विद्युत

यह क्यों ज़रूरी है

स्विच दबाओ और कमरा रोशन हो जाता है। चार्जर लगाओ और फ़ोन फिर से भर जाता है। तुम्हारे आसपास की लगभग हर चीज़ — पंखे, फ्रिज, फ़ोन, ट्रेनें — एक ही अनदेखी चीज़ पर चलती है जो तारों में बहती है। पर असल में बह क्या रहा है? और हीटर की कुंडली लाल गरम क्यों हो जाती है जबकि उसे बिजली देने वाला तार ठंडा रहता है?

यह अध्याय बिल्कुल यही बताता है। तुम सीखोगे कि विद्युत धारा असल में क्या है, उसे आगे क्या धकेलता है (वोल्टेज), क्या उसे रोकता है (प्रतिरोध), और वह एक सीधा-सा नियम — ओम का नियम — जो इन तीनों को आपस में जोड़ देता है। एक बार यह समझ गए, तो किसी भी साधारण परिपथ का व्यवहार तुम पहले से बता सकते हो।

और यह सिर्फ़ किताबी बात नहीं है। फ़्यूज़ “उड़” क्यों जाता है? घर के उपकरण श्रेणीक्रम (series) में क्यों नहीं, पार्श्वक्रम (parallel) में क्यों जोड़े जाते हैं? तुम्हारा बिजली का बिल “यूनिट” में क्यों मापा जाता है? अध्याय के अंत तक ये सब पूरी तरह समझ में आ जाएगा।

मुख्य विचार

धारा यानी विद्युत आवेश का बहना। एक विभवांतर (वोल्टेज) उस आवेश को तार में धकेलता है, और प्रतिरोध उसका विरोध करता है। ओम का नियम इन्हें जोड़ता है: V = IR। ज़्यादा ज़ोर से धकेलो (ज़्यादा V) तो ज़्यादा धारा मिलेगी; ज़्यादा रोको (ज़्यादा R) तो कम धारा।

पाइप में बहते पानी की कल्पना करो। वोल्टेज उस दबाव के अंतर जैसा है जो पानी को बहाता है; धारा यह है कि हर सेकंड कितना पानी बहता है; प्रतिरोध यह है कि पाइप कितना पतला या जाम है। पूरा अध्याय असल में बस यही तस्वीर है, जिसे ठीक-ठीक नापा गया है — और फिर प्रतिरोधकों के जोड़, ऊष्मा और शक्ति पर लगाया गया है।

आइए इसे समझें

विद्युत धारा

जब किसी चालक (जैसे धातु के तार) में विद्युत आवेश बहता है, तो हम कहते हैं उसमें विद्युत धारा है। धारा यानी आवेश के बहने की दर — हर सेकंड किसी बिंदु से कितना आवेश गुज़रता है।

अगर समय t में किसी अनुप्रस्थ काट से आवेश Q गुज़रता है, तो धारा I होती है:

I = Q / t

आवेश का SI मात्रक है कूलॉम (C) — लगभग 6 × 10¹⁸ इलेक्ट्रॉनों का आवेश (हर इलेक्ट्रॉन पर 1.6 × 10⁻¹⁹ C आवेश होता है)। धारा का SI मात्रक है ऐम्पियर (A): एक ऐम्पियर यानी एक सेकंड में एक कूलॉम आवेश का बहना (1 A = 1 C/s)। छोटी धाराएँ मिली-ऐम्पियर (1 mA = 10⁻³ A) या माइक्रो-ऐम्पियर (1 µA = 10⁻⁶ A) में मापी जाती हैं।

धारा ऐमीटर से मापी जाती है, जिसे हमेशा परिपथ में श्रेणीक्रम (series) में जोड़ा जाता है।

एक मज़ेदार बात जान लो: धातु के तार में असल में ऋण आवेश वाले इलेक्ट्रॉन चलते हैं। पर जब धारा का पहली बार अध्ययन हुआ तब इलेक्ट्रॉनों का पता नहीं था, इसलिए परंपरा के अनुसार धारा की दिशा वही मानी जाती है जिधर धन आवेश चलता — यानी इलेक्ट्रॉनों के बहाव के उलटी, सेल के + सिरे से − सिरे की ओर।

विभवांतर (वोल्टेज)

आवेश अपने आप नहीं बहता, जैसे समतल पाइप में पानी नहीं बहता। एक “धक्का” चाहिए — विद्युत दबाव का अंतर, जिसे विभवांतर कहते हैं। सेल या बैटरी रासायनिक ऊर्जा से यह धक्का बनाती है, धारा खींचने से पहले ही।

दो बिंदुओं के बीच विभवांतर V यानी एक इकाई आवेश (Q) को एक बिंदु से दूसरे तक ले जाने में किया गया कार्य (W):

