विद्ुतधारा आणि तिचे परिणाम
हा धडा विद्युतधारा आणि तिच्या विविध परिणामांवर लक्ष केंद्रित करतो. यामध्ये लेड-आम्ल विद्युतघट, निकेल-कॅडमियम घट, विद्युत परिपथ, घटांची जोडणी आणि विद्युतधारेचे चुंबकीय परिणाम यांसारख्या महत्त्वाच्या संकल्पनांचा समावेश आहे. विद्यार्थी विद्युत चुंबक आणि विद्युत घंटेच्या कार्यप्रणालीबद्दल शिकतात. हा धडा दैनंदिन जीवनातील विद्युत उपकरणांमागील मूलभूत विज्ञान समजून घेण्यासाठी महत्त्वाचा आहे.
विद्ुतघट: लेड-आम्ल घट, निकेल-कॅडमिअम घट
विद्ुतघट हे रासायनिक ऊर्जेचे विद्ुत ऊर्जेत रूपांतर करणारे उपकरण आहे. हे प्रामुख्याने दोन प्रकारचे असतात:
लेड-आम्ल विद्ुतघट (Lead-Acid Cell)
- रचना:
- एक शिशाचे (Pb) विद्ुतअग्र (ऋणप्रभारित).
- एक लेड डायऑक्साइडचे (PbO2) विद्ुतअग्र (धनप्रभारित).
- दोन्ही विद्ुतअग्र विरल सल्फ्युरिक आम्लात बुडवलेले असतात (विद्ुत अपघटनी).
- कार्य:
- घटातील रासायनिक अभिक्रियेमुळे दोन्ही विद्ुतअग्रांवर विद्ुतप्रभार तयार होतो.
- यामुळे परिपथात विद्ुतप्रवाह वाहतो.
- या घटाचे विभवांतर साधारणपणे 2V असते.
- वैशिष्ट्ये:
- पुनःप्रभारित करता येतात (rechargeable).
- मोठा विद्ुतप्रवाह पुरवण्याची क्षमता.
- उपयोग:
- मोटारी, ट्रक, मोटरसायकली.
- अखंड विद्ुतशक्ती पुरवठा यंत्रे (UPS).
निकेल-कॅडमिअम घट (Ni-Cd Cell)
- रचना: निकेल आणि कॅडमिअम धातूंचा वापर.
- कार्य: रासायनिक अभिक्रियेद्वारे विद्ुत ऊर्जा निर्माण करणे.
- वैशिष्ट्ये:
- पुनःप्रभारित करता येतात.
- 1.2 V विभवांतर देतात.
- लिथिअम-आयन घटांपेक्षा कमी ऊर्जा साठवतात, पण लेड-आम्ल घटांपेक्षा अधिक.
- उपयोग:
- स्मार्टफोन, लॅपटॉप (आधुनिक उपकरणांमध्ये आता लिथिअम-आयन घट अधिक वापरले जातात).
- इतर पोर्टेबल उपकरणे.
लिथिअम-आयन घट (Li-ion Cell) - आधुनिक पर्याय
- वैशिष्ट्ये:
- उच्च ऊर्जा घनता (Ni-Cd घटांपेक्षा अधिक ऊर्जा साठवतात).
- पुनःप्रभारित करता येतात.
- मोठा विद्ुतप्रवाह पुरवण्याची क्षमता.
- उपयोग: स्मार्टफोन, लॅपटॉप, इलेक्ट्रिक वाहने.
विद्ुतघट हे रासायनिक ऊर्जेचे विद्ुत ऊर्जेत रूपांतर करतात.
लेड-आम्ल घट आणि निकेल-कॅडमिअम घट यांच्यातील मुख्य फरक (उदा. विभवांतर, उपयोग) लक्षात ठेवा. पुनःप्रभारित करता येणारे घट (rechargeable cells) महत्त्वाचे आहेत.
विद्ुत परिपथ (Electric Circuit)
विद्ुत परिपथ म्हणजे विद्ुतधारेच्या वहनासाठी तयार केलेला बंद आणि सलग मार्ग.
- घटक:
- विद्ुतघट (Cell): विद्ुत ऊर्जेचा स्रोत.
- विद्ुत दिवा (Bulb): विद्ुत ऊर्जेचे प्रकाशात रूपांतर करणारा भार (load).
- कळ (Switch): परिपथ चालू किंवा बंद करण्यासाठी.
- विद्ुतवाहक तारा (Connecting Wires): विद्ुतधारा वाहून नेण्यासाठी.
- घटधारक (Cell Holder): घटांना सुरक्षितपणे जोडण्यासाठी.
- कार्य:
- जेव्हा कळ बंद असते (ON), तेव्हा परिपथ पूर्ण होतो आणि विद्ुतधारा वाहते, ज्यामुळे बलब प्रकाशित होतो.
- जेव्हा कळ उघडी असते (OFF), तेव्हा परिपथ खंडित होतो आणि विद्ुतधारा वाहत नाही, त्यामुळे बलब प्रकाशित होत नाही.
