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विद्युत् धारा का नोट्स : यहाँ देखें विद्युत् धारा से जुड़ी सभी महत्वपूर्ण जानकारियां

सामान्य विज्ञान सभी सरकारी नौकरी परीक्षाओं के संबंध में सबसे महत्वपूर्ण सेक्शन में से एक है, चाहे वहSSC CGL या RRB NTPC CBT 2। यह किसी भी प्रतियोगी परीक्षा में कम से कम समय में अधिकतम मार्क्स प्राप्त करने में उम्मीदवार की मदद करता है। इसमें आपको सही उत्तर के लिए जटिल गणना करने की आवश्यकता नहीं होती है, इसलिए इस सेक्शन में अधिक मार्क्स प्राप्त करने के लिए तथ्यों और आंकड़ों को पहले से तैयार रखना होता हैं। यहां हम परीक्षा की दृष्टि से महत्वपूर्ण भौतिकी से संबंधित महत्वपूर्ण नोट्स, परिभाषाओं, अवधारणाओं, नियमों, सूत्रों, और विशेषताओं पर विस्तृत नोट्स प्रदान कर रहे हैं।

विद्युत धारा (Electric Current)

विद्युत धारा को इकाई समय में किसी विशेष क्षेत्र से प्रवाहित होने वाले आवेश की मात्रा द्वारा व्यक्त किया जाता है। यह विद्युत आवेशों के प्रवाह की दर है। यदि एक शुद्ध आवेश Q, समय t में किसी चालक के किसी अनुप्रस्थ काट में प्रवाहित होता है, तो अनुप्रस्थ काट से प्रवाहित धारा I होगा-

I = Q/t

विद्युत आवेश की SI इकाई कूलम्ब (C) है, जो लगभग 6 ✖ 10¹⁸ इलेक्ट्रॉनों में निहित आवेश के बराबर होता है।

विद्युत धारा को एम्पीयर (A) नामक इकाई द्वारा व्यक्त किया जाता है। एक एम्पीयर प्रति सेकंड एक कूलम्ब आवेश का प्रवाह है, अर्थात 1A = 1C/1s।

उदाहरण: किसी विद्युत बल्ब के तंतु द्वारा 10 मिनट के लिए 0.5 A की धारा ली जाती है। परिपथ से प्रवाहित होने वाले विद्युत आवेश की मात्रा ज्ञात कीजिए।

हल :
दिया गया हैं- I = 0.5 A; t = 10 min = 600 s.
चुकी Q = It
= 0.5 A × 600 s
= 300 C

विद्युत विभव और विभवांतर (ELECTRIC POTENTIAL AND POTENTIAL DIFFERENCE)

किसी विद्युत परिपथ में दो बिंदुओं के बीच विद्युत विभवान्तर में कुछ धारा होती है, जो एक इकाई आवेश को एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाने के लिए किया गया कार्य होती है।

दो बिंदुओं के बीच विभवांतर(V) = किया गया कार्य (W)/चार्ज (Q)
V = W/Q

विद्युत विभवांतर की SI इकाई वोल्ट (V) है, जिसका नाम इटली के भौतिक विज्ञानी एलेसेंड्रो वोल्टा (1745-1827) के नाम पर रखा गया है। एक वोल्ट किसी धारावाही चालक में दो बिंदुओं के बीच का विभवान्तर होता है जब 1 कूलम्ब आवेश को एक बिंदु से दूसरे बिंदु तक ले जाने के लिए 1 जूल कार्य किया जाता है।

विभवांतर को वोल्टमीटर नामक उपकरण के माध्यम से मापा जाता है। वाल्टमीटर हमेशा उन बिंदुओं के समानांतर जुड़ा होता है जिनके बीच विभवांतर को मापा जाना है।

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सुचालक में विद्युत धाराएं (ELECTRIC CURRENTS IN CONDUCTORS)

अन्य पदार्थों में, विशेष रूप से धातु, कुछ इलेक्ट्रॉन थोक सामग्री के भीतर स्थानांतरित करने के लिए व्यावहारिक रूप से स्वतंत्र हैं। इन पदार्थों, जिन्हें आमतौर पर सुचालक(कंडक्टर) कहा जाता है, विद्युत क्षेत्र प्रयुक्त होने पर उनमें विद्युत धाराएं विकसित करते हैं।

ठोस सुचालक में :

