પાયાની વિદ્યુતની રાશિઓ: વિદ્યુતપ્રવાહ, વોલ્ટેજ, પાવર

વોલ્ટેજ અને વિદ્યુતપ્રવાહ બંને વિદ્યુતમાં ખુબ જ મહત્વની સંકલ્પના છે. અપને સૌપ્રથમ આ પાયાની વિદ્યુત રાશિઓ માટે માનસિક મૉડેલ બનાવીશું. આપણે પાવર વિશે પણ વાત કરીશું, જ્યારે વોલ્ટેજ અને વિદ્યુતપ્રવાહ એકસાથે કામ કરે ત્યારે તે થાય છે.

પ્રકૃતિના અવલોકન પરથી વિદ્યુતની સંકલ્પના ઉદ્દભવી છે. આપણે પદાર્થો વચ્ચે, ગુરુત્વની જેમ જ, અમુક અંતરે, બળનું અવલોકન કરીએ છીએ. આ બળના સ્ત્રોતને વીજભાર નામ આપેલું છે. વિદ્યુતબળ વિશે નોંધવા જેવી બાબત એ છે કે તે મોટું છે, ગુરુત્વાકર્ષણ બળ કરતા ઘણું જ મોટું. તેમછતાં, ગુરુત્વથી વિપરીત, ત્યાં વીજભારના બે પ્રકાર છે. વીજભારના વિરુદ્ધ પ્રકાર આકર્ષે છે, અને વીજભારના સમાન પ્રકાર અપાકર્ષે છે. ગુરુત્વ પાસે ફક્ત એક જ પ્રકાર હોય છે: તે ફક્ત આકર્ષે છે, ક્યારેય અપાકર્ષતું નથી.

કોપર પરમાણુના કાલ્પનિક ચિત્રમાં બતાવ્યા મુજબ, સુવાહકો પરમાણુઓના બનેલા છે જેના બાહ્ય, અથવા સંયોજકતા, ઈલેક્ટ્રોન પાસે તેના ન્યુક્લિયસ સાથે સાપેક્ષમાં નિર્બળ બંધ હોય છે. જ્યારે ધાતુના ઘણા પરમાણુઓ એકસાથે હોય, ત્યારે તેઓ બાહ્ય ઈલેક્ટ્રોન એકબીજા સાથે વહેંચે છે, ઇલેક્ટ્રોનનું "જૂથ" બનાવે છે જે ન્યુક્લિયસ સાથે જોડાયેલું નથી. ખુબ જ નાનું વિદ્યુતબળ ઇલેક્ટ્રોનના આ જૂથને ગતિ કરાવી શકે. કોપર, સોનું, ચાંદી, અને એલ્યુમિનિયમ સારા સુવાહકો છે. તેથી મીઠાનું પાણી પણ.

ત્યાં હલકા સુવાહકો પણ છે. ટંગસ્ટન—લાઈટ બલ્બના ફિલામેન્ટ માટે ઉપયોગી ધાતુ—અને કાર્બન—હીરા સ્વરૂપમાં—સાપેક્ષમાં હલકા સુવાહકો છે કારણકે તેમના ઈલેક્ટ્રોન ગતિ કરવા માટે ઓછા સક્ષમ હોય છે.

અવાહકો એવા પદાર્થો છે જેના બાહ્ય ઈલેક્ટ્રોન તેમના ન્યુક્લિયસની સાથે મજબૂતાઈથી જોડાયેલા હોય છે. ઓછું વિદ્યુત બળ પણ આ ઈલેક્ટ્રોનને મુક્ત ખેંચવા માટે સક્ષમ નથી. જ્યારે વિદ્યુતબળ લાગુ પાડવામાં આવે, ત્યારે પરમાણુની આસપાસ ઈલેક્ટ્રોન વાદળ ખેંચાય છે અને બળના પ્રતિચારમાં આકાર બદલે છે, પણ ઈલેક્ટ્રોન ગતિ કરતા નથી. કાચ, પ્લાસ્ટિક, પથ્થર, અને હવા અવાહકો છે. અવાહકો માટે, ઇલેક્ટ્રોનને એકબીજાથી દૂર લઇ જવા ખુબ વધુ વિદ્યુતબળની જરૂર હોય છે—તેને બ્રેકડાઉન કહેવામાં આવે છે. જ્યારે તમે તણખો જુઓ ત્યારે હવાના અણુઓ વચ્ચે ખરેખર આ થાય છે.