- घरातील विद्ुत परिपथ:
- घरांमध्येही विद्ुत परिपथ असतो, परंतु विद्ुतघटाऐवजी बाहेरील वीजपुरवठा (उदा. MSEB) वापरला जातो.
परिपथातील चिन्हे (Symbols in Circuit Diagram)
| घटक | चिन्ह | |:---|:---:| | विद्ुतघट | \( \text{—|} \text{—} \) | | बॅटरी | \( \text{—|} \text{—} \text{—|} \text{—} \) | | कळ (खुली) | \( \text{—o / o—} \) | | कळ (बंद) | \( \text{—o—o—} \) | | बलब | \( \text{—(X)—} \) | | विद्ुतरोधक | \( \text{—WW—} \) | | अॅमीटर | \( \text{—(A)—} \) | | व्होल्टमीटर | \( \text{—(V)—} \) |
विद्ुत परिपथ: विद्ुतधारेच्या वहनासाठी तयार केलेला बंद आणि सलग मार्ग.
परिपथ पूर्ण झाल्यावरच विद्ुतधारा वाहते. कळ उघडी असल्यास परिपथ खंडित होतो.
घटांची जोडणी (बॅटरी)
एकापेक्षा जास्त विद्ुतघट विशिष्ट पद्धतीने जोडल्यास त्याला घटांची बॅटरी म्हणतात. याचा मुख्य उद्देश जास्त विभवांतर मिळवणे हा असतो.
एकसर जोडणी (Series Connection)
- पद्धत:
- एका घटाचे धन टोक (+) दुसऱ्या घटाच्या ऋण टोकाला (–) जोडले जाते.
- दुसऱ्या घटाचे धन टोक तिसऱ्या घटाच्या ऋण टोकाला, असे पुढे.
- परिणामी विभवांतर:
- प्रत्येक घटाच्या विभवांतराची बेरीज होते.
- उदा. जर प्रत्येक घटाचे विभवांतर 1 V असेल आणि 3 घट एकसर जोडले असतील, तर एकूण विभवांतर \(1V + 1V + 1V = \textbf{3V}\) होईल.
- एकूण विभवांतर = \(n \times V_{cell}\) (येथे n = घटांची संख्या, \(V_{cell}\) = एका घटाचे विभवांतर).
- उपयोग:
- ट्रान्झिस्टर रेडिओमध्ये 2-3 कोरडे घट एकसर जोडणीत वापरले जातात.
- अशा जोडणीमुळे अधिक विद्ुतप्रवाह मिळवता येतो.
समांतर जोडणी (Parallel Connection) - (उच्च इयत्तांसाठी, पण माहितीसाठी)
- पद्धत:
- सर्व घटांची धन टोके (+) एकत्र जोडली जातात.
- सर्व घटांची ऋण टोके (–) एकत्र जोडली जातात.
- परिणामी विभवांतर:
- एकूण विभवांतर एका घटाच्या विभवांतराइतकेच राहते.
- परंतु, बॅटरीची क्षमता (current capacity) वाढते.
- उपयोग: जास्त काळ विद्ुतपुरवठा आवश्यक असलेल्या ठिकाणी.
बॅटरी (Battery) विरुद्ध घट (Cell)
- घट (Cell): विद्ुत ऊर्जेचा एकच स्रोत (उदा. 1.5V चा कोरडा घट).
- बॅटरी (Battery): एकापेक्षा जास्त घटांच्या जोडणीने तयार झालेला ऊर्जा स्रोत (उदा. मोटारीची बॅटरी ही अनेक लेड-आम्ल घटांची एकसर जोडणी असते).
बॅटरी: एकापेक्षा जास्त विद्ुतघटांच्या विशिष्ट जोडणीला बॅटरी म्हणतात. मुख्यत्वे एकसर जोडणी वापरली जाते.
एकसर जोडणीत घटांचे विभवांतर वाढते, तर समांतर जोडणीत क्षमता वाढते.
धारा विद्ुतचे चुंबकीय परिणाम (Magnetic effects of electric current)
विद्ुतधारेच्या चुंबकीय परिणामांचा शोध हान्स ख्रिस्तियन ओर्स्टेड यांनी लावला. हा एक महत्त्वाचा सिद्धांत आहे.
- सिद्धांत:
- जेव्हा एखाद्या तारेतून विद्ुतप्रवाह वाहतो, तेव्हा त्या तारेभोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते.
- या चुंबकीय क्षेत्रामुळे तारेजवळ ठेवलेली चुंबकसूची (compass needle) दिशा बदलते.
- ओर्स्टेडचा प्रयोग (पुनरावृत्ती):
- एका साध्या परिपथात (घट, कळ, तार) चुंबकसूची ठेवा.
- कळ चालू करताच (विद्ुतप्रवाह सुरू होताच) चुंबकसूचीची दिशा बदलते.
- कळ बंद करताच (विद्ुतप्रवाह खंडित होताच) चुंबकसूची मूळ दिशेत येते.
- यावरून सिद्ध होते की विद्ुतप्रवाहामुळे चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते.
