विद्युत धारा: यह क्या है?

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फील्ड: बुनियादी विद्युत

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विद्युत धारा क्या है?

विद्युत धारा एक आवेशित कणों—जैसे इलेक्ट्रॉन या आयनों—की धारा के रूप में परिभाषित की जाती है, जो विद्युत चालक या स्थान में गति करते हैं। यह आवेश के प्रवाह की दर को समय के सापेक्ष दर्शाती है। विद्युत धारा को गणितीय रूप से (जैसे सूत्रों में) "I" या "i" संकेत द्वारा दर्शाया जाता है। धारा की इकाई एम्पियर या एम्प होती है, जिसे A द्वारा निरूपित किया जाता है।

गणितीय रूप से, समय के सापेक्ष आवेश का प्रवाह निम्न प्रकार से व्यक्त किया जा सकता है,

$\begin{align*} I = \frac {dQ} {dt} \end{align*}$

दूसरे शब्दों में, एक आवेशित कणों की धारा जो एक विद्युत चालक या स्थान में प्रवाहित होती है, विद्युत धारा के रूप में जानी जाती है। गतिशील आवेशित कणों को आवेश वाहक कहा जाता है, जो इलेक्ट्रॉन, होल, आयन आदि हो सकते हैं।

धारा का प्रवाह चालक माध्यम पर निर्भर करता है। उदाहरण के लिए:

चालक में, धारा का प्रवाह इलेक्ट्रॉनों के कारण होता है।
अर्धचालकों में, धारा का प्रवाह इलेक्ट्रॉनों या होलों के कारण होता है।
इलेक्ट्रोलाइट में, धारा का प्रवाह आयनों के कारण होता है और
प्लाज्मा—एक आयनित गैस में, धारा का प्रवाह आयनों और इलेक्ट्रॉनों के कारण होता है।

जब दो बिंदुओं के बीच विद्युत संभावित अंतर लगाया जाता है, तो चालक माध्यम में विद्युत धारा उच्च संभावित से निम्न संभावित की ओर प्रवाहित होना शुरू करती है। वोल्टेज या संभावित अंतर जितना अधिक, दो बिंदुओं के बीच धारा उतनी ही अधिक प्रवाहित होती है।

यदि सर्किट में दो बिंदु समान संभावित पर हैं, तो धारा प्रवाहित नहीं हो सकती। धारा का परिमाण दो बिंदुओं के बीच के वोल्टेज या संभावित अंतर पर निर्भर करता है। इसलिए, हम कह सकते हैं कि धारा वोल्टेज का प्रभाव है।

विद्युत धारा विद्युत चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न कर सकती है, जो इंडक्टर, ट्रांसफॉर्मर, जेनरेटर और मोटर में प्रयोग किए जाते हैं। विद्युत चालकों में, धारा रेसिस्टिव हीटिंग या जूल हीटिंग का कारण बनती है, जो प्रदीप्त लैंप में प्रकाश उत्पन्न करती है।

समय-परिवर्ती विद्युत धारा विद्युत चुंबकीय तरंगें उत्पन्न करती है, जो संचार में डेटा प्रसारण के लिए प्रयोग की जाती हैं।

एसी विरुद्ध डीसी धारा

आवेश के प्रवाह के आधार पर, विद्युत धारा दो प्रकारों में वर्गीकृत की जाती है, अर्थात् एक्सीटिंग करंट (एसी) और सीधी धारा (डीसी)।

एसी धारा

विद्युत आवेश का नियमित रूप से विपरीत दिशा में प्रवाह जाना एक्सीटिंग करंट (एसी) कहलाता है। एसी को "एसी करंट" भी कहा जाता है। यद्यपि यह तकनीकी रूप से एक ही बात को दो बार कहना है "एसी करंट करंट"।

एक एक्सीटिंग करंट नियमित अंतरालों पर अपनी दिशा बदलती है।

एक्सीटिंग करंट शून्य से शुरू होती है, फिर अधिकतम तक पहुंचती है, फिर शून्य तक घटती है, फिर विपरीत दिशा में अधिकतम तक पहुंचती है, फिर फिर से मूल मान तक लौटती है और इस चक्र को अनंत रूप से दोहराती है।