અર્ધવાહકો એ સુવાહકો અને અવાહકોની વચ્ચે આવતા પદાર્થો છે. તેઓ સામાન્ય રીતે અવાહક તરીકે વર્તે છે, પણ આપણે ચોક્કસ પરિસ્થિતિઓ હેઠળ તેમને સુવાહકોની જેમ વર્તતા બનાવી શકીએ ખુબ જ જાણીતી અર્ધવાહક પદાર્થ સિલિકોન (પરમાણુક્રમાંક $14$‍) છે. સિલિકોનના સુવાહક અને અવાહક ગુણધર્મોને સારી રીતે નિયંત્રણ કરવાની આપણી ક્ષમતા આપણને આધુનિક સાધનો જેવા કે કમ્પ્યુટર અને મોબાઈલ ફોન બનાવવા માટે ઉપયોગી છે. અર્ધવાહક સાધનો કઈ રીતે કામ કરે છે તેની પરમાણ્વીય-સ્તરની માહિતી ક્વોન્ટમ યંત્રશાસ્ત્રના સિદ્ધાંત પર આધારિત છે.

વીજભારનું વહન એ વિદ્યુતપ્રવાહ છે.

વિદ્યુતપ્રવાહમાં વીજભારનું થાય છે.

સીમામાંથી એકમ સમયમાં પસાર થતા વીજભારની સંખ્યાને વિદ્યુતપ્રવાહ કહેવામાં આવે છે. તાર વડે સીમાની કલ્પના કરવી. તમે સીમાની નજીક રહો અને પસાર થતા વીજભારની સંખ્યાની ગણતરી કરો. એક સેકન્ડમાં સીમામાંથી કેટલો વીજભાર પસાર થાય છે તે નોંધો. ધન વીજભાર જે દિશામાં ગતિ કરશે તેને અનુરૂપ આપણે વિદ્યુતપ્રવાહને ધન નિશાની આપીએ છીએ.

વિદ્યુતપ્રવાહ એ ચોક્કસ સમયગાળામાં સીમામાંથી પસાર થતા વીજભારનો જથ્થો છે, તેથી નીચેના સમીકરણનો ઉપયોગ કરીને તેને ગાણિતિક રીતે દર્શાવી શકાય:

આ ટૂંકમાં વિદ્યુતપ્રવાહ છે.

ધાતુમાં વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન કોણ કરે છે? ધાતુમાં ઈલેક્ટ્રોન મુક્ત ગતિ કરી શકે છે, તેથી ગતિ કરતા ઈલેક્ટ્રોન ધાતુમાં વિદ્યુતપ્રવાહ બનાવે છે. ધાતુના પરમાણુમાં ધન ન્યુક્લિયસનું સ્થાન નિશ્ચિત હોય છે અને વિદ્યુતપ્રવાહમાં કોઈ યોગદાન આપતું નથી. ઈલેક્ટ્રોન પાસે ઋણ વીજભાર હોય છે અને મોટે ભાગે વિદ્યુત પરિપથમાં બધું જ કાર્ય કરે છે, તો પણ આપણે ધન વીજભારની ગતિની દિશાને ધન વિદ્યુતપ્રવાહ તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરીએ છીએ. આ ખુબ જ જૂની ઐતિહાસિક પરંપરા છે.