  • जब कोई विद्युत क्षेत्र मौजूद न हो- किसी भी दिशा में संचरण करने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या विपरीत दिशा में संचरण करने वाले इलेक्ट्रॉनों की संख्या के बराबर होगी। तो, कोई शुद्ध विद्युत प्रवाह नहीं होगा।
  • यदि एक विद्युत क्षेत्र प्रयुक्त होता है- तो एक विद्युत क्षेत्र बनाया जाएगा और इसे धनात्मक से ऋणात्मक आवेश की ओर निर्देशित किया जाएगा। वे इस प्रकार आवेशों को बेअसर(neutralize) करने के लिए आगे बढ़ेंगे। इलेक्ट्रॉन, जब तक वे गतिमान हैं, एक विद्युत प्रवाह का निर्माण करेंगे।

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ओम का नियम (OHM’S LAW)

कल्पना करें कि एक सुचालक , जिसके माध्यम से I धारा प्रवाहित हो रहा है और V को सुचालक के सिरों के बीच का विभवांतर हैं। तो ओम का नियम कहता है कि:

V ∝ I
or, V = R I;

जहाँ आनुपातिक स्थिरांक R चालक का प्रतिरोध कहलाता है। प्रतिरोध का SI मात्रक ओम है, और इसे Ω प्रतीक द्वारा निरूपित किया जाता है।

चालक का प्रतिरोध निम्नलिखित पर निर्भर करता है-

  • इसकी लंबाई पर,
  • क्रॉस-सेक्शन के अपने क्षेत्र पर, और
  • इसकी सामग्री की प्रकृति पर।

ओम के नियम की सीमाएं (LIMITATIONS OF OHM’S LAW)

  • V, I के समानुपाती होना बंद कर देता है।
  • V और I के बीच का संबंध V के चिन्ह पर निर्भर करता है। दूसरे शब्दों में, यदि I एक निश्चित V के लिए धारा है, तो V का परिमाण स्थिर रखते हुए इसकी दिशा को उल्टा करने पर यह उतनी धारा उत्पन्न नहीं करता हैं जितना विपरीत दिशा में उत्पन्न करता है।
  • V और I के बीच संबंध अद्वितीय नहीं है, अर्थात, समान धारा I के लिए V के एक से अधिक मान होते हैं I ऐसा व्यवहार प्रदर्शित करने वाली सामग्री GaAs है।

प्रतिरोधकता (RESISTIVITY)

एक समान धात्विक चालक का प्रतिरोध उसकी लंबाई (l) के समानुपाती और अनुप्रस्थ काट (A) के क्षेत्रफल के व्युत्क्रमानुपाती होता है। अर्थात्,

R ∝ l और
R ∝ 1/A

दोनों को मिलाकर, हम प्राप्त करते हैं

R ∝ l/A
or, R = ρl/A

जहाँ ρ (rho) आनुपातिक स्थिरांक है और इसे चालक के पदार्थ की विद्युत प्रतिरोधकता कहते हैं। प्रतिरोधकता का SI मात्रक m है। यह पदार्थ का एक विशिष्ट गुण है।

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विभिन्न पदार्थों की प्रतिरोधकता(RESISTIVITY OF VARIOUS MATERIALS)

  • किसी पदार्थ की प्रतिरोधकता तापमान पर निर्भर करती है।
  • मिश्र धातु की प्रतिरोधकता आमतौर पर इसके घटक धातुओं की तुलना में अधिक होती है। मिश्र धातु उच्च तापमान पर आसानी से ऑक्सीकरण (जला) नहीं करते हैं। इस कारण से, वे आमतौर पर विद्युत ताप उपकरणों में उपयोग किए जाते हैं, जैसे बिजली का आयरन(electric iron), टोस्टर, आदि। टंगस्टन का उपयोग लगभग विशेष रूप से बिजली के बल्बों के तंतुओं के लिए किया जाता है, जबकि तांबे और एल्यूमीनियम का उपयोग आमतौर पर विद्युत संचरण लाइनों के लिए किया जाता है।
  • कुछ पदार्थ जैसे निक्रोम (जो निकल, लोहा और क्रोमियम का मिश्र धातु है) तापमान के साथ प्रतिरोधकता की बहुत कमजोर निर्भरता प्रदर्शित करता है।
  • धातुओं के विपरीत, बढ़ते तापमान के साथ अर्धचालकों की प्रतिरोधकता कम हो जाती है।

