Class-10 Science भौतिकी Ch-3 विद्युत Electricity

3. विद्युत (Electricity)

विद्युत आधुनिक विज्ञान का अत्यंत महत्वपूर्ण भाग है। हमारे घरों, विद्यालयों, उद्योगों तथा इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों का संचालन विद्युत ऊर्जा से होता है। इस अध्याय में विद्युत धारा, परिपथ, प्रतिरोध, शक्ति, ऊर्जा तथा घरेलू विद्युत व्यवस्था का अध्ययन किया जाता है।

3.1 विद्युत धारा एवं परिपथ

विद्युत (Electricity)

आवेशों के प्रवाह से उत्पन्न ऊर्जा को विद्युत कहते हैं।

विद्युत आवेश (Electric Charge)

किसी वस्तु का वह गुण जिसके कारण वह आकर्षण या विकर्षण का प्रभाव उत्पन्न करती है, विद्युत आवेश कहलाता है।

आवेश के प्रकार

धन आवेश (Positive Charge)

जिस वस्तु में इलेक्ट्रॉनों की कमी हो जाती है वह धनावेशित कहलाती है।

उदाहरण:

• कांच की छड़ को रेशम से रगड़ना

ऋण आवेश (Negative Charge)

जिस वस्तु में इलेक्ट्रॉनों की अधिकता हो जाती है वह ऋणावेशित कहलाती है।

उदाहरण:

• एबोनाइट की छड़ को फर से रगड़ना

आवेशों के गुण

समान आवेश

एक-दूसरे को विकर्षित करते हैं।

असमान आवेश

एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।

आवेश संरक्षण का नियम

कुल विद्युत आवेश सदैव स्थिर रहता है। इसे न उत्पन्न किया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है।

परमाणु की संरचना

परमाणु

पदार्थ का सूक्ष्मतम कण।

इलेक्ट्रॉन

• ऋणावेशित कण
• नाभिक के बाहर उपस्थित

प्रोटॉन

• धनावेशित कण
• नाभिक में उपस्थित

न्यूट्रॉन

• उदासीन कण
• नाभिक में उपस्थित

मुक्त इलेक्ट्रॉन (Free Electrons)

धातुओं में उपस्थित वे इलेक्ट्रॉन जो स्वतंत्र रूप से गति कर सकते हैं।

चालक (Conductors)

जिन पदार्थों में विद्युत धारा आसानी से प्रवाहित होती है।

उदाहरण:

• तांबा
• एल्युमिनियम
• चाँदी

कुचालक (Insulators)

जिन पदार्थों में विद्युत धारा प्रवाहित नहीं होती।

उदाहरण:

• लकड़ी
• प्लास्टिक
• रबर

अर्धचालक (Semiconductors)

जिनकी चालकता चालक एवं कुचालक के बीच होती है।

उदाहरण:

• सिलिकॉन
• जर्मेनियम

विद्युत धारा (Electric Current)

विद्युत आवेश के प्रवाह की दर को विद्युत धारा कहते हैं।

विद्युत धारा का सूत्र

I=QtI = \frac{Q}{t}I=tQ​

जहाँ,

• I = धारा
• Q = आवेश
• t = समय

SI मात्रक

एम्पियर (Ampere)

1 एम्पियर की परिभाषा

यदि किसी चालक में 1 सेकंड में 1 कूलाम आवेश प्रवाहित हो तो धारा 1 एम्पियर कहलाती है।

कूलाम (Coulomb)

विद्युत आवेश का SI मात्रक।

विद्युत धारा की दिशा

परंपरागत दिशा

धन से ऋण की ओर मानी जाती है।

इलेक्ट्रॉनों की वास्तविक दिशा

ऋण से धन की ओर होती है।

विद्युत धारा के प्रभाव

ऊष्मीय प्रभाव

धारा प्रवाहित होने पर ऊष्मा उत्पन्न होती है।

चुंबकीय प्रभाव

धारा के कारण चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है।

रासायनिक प्रभाव

धारा रासायनिक परिवर्तन उत्पन्न करती है।

विद्युत धारा के प्रकार

स्थिर धारा (DC)

जिस धारा की दिशा स्थिर रहती है।

उदाहरण:

• सेल
• बैटरी

प्रत्यावर्ती धारा (AC)

जिस धारा की दिशा समय-समय पर बदलती रहती है।

उदाहरण:

• घरेलू विद्युत धारा

आवृत्ति (Frequency)

AC धारा प्रति सेकंड जितनी बार दिशा बदलती है उसे आवृत्ति कहते हैं।

भारत में:

$$50Hz$$

विद्युत विभव (Electric Potential)