શું ધન વીજભાર વડે વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થઈ શકે? હા. ત્યાં ઘણા બધા ઉદાહરણ છે. મીઠાના પાણીમાં ધન અને ઋણ બંને વીજભાર વડે વિદ્યુતપ્રવાહનું વહન થાય છે: જો આપણે પાણીમાં સામાન્ય મીઠું નાખીએ, તો તે સારું સુવાહક બને છે. સામાન્ય મીઠું સોડિયમ ક્લોરાઈડ, NaCl છે. મીઠું પાણીમાં, મુક્ત-વહન કરતા Na${}^{+}$‍ અને Cl${}^{-}$‍ આયનમાં ઓગળે છે. બંને આયનો વિદ્યુતબળને પ્રતિચાર આપે છે અને મીઠાના પાણીના દ્રાવણમાં, વિરુદ્ધ દિશામાં વહન કરે છે. આ પરિસ્થિતિમાં, વિદ્યુતપ્રવાહ ગતિ કરતા પરમાણુઓ, ધન ને ઋણ આયન બંનેનો બનેલો છે, ફક્ત ઈલેક્ટ્રોન ગુમાવતો નથી. વિદ્યુતપ્રવાહની સમાન વ્યાખ્યા જ કામ કરે: ચોક્કસ સમયગાળામાં પસાર થતા વીજભારની સંખ્યાની ગણતરી કરો.

વિદ્યુતપ્રવાહ શેના કારણે છે? વીજભારિત પદાર્થો વિદ્યુત અને ચુંબકીય બળના કારણે ગતિ કરે છે. આ બળ વિદ્યુત અને ચુંબકીય ક્ષેત્ર પરથી આવે છે, જે બીજા વીજભારની ગતિ અને સ્થાન પરથી આવે છે.

વિદ્યુતપ્રવાહની ઝડપ શું છે? આપણે સામાન્ય રીતે વિદ્યુતપ્રવાહની ઝડપ વિશે વાત કરતા નથી. પ્રશ્નનો જવાબ, "વિદ્યુતપ્રવાહ કેટલો ઝડપથી વહન કરે છે?" આ માટે ભૌતિકવિજ્ઞાનની જટિલ ઘટનાની સમજ જરૂરી છે વિદ્યુતપ્રવાહ મીટર પ્રતિ સેકન્ડ નથી, તે વીજભાર પ્રતિ સેકન્ડ છે. ઘણી વાર, મોટે ભાગે આપણે "કેટલો વિદ્યુતપ્રવાહ વહે છે?" એ જ પ્રશ્નનો જવાબ આપીએ છીએ.

આપણે વિદ્યુતપ્રવાહ વિશે કઈ રીતે વાત કરી શકીએ? વિદ્યુતપ્રવાહની ચર્ચા કરતી વખતે, શબ્દો જેવા કે વડે અને માં ખુબ જ મહત્વના છે. વિદ્યુતપ્રવાહ અવરોધ વડે વહન પામે છે, વિદ્યુતપ્રવાહ તારમાં વહન કરે છે. જો તમે સાંભળો, "વિદ્યુપ્રવાહ એક બાજુથી બીજી બાજુ...", તે થોડું વિચિત્ર લાગે.

વોલ્ટેજની સંકલ્પનાનો આધાર સમજવા માટે, તેની સમરૂપતાને જોઈએ:

દળ $m$‍ માટે, ઊંચાઈ $h$‍ માં ફેરફારને અનુરૂપ સ્થિતિ ઊર્જામાં ફેરફાર, $\mathrm{\Delta }U=mg\mathrm{\Delta }h$‍.

વીજભારિત કણ $q$‍ માટે, વોલ્ટેજ $V$‍ ને અનુરૂપ સ્થિતિ ઊર્જામાં ફેરફાર, $\mathrm{\Delta }U=qV$‍.