एक्सीटिंग करंट तरंग रूप का प्रकार साइनसोइडल, त्रिकोणीय, वर्ग, टूथ, आदि हो सकता है।

तरंग रूप की विशेषता महत्वपूर्ण नहीं है—जब तक यह एक दोहरावशील तरंग रूप है।

हालांकि, अधिकांश विद्युत परिपथों में, एक्सीटिंग करंट का आम तरंग रूप एक साइन तरंग होता है। एक एक्सीटिंग करंट के रूप में देखी जा सकने वाली एक आम साइन तरंग नीचे दिए गए चित्र में दिखाई गई है।

एक ऑल्टरनेटर एक प्रतिलोम धारा उत्पन्न कर सकता है। ऑल्टरनेटर एक विशेष प्रकार का विद्युत जनित्र होता है जो प्रतिलोम धारा उत्पन्न करने के लिए डिज़ाइन किया गया है।

प्रतिलोम धारा विद्युत शक्ति औद्योगिक और आवासीय अनुप्रयोगों में व्यापक रूप से उपयोग की जाती है।

सीधी धारा

केवल एक दिशा में विद्युत आवेश का प्रवाह जिसे सीधी धारा (DC) कहा जाता है। DC को "DC Current" भी कहा जाता है। यद्यपि यह तकनीकी रूप से दो बार एक ही चीज को कहना है "Direct Current Current"।

चूंकि DC केवल एक दिशा में प्रवाहित होता है; इसलिए इसे एकांकी धारा भी कहा जाता है। नीचे दिए गए छवि में सीधी धारा का तरंग रूप दिखाया गया है।

सीधी धारा बैटरी, सौर सेल, ईंधन सेल, थर्मोकपल, कम्युटेटर प्रकार के विद्युत जनित्र, आदि द्वारा उत्पन्न किया जा सकता है। एक प्रतिलोम धारा को एक रेक्टिफायर का उपयोग करके सीधी धारा में परिवर्तित किया जा सकता है।

सीधी धारा विद्युत शक्ति आमतौर पर कम वोल्टेज अनुप्रयोगों में उपयोग की जाती है। अधिकांश इलेक्ट्रॉनिक सर्किट एक सीधी धारा पावर सप्लाई की आवश्यकता होती है।

विद्युत धारा किसमें मापी जाती है (धारा इकाइयाँ)?

धारा की SI इकाई एम्पियर या एम्प है। इसे A से दर्शाया जाता है। एम्पियर, या एम्प विद्युत धारा की आधार SI इकाई है। इकाई एम्पियर का नाम महान भौतिकविद एंड्रिया मारिया एम्पियर के सम्मान में रखा गया है।

SI प्रणाली में, 1 एम्पियर दो बिंदुओं के बीच विद्युत आवेश का प्रवाह एक कुलंब प्रति सेकंड की दर से होता है। इस प्रकार,

$\begin{align*} 1 \,\, Ampere = \frac {1\,\,Coulomb} {1\,\,Second} = \frac {C} {S} \end{align*}$

इसलिए विद्युत धारा को कूलॉम प्रति सेकंड या C/S में भी मापा जाता है।

विद्युत धारा सूत्र

धारा के लिए मूलभूत सूत्र हैं:

धारा, वोल्टेज और प्रतिरोध के बीच का संबंध (ओह्म का नियम)
धारा, शक्ति और वोल्टेज के बीच का संबंध
धारा, शक्ति और प्रतिरोध के बीच का संबंध

ये संबंध नीचे दिए गए चित्र में सारांशित किए गए हैं।

धारा सूत्र 1 (ओह्म का नियम)

ओह्म के नियम के अनुसार,

$\begin{align*} V = I*R \end{align*}$

इस प्रकार,

$\begin{align*} I = \frac{V}{R}\,\,A \end{align*}$

उदाहरण

नीचे दिए गए परिपथ में दिखाया गया है, $24\,\,V$ आपूर्ति वोल्टता प्रतिरोध के साथ $12\,\,\Omega$ लगाई गई है। प्रतिरोधक में प्रवाहित होने वाली धारा का निर्धारण कीजिए।