एकांक धन आवेश को किसी बिंदु तक लाने में किया गया कार्य विद्युत विभव कहलाता है।

विद्युत विभव का सूत्र

V=WQV = \frac{W}{Q}V=QW​

विभवांतर (Potential Difference)

दो बिंदुओं के बीच प्रति इकाई आवेश को ले जाने में किया गया कार्य विभवांतर कहलाता है।

विभवांतर का सूत्र

V=WQV = \frac{W}{Q}V=QW​

SI मात्रक

वोल्ट (Volt)

1 वोल्ट की परिभाषा

यदि 1 कूलाम आवेश को ले जाने में 1 जूल कार्य किया जाए तो विभवांतर 1 वोल्ट होगा।

विद्युत वाहक बल (EMF)

सेल द्वारा प्रदान किया गया कुल विभवांतर विद्युत वाहक बल कहलाता है।

विद्युत परिपथ (Electric Circuit)

विद्युत धारा के प्रवाह का बंद मार्ग विद्युत परिपथ कहलाता है।

विद्युत परिपथ के प्रकार

खुला परिपथ (Open Circuit)

जिसमें धारा प्रवाहित नहीं होती।

बंद परिपथ (Closed Circuit)

जिसमें धारा प्रवाहित होती है।

लघुपथन (Short Circuit)

फेज एवं न्यूट्रल के सीधे संपर्क में आने से अत्यधिक धारा प्रवाहित होना।

विद्युत परिपथ के अवयव

विद्युत सेल (Electric Cell)

रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलने वाला उपकरण।

सेल के भाग

• एनोड
• कैथोड
• इलेक्ट्रोलाइट

प्राथमिक सेल

एक बार उपयोग किए जाने वाले सेल।

उदाहरण:

• ड्राई सेल

द्वितीयक सेल

बार-बार चार्ज किए जा सकने वाले सेल।

उदाहरण:

• बैटरी

बैटरी (Battery)

दो या दो से अधिक सेल का संयोजन।

स्विच / कुंजी

परिपथ को खोलने एवं बंद करने वाला उपकरण।

चालक तार

धारा प्रवाहित करने वाला तार।

प्रतिरोधक (Resistor)

धारा के प्रवाह का विरोध करने वाला उपकरण।

रियोस्टेट (Rheostat)

परिवर्ती प्रतिरोध वाला उपकरण।

विद्युत बल्ब

विद्युत ऊर्जा को प्रकाश ऊर्जा में बदलता है।

LED बल्ब

कम ऊर्जा में अधिक प्रकाश प्रदान करता है।

फ्यूज (Fuse)

अधिक धारा से सुरक्षा प्रदान करने वाला उपकरण।

फ्यूज तार की विशेषताएँ

• निम्न गलनांक
• उच्च प्रतिरोध

मापन यंत्र

एमीटर (Ammeter)

विद्युत धारा मापने वाला यंत्र।

विशेषताएँ

• श्रेणी क्रम में जोड़ा जाता है
• कम प्रतिरोध होता है

वोल्टमीटर (Voltmeter)

विभवांतर मापने वाला यंत्र।

विशेषताएँ

• समांतर क्रम में जोड़ा जाता है
• अधिक प्रतिरोध होता है

गैल्वेनोमीटर (Galvanometer)

अत्यल्प धारा का पता लगाने वाला यंत्र।

मल्टीमीटर (Multimeter)

धारा, विभव तथा प्रतिरोध मापने वाला यंत्र।

3.2 ओम का नियम एवं प्रतिरोध

जॉर्ज साइमन ओम

जर्मन वैज्ञानिक जिन्होंने ओम का नियम दिया।

ओम का नियम (Ohm’s Law)

स्थिर ताप पर किसी चालक में प्रवाहित धारा उसके सिरों के विभवांतर के समानुपाती होती है।

ओम के नियम का कथन

$$V\propto I$$

या

$$V=IR$$

जहाँ,

• V = विभवांतर
• I = धारा
• R = प्रतिरोध

ओमीय चालक

जो ओम के नियम का पालन करते हैं।

उदाहरण:

• धातुएँ

अनओमीय चालक

जो ओम के नियम का पालन नहीं करते।

उदाहरण:

• डायोड
• ट्रांजिस्टर

V-I ग्राफ

ओमीय चालक

सीधी रेखा प्राप्त होती है।

अनओमीय चालक

वक्र रेखा प्राप्त होती है।

प्रतिरोध (Resistance)