प्रतिरोध के दो प्रमुख प्रकार :

  • वायर बाउंड रेसिस्टर्स(Wire bound resistors): वे एक मिश्र धातु के तारों को घुमाकर बनाए जाते हैं, जैसे, मैंगनीन, कॉन्स्टेंटन, नाइक्रोम या इसी तरह के अन्य। इन पदार्थों की पसंद ज्यादातर इस तथ्य से तय होती है कि उनकी प्रतिरोधकता तापमान के प्रति अपेक्षाकृत असंवेदनशील होती है। ये प्रतिरोध आम तौर पर एक ओम के अंश से लेकर कुछ सौ ओम तक की सीमा में होते हैं।
  • कार्बन प्रतिरोध(Carbon Resistors): उच्च श्रेणी में प्रतिरोध ज्यादातर कार्बन से बने होते हैं। कार्बन प्रतिरोधक कॉम्पैक्ट, सस्ते होते हैं और इस प्रकार इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में व्यापक उपयोग होते हैं। कार्बन प्रतिरोध आकार में छोटे होते हैं और इसलिए उनके मान एक रंग कोड का उपयोग करके दिए जाते हैं।.

धारा और अनुगमन वेग (ड्रिफ्ट वेलॉसिटी) के बीच संबंध

  • जब एक विद्युत क्षेत्र प्रयुक्त होता है, तो विद्युत बल के कारण कंडक्टर के अंदर एक इलेक्ट्रॉन का पथ सामान्य रूप से सीधी रेखाओं के बजाय घुमावदार (परवलयिक) हो जाता है, और इलेक्ट्रॉन अनुगमन(B) के विपरीत हो जाता हैं।
  • इस अनुगमन के कारण, इलेक्ट्रॉनों की यादृच्छिक गति संशोधित हो जाती है और क्रॉस-सेक्शन में इलेक्ट्रॉनों का शुद्ध स्थानांतरण होता है जिसके परिणामस्वरूप धारा बनती है।
  • अनुगमन वेग एक विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा धातु के अंदर मुक्त इलेक्ट्रॉनों द्वारा प्राप्त औसत एकसमान वेग है जो इसके माध्यम से धारा प्रवाह के लिए जिम्मेदार है।

विद्युत ऊर्जा और शक्ति

विद्युत परिपथ में जिस दर से विद्युत ऊर्जा का क्षय या उपभोग होता है उसे विद्युत शक्ति कहा जाता है। शक्ति P को निम्नलिखित द्वारा दर्शाया जाता है-

P = VI
Or P = I²R = V²/R

विद्युत शक्ति का SI मात्रक वाट (W) है। यह एक उपकरण द्वारा खपत की जाने वाली शक्ति है जो 1 V के विभवान्तर पर संचालित होने पर 1 A धारा वहन करती है। इस प्रकार,

1 W = 1 volt × 1 ampere = 1 V A

विद्युत ऊर्जा की व्यावसायिक इकाई किलोवाट-घंटा (kW h) है, जिसे आमतौर पर ‘यूनिट’ के रूप में जाना जाता है।

श्रृंखला में और समानांतर में सेल (CELLS IN SERIES AND IN PARALLEL)

सेल: सेल एक ऐसा उपकरण है जो रासायनिक ऊर्जा का उपयोग करके बिजली उत्पन्न करता है। एक सेल में दो इलेक्ट्रोड होते हैं, जिन्हें धनात्मक (P) और ऋणात्मक (N) कहा जाता है, जो इलेक्ट्रोलाइटिक घोल में डूबा हुआ होता है जहां इलेक्ट्रोड इलेक्ट्रोलाइट के साथ आवेश का आदान-प्रदान करते हैं।

नोट :-

  • बाहरी सर्किट के माध्यम से कैथोड से एनोड तक करंट प्रवाहित होता है।
  • इलेक्ट्रोलाइट के माध्यम से एनोड से कैथोड तक करंट प्रवाहित होता है।

EMF (इलेक्ट्रोमोटिव बल): इसे इलेक्ट्रोड के बीच विभवान्तर के रूप में परिभाषित किया जाता है जब सेल में करंट नहीं होता है। सेल का ईएमएफ सेल में करंट का प्रवाह शुरू करता है।