समाधान:

दिया गया डेटा: $V=24\,\,V ,\,\, R=12\,\,\Omega$

ओह्म के नियम के अनुसार,

$\begin{align*} & I = \frac{V}{R} \\ & = \frac{24}{12} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

इस प्रकार, समीकरण का उपयोग करके, हम प्रतिरोधक में प्रवाहित होने वाली धारा $2\,\,A$ प्राप्त करते हैं।

धारा सूत्र 2 (शक्ति और वोल्टेज)

स्थानांतरित शक्ति आपूर्ति वोल्टेज और विद्युत धारा का गुणनफल होती है।

$\begin{align*} P = V*I \end{align*}$

इस प्रकार, हम धारा को शक्ति वोल्टेज से विभाजित के बराबर प्राप्त करते हैं। गणितीय रूप से,

$\begin{align*} I = \frac{P}{V}\,\,A \end{align*}$

जहाँ $A$ अम्पीयर या एम्प्स (विद्युत धारा के इकाई) के लिए होता है।

उदाहरण

नीचे दिखाए गए सर्किट में, $24\,\,V$ वोल्ट का आपूर्ति वोल्टेज लगाया गया है। $48\,\,W$ लैंप पर। $48\,\,W$ लैंप द्वारा लिया गया विद्युत धारा निर्धारित करें।हल:

दिए गए डेटा: $V=24\,\,V ,\,\, P=48\,\,W$

सूत्र के अनुसार,

$\begin{align*} & I = \frac{P}{V} \\ & = \frac{48}{24} \\ & I = 2\,\,A \end{align*}$

इस प्रकार, उपरोक्त समीकरण का उपयोग करके $48\,\,W$ लैंप द्वारा लिया गया विद्युत धारा $2\,\,A$ के बराबर है।

धारा सूत्र 3 (शक्ति और प्रतिरोध, ओहमिक नुकसान, प्रतिरोधी गर्मी)

हम जानते हैं कि, $P = V * I$

अब ओम के नियम $V = I * R$ को उपरोक्त समीकरण में प्रतिस्थापित करने पर हम पाते हैं,

$\begin{align*} P = I^2*R \end{align*}$

इस प्रकार, विद्युत धारा शक्ति और प्रतिरोध के अनुपात का वर्गमूल है। गणितीय रूप से, इसका सूत्र निम्न है:

$\begin{align*} I = \sqrt{\frac{P}{R}}\,\,A \end{align*}$

उदाहरण

नीचे दिए गए परिपथ में, $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ लैंप द्वारा लिया गया विद्युत धारा निर्धारित करें

हल:

दिया गया डेटा: $P=100\,\,W ,\,\, R=20\,\,\Omega$

ऊपर दिखाए गए विद्युत धारा, शक्ति और प्रतिरोध के बीच संबंध के अनुसार:

$\begin{align*} & I = \sqrt{\frac{P}{R}} \\ & = \sqrt{\frac{100}{20}} \\ & = \sqrt{5} \\ & I = 2.24\,\,A \end{align*}$

इस प्रकार, समीकरण का उपयोग करके, हम पाते हैं कि $100\,\,W$ , $20\,\,\Omega$ लैंप द्वारा लिया गया विद्युत धारा $2.24\,\,A$ है।

विद्युत धारा की आयाम

मास (M), लंबाई (L), समय (T) और एम्पियर (A) के संदर्भ में विद्युत धारा के आयाम $M^0L^0T^-^1Q$ द्वारा दिए जाते हैं।

विद्युत धारा (I) कोलंब प्रति सेकंड के रूप में निरूपित किया जाता है। इसलिए,

$\begin{align*} I = \frac{Q}{t} = \frac{[Q]}{[T]} = QT^-^1 = M^0L^0T^-^1Q \end{align*}$