धारा के प्रवाह का विरोध प्रतिरोध कहलाता है।

प्रतिरोध का सूत्र

R=VIR = \frac{V}{I}R=IV​

SI मात्रक

ओम (Ω)

1 ओम की परिभाषा

यदि 1 वोल्ट विभवांतर पर 1 एम्पियर धारा प्रवाहित हो तो प्रतिरोध 1 ओम होगा।

प्रतिरोध के प्रकार

स्थिर प्रतिरोध

जिसका मान स्थिर रहता है।

परिवर्ती प्रतिरोध

जिसका मान बदला जा सकता है।

प्रतिरोध को प्रभावित करने वाले कारक

चालक की लंबाई

$$R\propto l$$

लंबाई बढ़ने पर प्रतिरोध बढ़ता है।

अनुप्रस्थ क्षेत्रफल

R∝1AR \propto \frac{1}{A}R∝A1​

क्षेत्रफल बढ़ने पर प्रतिरोध घटता है।

पदार्थ का प्रकार

प्रत्येक पदार्थ की प्रतिरोधकता अलग होती है।

तापमान

धातुओं में ताप बढ़ने पर प्रतिरोध बढ़ता है।

प्रतिरोधकता (Resistivity)

किसी पदार्थ का विशिष्ट प्रतिरोध प्रतिरोधकता कहलाता है।

प्रतिरोधकता का सूत्र

ρ=RAl\rho = \frac{RA}{l}ρ=lRA​

SI मात्रक

ओम-मीटर (Ωm)

उच्च प्रतिरोधकता वाले पदार्थ

• नाइक्रोम
• टंगस्टन

निम्न प्रतिरोधकता वाले पदार्थ

• तांबा
• चाँदी

अतिचालक (Superconductors)

अत्यंत कम ताप पर शून्य प्रतिरोध वाले पदार्थ।

विद्युत चालकता

धारा प्रवाहित करने की क्षमता।

3.3 प्रतिरोधों का संयोजन

श्रेणी क्रम संयोजन (Series Combination)

जब प्रतिरोध एक के बाद एक जुड़े हों।

विशेषताएँ

• धारा समान रहती है
• विभवांतर विभाजित होता है

कुल प्रतिरोध

R=R1+R2+R3R = R_1 + R_2 + R_3R=R1​+R2​+R3​

उपयोग

• सजावटी बल्ब

हानि

एक बल्ब खराब होने पर पूरा परिपथ बंद हो जाता है।

समांतर क्रम संयोजन (Parallel Combination)

जब प्रतिरोध समान बिंदुओं से जुड़े हों।

विशेषताएँ

• विभवांतर समान रहता है
• धारा विभाजित होती है

कुल प्रतिरोध

1R=1R1+1R2\frac{1}{R} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}R1​=R1​1​+R2​1​

समांतर संयोजन के लाभ

• उपकरण स्वतंत्र रूप से कार्य करते हैं
• खराबी का प्रभाव अन्य उपकरणों पर नहीं पड़ता
• प्रत्येक उपकरण को समान विभव प्राप्त होता है

घरेलू वायरिंग में उपयोग

घर के सभी उपकरण समांतर क्रम में जोड़े जाते हैं।

मिश्रित संयोजन

श्रेणी एवं समांतर दोनों संयोजनों का मिश्रण।

3.4 विद्युत शक्ति एवं ऊर्जा

विद्युत कार्य (Electric Work)

विद्युत धारा द्वारा किया गया कार्य।

विद्युत कार्य का सूत्र

$$W=VIt$$

SI मात्रक

जूल (Joule)

विद्युत शक्ति (Electric Power)

कार्य करने की दर को शक्ति कहते हैं।

विद्युत शक्ति का सूत्र

P=WtP = \frac{W}{t}P=tW​ $$P=VI$$ P=I2RP = I^2RP=I2R P=V2RP = \frac{V^2}{R}P=RV2​

SI मात्रक

वाट (Watt)

1 वाट की परिभाषा

यदि 1 सेकंड में 1 जूल कार्य किया जाए तो शक्ति 1 वाट होगी।

किलोवाट

$$1kW=1000W$$

हॉर्स पावर

$$1HP=746W$$

विद्युत ऊर्जा (Electric Energy)

उपयोग की गई कुल विद्युत ऊर्जा।

विद्युत ऊर्जा का सूत्र

$$E=Pt$$

या

$$E=VIt$$

SI मात्रक

जूल

व्यावसायिक मात्रक

किलोवाट घंटा (kWh)

