ्यात खुपसून घेणे, विजेच्या खांबांपासून दूर राहणे.
तडितरक्षक: विजेच्या आघातापासून इमारतींचे संरक्षण करण्यासाठी वापरले जाणारे उपकरण.
तडितरक्षकाचा वरचा भाग टोकदार का असतो आणि जमिनीतील खड्ड्यात कोळसा व मीठ का टाकतात, हे प्रश्न परीक्षेत वारंवार विचारले जातात.