V = W / Q

इसका SI मात्रक है वोल्ट (V)। एक वोल्ट वह विभवांतर है जब 1 जूल कार्य से 1 कूलॉम आवेश को ले जाया जाता है:

1 V = 1 J/C

विभवांतर वोल्टमीटर से मापा जाता है, जिसे हमेशा दोनों बिंदुओं के आर-पार पार्श्वक्रम (parallel) में जोड़ा जाता है।

परिपथ आरेख

हर बैटरी और बल्ब को असली जैसा बनाना धीमा काम है, इसलिए हम मानक चिह्न इस्तेमाल करते हैं। एक लगातार, बंद रास्ता ही विद्युत परिपथ है; उसे कहीं से भी तोड़ दो तो धारा रुक जाती है।

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सबसे आम चिह्न: एक सेल (लंबी रेखा +, छोटी रेखा −), एक बैटरी (कई सेल), एक स्विच/प्लग कुंजी (खुली या बंद), एक प्रतिरोधक (टेढ़ी-मेढ़ी रेखा या आयत), एक धारा-नियंत्रक/रिओस्टैट (परिवर्ती प्रतिरोध), एक ऐमीटर (A वाला गोला) और एक वोल्टमीटर (V वाला गोला)।

ओम का नियम

यह रहा सबसे ज़रूरी संबंध। 1827 में जॉर्ज साइमन ओम ने पाया कि किसी धातु चालक के आर-पार विभवांतर V उसमें बहती धारा I के सीधे अनुपात में होता है, बशर्ते तापमान वही रहे:

V ∝ I, यानी V = IR

यहाँ अचर R उस चालक का प्रतिरोध है — आवेश के बहाव का विरोध करने की उसकी प्रवृत्ति। इसका SI मात्रक है ओम (Ω)।

R = V / I और I = V / R

अगर 1 V से 1 A बहती है तो प्रतिरोध 1 Ω है। आख़िरी रूप पर ध्यान दो: एक तय वोल्टेज पर, ज़्यादा प्रतिरोध यानी कम धारा — प्रतिरोध दोगुना करो तो धारा आधी हो जाती है। जो उपकरण स्रोत बदले बिना प्रतिरोध बदलकर धारा को नियंत्रित करता है उसे रिओस्टैट कहते हैं।

ऐसे चालक के लिए V (y-अक्ष) बनाम I (x-अक्ष) का ग्राफ़ मूल बिंदु से होकर जाती एक सीधी रेखा होती है — वह सीधी रेखा ही ओम का नियम है, और उसका ढलान R है।

प्रतिरोध किन बातों पर निर्भर करता है

प्रयोग दिखाते हैं कि किसी एकसमान तार का प्रतिरोध तीन बातों पर निर्भर करता है:

• यह लंबाई (l) के सीधे अनुपात में होता है — लंबा तार ज़्यादा रोकता है।
• यह अनुप्रस्थ काट के क्षेत्रफल (A) के व्युत्क्रम अनुपात में होता है — मोटा तार कम रोकता है।
• यह तार के पदार्थ पर निर्भर करता है।

इन्हें मिलाकर:

R = ρ × (l / A)

जहाँ ρ (रो) पदार्थ की प्रतिरोधकता है — पदार्थ का अपना गुण, जो Ω m में मापा जाता है। अच्छे चालक (चाँदी, ताँबा) की प्रतिरोधकता बहुत कम (~10⁻⁸ Ω m) होती है; कुचालक (काँच, रबड़) की बहुत ज़्यादा (10¹² Ω m या उससे भी ऊपर)।

दो काम की बातें: मिश्रधातुओं (जैसे नाइक्रोम) की प्रतिरोधकता शुद्ध धातुओं से ज़्यादा होती है और गरम होने पर वे जल्दी ऑक्सीकृत (जलती) नहीं — इसीलिए टोस्टर और इस्त्री के तापन तत्व मिश्रधातु के बनते हैं। बल्ब के फ़िलामेंट के लिए टंगस्टन इस्तेमाल होता है (ऊँचा गलनांक), जबकि बिजली की लाइनों में ताँबा और ऐलुमिनियम (कम प्रतिरोधकता)।

श्रेणीक्रम में प्रतिरोधक

जब प्रतिरोधक एक के बाद एक (series) जुड़े होते हैं, तो हर एक में से एक ही धारा बहती है, और वोल्टेज जुड़ते जाते हैं। तुल्य प्रतिरोध बस उनका जोड़ होता है:

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Rₛ = R₁ + R₂ + R₃

श्रेणीक्रम में कुल प्रतिरोध किसी भी अकेले प्रतिरोधक से बड़ा होता है। नुक़सान: अगर एक भी पुर्ज़ा ख़राब हो जाए तो पूरा परिपथ टूट जाता है (पुरानी झालर की लड़ियाँ याद करो जो एक बल्ब फ्यूज़ होने पर पूरी बुझ जाती थीं)।