1 यूनिट

1kWh=3.6×106J1kWh = 3.6 \times 10^6 J1kWh=3.6×106J

विद्युत मीटर

उपयोग की गई विद्युत ऊर्जा मापने वाला यंत्र।

विद्युत बिल

उपयोग की गई यूनिट × प्रति यूनिट दर।

जूल का ऊष्मीय नियम (Joule’s Law of Heating)

धारा प्रवाहित होने पर चालक में ऊष्मा उत्पन्न होती है।

जूल के नियम का सूत्र

H=I2RtH = I^2RtH=I2Rt

जूल के नियम के अनुप्रयोग

• विद्युत इस्त्री
• हीटर
• गीजर
• टोस्टर
• इलेक्ट्रिक केतली

तापदीप्त बल्ब

फिलामेंट गर्म होकर प्रकाश उत्पन्न करता है।

फिलामेंट

अत्यधिक प्रतिरोध वाला पतला तार।

टंगस्टन का उपयोग क्यों किया जाता है

• उच्च गलनांक
• उच्च प्रतिरोध

विद्युत सुरक्षा

अर्थिंग (Earthing)

अतिरिक्त धारा को पृथ्वी में भेजने की प्रक्रिया।

MCB (Miniature Circuit Breaker)

अधिक धारा होने पर स्वतः परिपथ बंद कर देता है।

ओवरलोडिंग

आवश्यकता से अधिक उपकरण जोड़ने पर अधिक धारा प्रवाहित होना।

शॉर्ट सर्किट

फेज एवं न्यूट्रल का सीधा संपर्क।

विद्युत झटका

शरीर से धारा का गुजरना।

सुरक्षा उपाय

• गीले हाथ से स्विच न छुएँ
• खराब तार का उपयोग न करें
• अर्थिंग आवश्यक रखें
• खुले तारों से दूर रहें

घरेलू विद्युत व्यवस्था

फेज तार

धारा लाने वाला तार।

न्यूट्रल तार

धारा वापस ले जाने वाला तार।

अर्थ तार

सुरक्षा प्रदान करने वाला तार।

घरेलू विद्युत आपूर्ति

भारत में:

$$220V$$

मीटर बोर्ड के भाग

• ऊर्जा मीटर
• फ्यूज
• MCB
• मुख्य स्विच

तीन-पिन प्लग

• फेज
• न्यूट्रल
• अर्थ

दो-पिन प्लग

अर्थिंग नहीं होती।

विद्युत उत्पादन के स्रोत

जल विद्युत

पानी से विद्युत उत्पादन।

ताप विद्युत

कोयले से विद्युत उत्पादन।

परमाणु विद्युत

नाभिकीय ऊर्जा से विद्युत उत्पादन।

सौर ऊर्जा

सूर्य से विद्युत उत्पादन।

पवन ऊर्जा

हवा से विद्युत उत्पादन।

विद्युत के लाभ

• स्वच्छ ऊर्जा
• सरल नियंत्रण
• तीव्र कार्य क्षमता

विद्युत की हानियाँ

• विद्युत झटका
• आग लगने का खतरा
• शॉर्ट सर्किट

महत्वपूर्ण वैज्ञानिक

माइकल फैराडे

विद्युत चुंबकीय प्रेरण की खोज।

जेम्स वाट

शक्ति की इकाई वाट।

जॉर्ज ओम

ओम का नियम दिया।

महत्वपूर्ण सूत्र

I=QtI = \frac{Q}{t}I=tQ​ V=WQV = \frac{W}{Q}V=QW​ $$V=IR$$ R=VIR = \frac{V}{I}R=IV​ ρ=RAl\rho = \frac{RA}{l}ρ=lRA​ $$P=VI$$ $$W=VIt$$ $$E=Pt$$ H=I2RtH = I^2RtH=I2Rt

महत्वपूर्ण मात्रक

• धारा → एम्पियर
• आवेश → कूलाम
• विभवांतर → वोल्ट
• प्रतिरोध → ओम
• शक्ति → वाट
• ऊर्जा → जूल
• प्रतिरोधकता → ओम-मीटर

बोर्ड परीक्षा हेतु महत्वपूर्ण प्रश्न

• ओम का नियम लिखिए।
• प्रतिरोध को प्रभावित करने वाले कारक लिखिए।
• श्रेणी एवं समांतर संयोजन में अंतर लिखिए।
• जूल का नियम लिखिए।
• फ्यूज एवं MCB में अंतर लिखिए।
• विद्युत शक्ति एवं ऊर्जा समझाइए।
• घरेलू विद्युत परिपथ का चित्र बनाइए।
• अर्थिंग का महत्व लिखिए।