विद्ुतचुंबक (Electromagnet)
- रचना:
- एखाद्या लोखंडी स्क्रूभोवती तांब्याची विद्ुतरोधी तार गुंडाळून कुंतल (coil) तयार करतात.
- हे कुंतल विद्ुत परिपथाला जोडले जाते.
- कार्य:
- जेव्हा कुंतलातून विद्ुतप्रवाह वाहतो, तेव्हा स्क्रूभोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते.
- यामुळे स्क्रूला चुंबकत्व प्राप्त होते आणि तो विद्ुतचुंबक म्हणून कार्य करतो.
- विद्ुतप्रवाह खंडित होताच, स्क्रूचे चुंबकत्व नाहीसे होते.
- वैशिष्ट्ये:
- तात्पुरते चुंबकत्व (Temporary Magnetism).
- विद्ुतप्रवाह नियंत्रित करून चुंबकत्वाची शक्ती नियंत्रित करता येते.
- उपयोग:
- विद्ुतघंटा (Electric Bell).
- क्रेनमध्ये जड लोखंडी वस्तू उचलण्यासाठी.
- विद्ुत मोटारी (Electric Motors).
- विज्ान संशोधनात तीव्र चुंबकीय क्षेत्र निर्माण करण्यासाठी.
विद्ुतप्रवाहामुळे चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते, याला धारा विद्ुतचा चुंबकीय परिणाम म्हणतात.
विद्ुतचुंबक: विद्ुतप्रवाहामुळे तात्पुरते चुंबकत्व प्राप्त होणारे उपकरण. प्रवाह बंद होताच चुंबकत्व नाहीसे होते.
विद्ुतघंटा (Electric Bell)
विद्ुतघंटा ही विद्ुतधारेच्या चुंबकीय परिणामावर आधारित एक महत्त्वाचे उपकरण आहे.
विद्ुतघंटेची रचना
- विद्ुतचुंबक: तांब्याची तार एका लोखंडी तुकड्यावर गुंडाळून तयार केलेले कुंतल.
- लोखंडी पट्टी (Armature): विद्ुतचुंबकाजवळ बसवलेली, टोलासहित एक लवचिक लोखंडी पट्टी.
- संपर्क स्क्रू (Contact Screw): लोखंडी पट्टीच्या संपर्कात असलेला स्क्रू.
- घंटा (Gong): टोला आदळण्यासाठी.
- कळ (Switch): परिपथ चालू/बंद करण्यासाठी.
- विद्ुतघट/बॅटरी: विद्ुत ऊर्जेचा स्रोत.
विद्ुतघंटेचे कार्य
- प्रारंभिक स्थिती: जेव्हा कळ बंद असते, तेव्हा लोखंडी पट्टी संपर्क स्क्रूला चिकटलेली असते आणि परिपथ पूर्ण असतो.
- प्रवाह सुरू: परिपथातून विद्ुतप्रवाह वाहू लागतो.
- चुंबकत्व निर्माण: विद्ुतप्रवाह कुंतलातून वाहिल्याने, कुंतलाचा विद्ुतचुंबक होतो.
- पट्टीचे आकर्षण: विद्ुतचुंबक लोखंडी पट्टीला आपल्याकडे खेचतो.
- टोला आदळणे: पट्टी खेचली गेल्याने टोला घंटेवर आदळतो आणि नाद होतो.
- संपर्क खंडित: पट्टी खेचली गेल्यामुळे तिचा संपर्क स्क्रूशी तुटतो. त्यामुळे परिपथातील विद्ुतप्रवाह खंडित होतो.
- चुंबकत्व नाहीसे: विद्ुतप्रवाह खंडित झाल्याने विद्ुतचुंबकाचे चुंबकत्व नाहीसे होते.
- पट्टी मूळ स्थितीत: चुंबकत्व नाहीसे झाल्याने लोखंडी पट्टी पुन्हा मागे येऊन संपर्क स्क्रूला चिकटते (तिच्या लवचिकतेमुळे).
- पुन्हा प्रवाह सुरू: पट्टी संपर्क स्क्रूला चिकटल्याने परिपथ पुन्हा पूर्ण होतो आणि विद्ुतप्रवाह पुन्हा सुरू होतो.
- पुनरावृत्ती: ही क्रिया वारंवार घडते आणि घंटा खणाणते.
महत्त्वाचे मुद्दे
- विद्ुतघंटा विद्ुतचुंबकाच्या तात्पुरत्या चुंबकत्वाच्या तत्त्वावर कार्य करते.
- संपर्क स्क्रू आणि लोखंडी पट्टी यांच्यातील संपर्क तुटणे आणि जोडले जाणे ही क्रिया घंटेच्या सतत वाजण्यासाठी आवश्यक आहे.
विद्ुतघंटेचे कार्य विद्ुतधारेच्या चुंबकीय परिणामावर आणि विद्ुतचुंबकाच्या तात्पुरत्या चुंबकत्वावर आधारित आहे.
विद्ुतघंटेची रचना आणि कार्यपद्धती आकृतीसह स्पष्ट करा हा प्रश्न परीक्षेत वारंवार विचारला जातो. प्रत्येक टप्पा स्पष्टपणे लिहा.