पारंपरिक धारा विरुद्ध इलेक्ट्रॉन प्रवाह

पारंपरिक धारा प्रवाह और इलेक्ट्रॉन प्रवाह के बीच एक थोड़ा सा गलत धारणा है। आइए दोनों के बीच के अंतर को समझने का प्रयास करें।

चालकों में विद्युत आवेश को ले जाने वाले कण स्वतंत्र या मुक्त इलेक्ट्रॉन हैं। विद्युत क्षेत्र की दिशा, परिभाषा के अनुसार, सकारात्मक परीक्षण आवेशों को धकेली जाती है। इस प्रकार, ये नकारात्मक आवेश वाले कण, अर्थात् इलेक्ट्रॉन, विद्युत क्षेत्र के विपरीत दिशा में प्रवाहित होते हैं।

इलेक्ट्रॉन सिद्धांत के अनुसार, जब चालक पर वोल्टेज या संभावित अंतर लगाया जाता है, तो आवेशित कण परिपथ में प्रवाहित होते हैं, जो विद्युत धारा का गठन करते हैं।

ये आवेशित कण उच्च संभावना से निम्न संभावना की ओर, अर्थात् बैटरी के सकारात्मक टर्मिनल से बाहरी परिपथ द्वारा बैटरी के नकारात्मक टर्मिनल की ओर प्रवाहित होते हैं।

लेकिन, धातुचालक में, सकारात्मक आवेशित कण निश्चित स्थिति में रहते हैं, और नकारात्मक आवेशित कण, अर्थात् इलेक्ट्रॉन, स्वतंत्र रूप से चल सकते हैं। अर्धचालकों में, आवेशित कणों का प्रवाह सकारात्मक या नकारात्मक हो सकता है।

सकारात्मक आवेश वाहकों और नकारात्मक आवेश वाहकों का विपरीत दिशा में प्रवाह विद्युत परिपथ में एक ही प्रभाव देता है। चूंकि धारा का प्रवाह या तो सकारात्मक या नकारात्मक आवेशों, या दोनों के कारण होता है, इसलिए धारा की दिशा के लिए एक रीति की आवश्यकता होती है जो आवेश वाहकों के प्रकार से स्वतंत्र हो।

पारंपरिक धारा की दिशा सकारात्मक आवेश वाहकों के प्रवाह की दिशा मानी जाती है, अर्थात् उच्च संभावना से निम्न संभावना की ओर। इसलिए, नकारात्मक आवेश वाहक, अर्थात् इलेक्ट्रॉन, पारंपरिक धारा प्रवाह की विपरीत दिशा में, अर्थात् निम्न संभावना से उच्च संभावना की ओर प्रवाहित होते हैं। इस प्रकार, पारंपरिक धारा और इलेक्ट्रॉन प्रवाह विपरीत दिशा में जाते हैं, जो नीचे दिए गए चित्र में दिखाया गया है।

direction of coventional current and electron flow — पारंपरिक धारा और इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा

पारंपरिक धारा: बैटरी के धनात्मक सिरे से ऋणात्मक सिरे तक धनात्मक आवेश वाहकों का प्रवाह पारंपरिक धारा के रूप में जाना जाता है।
इलेक्ट्रॉन प्रवाह: इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह इलेक्ट्रॉन धारा के रूप में वर्णित होता है। बैटरी के ऋणात्मक सिरे से धनात्मक सिरे तक ऋणात्मक आवेश वाहक - अर्थात् इलेक्ट्रॉनों - का प्रवाह इलेक्ट्रॉन प्रवाह के रूप में जाना जाता है। इलेक्ट्रॉन प्रवाह पारंपरिक धारा प्रवाह का विपरीत होता है।

नीचे दिए गए चित्र में पारंपरिक धारा और इलेक्ट्रॉन प्रवाह की दिशा दिखाई गई है।

पारंपरिक धारा प्रवाह और इलेक्ट्रॉन प्रवाह

पारंपरिक धारा और चालन प्रवाह

संवहन धारा

संवहन धारा तरल, गैस या वाक्यूम जैसे अचालक माध्यम से धारा प्रवाह को संदर्भित करता है।