पार्श्वक्रम में प्रतिरोधक

जब प्रतिरोधक एक ही दो बिंदुओं के बीच अगल-बगल (parallel) जुड़े होते हैं, तो हर एक के आर-पार वोल्टेज एक समान होता है, और उनकी धाराएँ जुड़ जाती हैं। तुल्य प्रतिरोध व्युत्क्रम वाले नियम से मिलता है:

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1/Rₚ = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃

पार्श्वक्रम में कुल प्रतिरोध सबसे छोटे अकेले प्रतिरोधक से भी छोटा होता है। इसीलिए घर के उपकरण पार्श्वक्रम में जोड़े जाते हैं: हर एक को पूरा 220 V मिलता है, हर एक को अलग से चालू-बंद किया जा सकता है, और एक के ख़राब होने पर बाक़ी चलते रहते हैं।

ऊष्मीय प्रभाव और विद्युत शक्ति

धारा बनाए रखने के लिए स्रोत ऊर्जा ख़र्च करता है। केवल-प्रतिरोध वाले परिपथ में यह सारी ऊर्जा ऊष्मा में बदल जाती है — यही धारा का ऊष्मीय प्रभाव है। उत्पन्न ऊष्मा होती है:

H = VIt = I²Rt

यह जूल का तापन नियम है: ऊष्मा धारा के वर्ग के, प्रतिरोध के, और समय के सीधे अनुपात में होती है। यही हीटर, इस्त्री, टोस्टर, बल्ब — और फ़्यूज़ के पीछे है, एक पतला तार जो धारा ख़तरनाक रूप से ज़्यादा होने पर पिघलकर परिपथ तोड़ देता है।

जिस दर से ऊर्जा ख़र्च होती है वह विद्युत शक्ति है:

P = VI = I²R = V²/R

इसका SI मात्रक है वॉट (W): 1 W = 1 V × 1 A। ऊर्जा = शक्ति × समय। विद्युत ऊर्जा का व्यापारिक मात्रक है किलोवॉट-घंटा (kW h) — तुम्हारे बिजली बिल वाली “यूनिट”:

1 kW h = 3.6 × 10⁶ J

आम ग़लतियाँ

झटपट जाँच

अभ्यास के सवाल

सारांश

• धारा I = Q/t यानी आवेश के बहने की दर; SI मात्रक ऐम्पियर (A)। परंपरागत धारा इलेक्ट्रॉन के बहाव के उलट बहती है। ऐमीटर श्रेणीक्रम में से मापी जाती है।
• विभवांतर V = W/Q वह धक्का है जो धारा चलाता है; SI मात्रक वोल्ट (V) (1 V = 1 J/C)। वोल्टमीटर पार्श्वक्रम में से मापा जाता है।
• ओम का नियम: V = IR। प्रतिरोध R (ओम, Ω में) धारा का विरोध करता है। V–I ग्राफ़ मूल बिंदु से होकर सीधी रेखा होती है।
• प्रतिरोध R = ρl/A — लंबाई के सीधे अनुपात में, क्षेत्रफल के व्युत्क्रम अनुपात में, और पदार्थ की प्रतिरोधकता ρ पर निर्भर।
• श्रेणीक्रम: एक ही धारा; Rₛ = R₁ + R₂ + R₃ (किसी एक से बड़ा)। पार्श्वक्रम: एक ही वोल्टेज; 1/Rₚ = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃ (सबसे छोटे से भी छोटा)।
• ऊष्मीय प्रभाव: H = I²Rt (जूल का नियम)। हीटर, बल्ब, और रक्षक फ़्यूज़ में इस्तेमाल।
• विद्युत शक्ति: P = VI = I²R = V²/R, वॉट में। ऊर्जा किलोवॉट-घंटा में बेची जाती है (1 kW h = 3.6 × 10⁶ J)।

आगे क्या?

अब तुम जानते हो कि धारा कैसे बहती है और प्रतिरोध तथा वोल्टेज उसे कैसे नियंत्रित करते हैं। पर बिजली एक और कमाल की चीज़ करती है — धारा बहाता तार अपने चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र बना देता है, और एक चलता चुंबक धारा पैदा कर सकता है। बिजली और चुंबकत्व के बीच यही दोतरफ़ा रिश्ता हर बिजली की मोटर को चलाता है और तुम्हारी इस्तेमाल की लगभग सारी बिजली बनाता है।

अध्याय 12: विद्युत धारा के चुंबकीय प्रभाव में, तुम चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ, तार और कुंडली के चारों ओर का क्षेत्र, मोटर कैसे घूमती है, विद्युतचुंबकीय प्रेरण, और जनित्र (generator) गति को बिजली में कैसे बदलता है — यह सब देखोगे।