વિદ્યુત પરિપથમાં વોલ્ટેજ $g\cdot \mathrm{\Delta }h$‍ ના ગુણકારને સમરૂપ છે. જ્યાં $g$‍ ગુરુત્વને કારણે પ્રવેગ છે અને $\mathrm{\Delta }h$‍ ઊંચાઈમાં થતો ફેરફાર છે.

ખડકની ટોચ પરથી એક બોલ નીચે ગબડે છે. જ્યારે તે નીચે અડધે હોય, ત્યારે તેણે તેની અડધી સ્થિતિ ઊર્જા આપી છે.

વોલ્ટેજ "ખડક"ની ટોચ પરનો ઈલેક્ટ્રોન પરિપથના તાર અને ઘટકોમાંથી "નીચે" ગતિ કરે છે.તે તેની સ્થિતિ ઊર્જા આપે છે, સાથે કાર્ય પણ કરે છે. જ્યારે ઈલેક્ટ્રોન ખડક પર અડધે હોય, ત્યારે તે તેની અડધી સ્થિતિ ઊર્જા "ગુમાવે" છે.

બોલ અને ઈલેક્ટ્રોન બંને માટે, ખડકની નીચે તરફની મુસાફરી જાતે જ થાય છે. બોલ અને ઈલેક્ટ્રોન જાતે જ ઓછી ઊર્જાવાળી અવસ્થા તરફ ગતિ કરે છે. નીચે તરફની મુસાફરીમાં, બોલના માર્ગમાં કેટલીક વસ્તુઓ આવી શકે, જેમ કે ઝાડ અથવા ઉછળે છે. ઈલેક્ટ્રોન માટે, આપણે તારનો ઉપયોગ કરીને ઇલેક્ટ્રોનને માર્ગ બતાવી શકીએ અને વિદ્યુત ઘટકો —પરિપથ ડિઝાઇન— માંથી તેમનું વહન કરાવી શકીએ અને કેટલીક રસપ્રદ બાબતો કરી શકીએ.

આપણે વીજભાર વડે અનુભવાતી ઊર્જાના ફેરફાર તરીકે બે બિંદુઓ વચ્ચે વોલ્ટેજને ગાણિતીક રીતે દર્શાવી શકીએ:

આ ટૂંકમાં વોલ્ટેજનું વર્ણન છે.

પાવરને સમયગાળા દરમિયાન રૂપાંતરણ પામતી અથવા વાહન પામતી દર ઊર્જા તરીકે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવે છે. આપણે જૂલ/સેકન્ડના એકમમાં પાવરને માપીએ છીએ, જેને વોટ કહેવમાં આવે છે.

($1\text{વોટ}=1\text{જૂલ}/\text{સેકન્ડ}$‍)

વિદ્યુત પરિપથ પાવરનું વહન કરવા માટે સક્ષમ હોય છે. વિદ્યુતપ્રવાહ વીજભારના વહનનો દર છે, અને વોલ્ટેજને રૂપાંતર પામતી ઊર્જા પ્રતિ એકમ વીજભાર માપવામાં આવે છે. આપણે પાવર માટેના સમીકરણમાં આ વ્યાખ્યાઓ મૂકી શકીએ:

વિદ્યુત પાવર વોલ્ટેજ અને વિદ્યુતપ્રવાહનો ગુણાકાર છે. વોટના એકમમાં.

વોલ્ટેજ અને વિદ્યુતપ્રવાહ માટેની આ માનસિક પ્રતિકૃતિ આપણને વિદ્યુત પરિપથની બધી જ રસપ્રદ બાબતો શરૂ કરાવશે.

જો તમે વોલ્ટેજની આ અસાહજિક સમજની ઉપર જવા માંગતા હોવ, તો તમે આ વિદ્યુતસ્થિતિમાનનો તફાવત અને વોલ્ટેજ નો વધુ ગાણિતીક વર્ણનનો આર્ટિકલ વાંચી શકો.