संवहन धारा के लिए चालक की आवश्यकता नहीं होती; इसलिए यह ओम के नियम को संतुष्ट नहीं करती। संवहन धारा का एक उदाहरण वाक्यूम ट्यूब है, जिसमें कैथोड द्वारा उत्सर्जित इलेक्ट्रॉन वाक्यूम में ऐनोड तक प्रवाहित होते हैं।

चालन धारा

किसी भी चालक से प्रवाहित होने वाली धारा को चालन धारा कहा जाता है। चालन धारा के लिए चालक की आवश्यकता होती है; इसलिए यह ओम के नियम को संतुष्ट करती है।

विस्थापन धारा

नीचे दिए गए चित्र में दिखाए गए वोल्टेज स्रोत V के साथ समानांतर रूप से जोड़े गए एक प्रतिरोधक और कैपासिटर के माध्यम से धारा प्रवाह की प्रकृति एक दूसरे से अलग होती है।

प्रतिरोधक पर वोल्टेज या संभावित अंतर एक निरंतर धारा प्रवाह को उत्पन्न करता है, जो निम्नलिखित समीकरण द्वारा दिया जाता है,

$\begin{align*} I_1 = \frac{V}{R} \end{align*}$

यह धारा "चालन धारा" कहलाती है।

अब केपेसिटर के माध्यम से धारा केवल तभी प्रवाहित होती है जब केपेसिटर के सिरों पर वोल्टेज बदलता है, जो निम्न समीकरण द्वारा दिया गया है,

$\begin{align*} I_2 = \frac{dQ}{dt} = C \frac{dV}{dt} \end{align*}$

यह धारा "स्थानांतरण धारा" कहलाती है।

भौतिक रूप से, स्थानांतरण धारा एक धारा नहीं है, क्योंकि इसमें आवेशों की तरह किसी भौतिक राशि का प्रवाह नहीं होता है।

धारा को कैसे मापें

विद्युत और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में, धारा मापन एक आवश्यक पैरामीटर है जिसे मापना चाहिए।

एक ऐसा उपकरण जो विद्युत धारा को माप सकता है, वह अमीटर कहलाता है। धारा को मापने के लिए अमीटर को सर्किट के साथ श्रृंखला में जोड़ा जाना चाहिए जिसकी धारा मापनी है।

निम्न चित्र में रेजिस्टर के माध्यम से धारा को अमीटर द्वारा मापना दिखाया गया है।

विद्युत धारा को गैल्वेनोमीटर द्वारा भी मापा जा सकता है। गैल्वेनोमीटर धारा की दिशा और मात्रा दोनों देता है।

धारा को सर्किट को न तोड़े उसके संबंधित चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाकर मापा जा सकता है। धारा को मापने के लिए विभिन्न उपकरण हैं जो सर्किट को न तोड़े धारा को माप सकते हैं।

विद्युत धारा के बारे में सामान्य प्रश्न

आइए हम विद्युत धारा से संबंधित कुछ सामान्य प्रश्नों का अध्ययन करें।

किस उपकरण का उपयोग विद्युत धारा मापने के लिए इलेक्ट्रोमैग्नेट का उपयोग किया जाता है?

गैल्वेनोमीटर एक मापन यंत्र है जो विद्युत धारा मापने के लिए इलेक्ट्रोमैग्नेट का उपयोग करता है।

गैल्वेनोमीटर एक निरपेक्ष यंत्र है; यह विद्युत धारा को डिफलेक्शन कोण के टेन्जेंट के रूप में मापता है।

गैल्वेनोमीटर विद्युत धारा को सीधे माप सकता है, लेकिन इसमें सर्किट को टूटना शामिल होता है; इसलिए कभी-कभी यह असुविधाजनक हो सकता है।

विद्युत धारा किस प्रकार चुंबकीय बल उत्पन्न करती है?