आंतरिक प्रतिरोध : यह इलेक्ट्रोलाइट और इलेक्ट्रोड द्वारा दिया जाने वाला प्रतिरोध है जब करंट प्रवाहित होता है। इसे ‘r’ से दर्शाया जाता है

श्रृंखला में सेल

  • जब कई सेल को इस तरह व्यवस्थित किया जाता है कि एक सेल का धनात्मक टर्मिनल दूसरे सेल के ऋणात्मक टर्मिनल से जुड़ा होता है और इसी तरह, इसे श्रृंखला संयोजन(series combination) कहा जाता है।
  • r1, r2 आंतरिक प्रतिरोध के साथ E1 और E2 ईएमएफ की दो सेल श्रृंखला में जुड़ा होता है, इसका सूत्र इस प्रकार दिया जाता है:
  • E equivalent = E1 + E2
    r equivalent = r1 + r2

श्रृंखला संयोजन में व्यवस्थित सेल के लिए नियम:

  • n सेल के श्रृंखला संयोजन का समतुल्य ईएमएफ उनके व्यक्तिगत ईएमएफ का योग होता है, और
  • n सेल के श्रेणी संयोजन का तुल्य आंतरिक प्रतिरोध उनके आंतरिक प्रतिरोधों का योग मात्र है।

समानांतर में सेल

  • जब सेल को इस तरह से व्यवस्थित किया जाता है कि सभी सेल के धनात्मक टर्मिनल एक साथ जुड़े होते हैं और सभी ऋणात्मक टर्मिनल एक साथ जुड़े होते हैं, तो इसे समानांतर संयोजन(parallel combination) कहा जाता है।
  • r1, r2 आंतरिक प्रतिरोध के साथ E1 और E2 ईएमएफ की दो सेल समानांतर में जुड़ा होता है, तो इसका सूत्र इस प्रकार दिया जाता है:
  • 1/r equivalent = 1/r₁ + 1/r₂
    E equivalent/ r eq = E₁/r₁ + E₂/r₂

महत्वपूर्ण नोट:-

  • वोल्टेज बढ़ाने के लिए सेल को श्रृंखला में व्यवस्थित किया जाता है।
  • धारा को बढ़ाने के लिए सेल को समानांतर में व्यवस्थित किया जाता है।

विभवमापी(POTENTIOMETER)

  • यह मूल रूप से एक समान तार का एक लंबा टुकड़ा होता है, कभी-कभी कुछ मीटर लंबा होता है जिसके आर-पार एक मानक सेल जुड़ा होता है।
  • एक करंट I तार से प्रवाहित होता है जिसे परिपथ में एक चर प्रतिरोध ( R) द्वारा बदला जा सकता है। चूंकि तार एकसमान है, इसलिए A और A से l की दूरी पर स्थित किसी भी बिंदु के बीच विभवान्तर होगा-.
  • E(l) = ⌽l
    जहां ⌽ प्रति इकाई लंबाई में विभव में कमी है। पोटेंशियोमीटर का एक अनुप्रयोग ईएमएफ ε1 and ε2 की दो सेल के ईएमएफ की तुलना करना है जिसका समीकरण नीचे दिया गया है:
    E1/E2 = l1/l2
  • पोटेंशियोमीटर का यह फायदा है कि यह मापे जा रहे वोल्टेज स्रोत से कोई करंट नहीं खींचता है।
  • पोटेंशियोमीटर का उपयोग सेल के आंतरिक प्रतिरोध को मापने के लिए भी किया जाता है।

सुचालक(Conductor):

  • वह पदार्थ जो विद्युत आवेशों को आसानी से प्रवाहित होने देता है, चालक कहलाता है। चालक धारा के प्रवाह के लिए बहुत कम प्रतिरोध उत्पन्न करता है। उदाहरण के लिए तांबा, चांदी, एल्युमिनियम आदि।

इन्सुलेटर(Insulator):

  • एक पदार्थ जिसका असीम रूप से उच्च प्रतिरोध होता है, वह विद्युत को प्रवाहित नहीं होने देता है। इसे एक इन्सुलेटर कहा जाता है। उदाहरण के लिए रबर, कांच, प्लास्टिक, एबोनाइट आदि।

कूलम्ब का नियम (Coulomb’s Law):

  • दो बिंदु आवेशों q₁ और q₂ के बीच परस्पर स्थिरवैद्युत बल गुणन q₁ q₂ के समानुपाती होता है और उन्हें अलग करने वाली दूरी r₂₁ के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है।

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