एक धारा-वहन करने वाला चालक चुंबकीय क्षेत्र में रखा गया होगा, तो इस पर एक बल कार्य करेगा क्योंकि धारा किसी भी चार्जों के प्रवाह से अधिक कुछ नहीं है।

एक धारा-वहन करने वाले चालक को ध्यान में रखें, जिसमें धारा प्रवाहित होती है, जैसा कि नीचे दिए गए चित्र (a) में दिखाया गया है। फ्लेमिंग के दाहिने हाथ के नियम के अनुसार; यह धारा घड़ी की सुई की दिशा में एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करेगी।

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विद्युत धारा द्वारा उत्पन्न चुंबकीय बल

चालक के चुंबकीय क्षेत्र का परिणाम यह है कि यह चालक के ऊपर के चुंबकीय क्षेत्र को बल देगा और नीचे को कमजोर कर देगा।

क्षेत्र रेखाएं फैले हुए रबर की बैंड जैसी होती हैं; इसलिए वे चालक को नीचे की ओर धकेलेंगी, अर्थात् बल नीचे की ओर होगा, जैसा कि चित्र (b) में दिखाया गया है।

यह उदाहरण कहता है कि चुंबकीय क्षेत्र में धारा-वाही चालक पर बल का अनुभव होता है। निम्नलिखित समीकरण धारा-वाही चालक पर चुंबकीय बल के परिमाण को निर्धारित करता है।

$\begin{align*} F_B = BIL\,\,Sin\theta \end{align*}$

धारा प्रवाहित करने के लिए यह आवश्यक है

धारा प्रवाहित करने के लिए निम्नलिखित आवश्यक है:

दो बिंदुओं के बीच विभवांतर जो मौजूद हो। यदि सर्किट में दो बिंदु समान विभव पर हैं, तो धारा प्रवाहित नहीं हो सकती।
एक वोल्टेज स्रोत या धारा स्रोत, जैसे एक बैटरी या सेल जो धारा के रूप में गठित होने वाले स्वतंत्र इलेक्ट्रॉनों को बल देता है।
इलेक्ट्रिक चार्ज ले जाने वाला एक चालक या तार।
सर्किट बंद या पूर्ण होना चाहिए। यदि सर्किट खुले हों, तो धारा प्रवाहित नहीं हो सकती।

ये धारा प्रवाहित करने के लिए आवश्यक शर्तें हैं। नीचे दिया गया चित्र एक बंद सर्किट में धारा प्रवाहित होती दिखाता है।

विद्युत धारा और स्थैतिक विद्युत के बीच का अंतर

विद्युत धारा और स्थैतिक विद्युत के बीच प्रमुख अंतर यह है कि विद्युत धारा में इलेक्ट्रॉन या चार्ज चालक के माध्यम से प्रवाहित होते हैं।

जबकि, स्थैतिक विद्युत में, चार्ज आराम पर होते हैं और पदार्थ की सतह पर एकत्रित होते हैं।

विद्युत धारा इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह के कारण होती है, जबकि स्थैतिक विद्युत एक वस्तु से दूसरी वस्तु में ऋणात्मक चार्ज के कारण होती है।

विद्युत धारा केवल चालक में उत्पन्न होती है, जबकि स्थैतिक विद्युत चालक या अचालक दोनों में उत्पन्न हो सकती है।

विद्युत धारा चुंबकीय ध्रुव पर कैसे प्रभाव डालती है?

हम जानते हैं कि जब विद्युत धारा प्रवाहित होती है, अर्थात् विद्युत चार्ज गति करता है, तो यह एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है। यदि हम एक चुंबक को चुंबकीय क्षेत्र में रखते हैं, तो इस पर एक बल का अनुभव होता है।

विद्युत आवेश, अर्थात विद्युत धारा के लिए, समान चुंबकीय ध्रुव प्रतिकर्षित होते हैं और विपरीत चुंबकीय ध्रुव विकर्षित होते हैं। इसलिए, हम कह सकते हैं कि विद्युत धारा चुंबकीय क्षेत्र के माध्यम से चुंबकीय ध्रुव पर प्रभाव डालती है।