విద్యుత్తు

సైన్స్‌ మానవాళికి అందించిన అద్భుతమైన కానుక విద్యుత్తు. ఆధునిక జీవనశైలిలో అదో అంతర్భాగమైపోయింది. కరెంట్‌ లేని ప్రపంచాన్ని ఊహించడం కష్టం. అలాంటి విద్యుత్తుకు పరీక్షల్లోనూ అంతే ప్రాధాన్యం ఉంది. దీనిపై ప్రశ్న లేకుండా దాదాపు ఏ పరీక్షా ఉండదు.
 

విద్యుత్తు కొన్ని పదార్థాల్లో ప్రవహిస్తుంది. మరికొన్నింటిలో ప్రవహించదు. కారణం ఆ పదార్థాల నిర్మాణమే. ఈ ధర్మాలను అనుసరించి శాస్త్రజ్ఞులు ఎన్నో విశేషాలను తెలియజేశారు.
 

విద్యుత్తు వాహక ప్రమాణ మధ్యచ్ఛేద వైశాల్యం నుంచి ప్రమాణ కాలంలో ప్రవహించే విద్యుదావేశాన్ని విద్యుత్తు ప్రవాహం (i) అంటారు.
i = q /t
స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌ల సమూహమే విద్యుదావేశం కాబట్టి i = ne/t
n = సంఖ్య, e = ఎలక్ట్రాన్‌ విద్యుదావేశం = 1.602 ´ 10-19 C
 

ప్రమాణ మధ్యచ్ఛేదం నుంచి ప్రమాణ కాలంలో ప్రవహించే స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌లనే విద్యుత్తు ప్రవాహంగా పరిగణిస్తారు. విద్యుత్తు ప్రవాహానికి ప్రమాణం కులూమ్‌/సెకన్‌ (C/s) లేదా ఆంపియర్‌ (A). స్వల్ప విద్యుత్తు ప్రవాహం దిశను గుర్తించడంతో పాటు, పరిమాణాన్ని కొలిచే పరికరం గాల్వానా మీటర్‌. విద్యుత్తు ప్రవాహాన్ని ఆంపియర్లలో కొలిచే పరికరం అమ్మీటర్‌. విద్యుత్తును కొలిచే పరికరాలను వలయంలో శ్రేణిలో కలుపుతారు. ఆదర్శ అమ్మీటర్‌ విద్యుత్తు నిరోధం శూన్యం.
 

సంప్రదాయ విద్యుత్తు ప్రవాహ దిశను ఎలక్ట్రాన్‌లు చలించే దిశకు వ్యతిరేకంగా తీసుకుంటారు. రసాయన ద్రావణాల్లో విద్యుత్తు అయాన్‌ల వల్ల ప్రసరిస్తే, అర్ధవాహకాల్లో ఎలక్ట్రాన్‌లు, రంధ్రాల వల్ల ప్రసరిస్తుంది. సాధారణ గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద మధ్యచ్ఛేదానికి ఇరువైపులా యాదృచ్ఛికంగా ప్రయాణించే స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య సమానంగా ఉంటుంది. దీంతో నికర విద్యుత్తు ప్రసారం శూన్యం అవుతుంది. విద్యుత్తు వాహకంపై విద్యుత్తు క్షేత్రాన్ని ప్రయోగిస్తే ఎలక్ట్రాన్‌లు కొంత సగటు వేగంతో ధనావేశం వైపు ప్రయాణిస్తాయి. ఈ వేగాన్నే డ్రిఫ్ట్‌ వేగం అంటారు. ఎలక్ట్రాన్‌ డ్రిఫ్ట్‌ వేగం విలువ సుమారు 10-4 మీ./సెకన్‌.
 

విద్యుత్తు పల్లమెరుగునా?
నీరు ఎత్తు నుంచి పల్లానికి, గాలి అధిక పీడనం నుంచి అల్ప పీడనానికి పయనించినట్లుగా విద్యుత్తు అధిక పొటెన్షియల్‌ నుంచి అల్ప పొటెన్షియల్‌కు ప్రసరిస్తుంది.
 

ఏకాంక విద్యుదావేశాన్ని విద్యుత్తు క్షేత్రానికి వ్యతిరేకంగా ఒక బిందువు నుంచి మరొక బిందువుకు తీసుకువెళ్లడానికి చేసే పని, ఆ రెండు బిందువుల మధ్య పొటెన్షియల్‌ భేదానికి సమానం.
 

పొటెన్షియల్‌ భేదం లేదా వోల్టేజి (V) = W/q వోల్టేజికి ప్రమాణం వోల్ట్‌.
 

పొటెన్షియల్‌ భేదాన్ని కొలిచే పరికరం వోల్ట్‌ మీటర్‌. వలయంలో వోల్ట్‌ మీటర్‌ను సమాంతరంగా సంధానం చేస్తారు. ఆదర్శ వోల్ట్‌ మీటర్‌ విద్యుత్తు నిరోధం అనంతం.
 

ఒకే పొటెన్షియల్‌ వద్ద ఉండే రెండు బిందువుల మధ్య విద్యుత్తు ప్రసరించదు. అందుకే విద్యుత్తు తీగపై వాలిన పక్షికి కరెంట్‌ షాక్‌ కొట్టదు. గృహాలకు సరఫరా అయ్యే విద్యుత్తు తీగల్లో ఒకటి 220 V వద్ద, మరొకటి శూన్య పొటెన్షియల్‌ వద్ద ఉంటుంది. విద్యుత్తు ప్రసారానికి తప్పనిసరిగా రెండు తీగలను ఉపయోగించడానికి కారణం పొటెన్షియల్‌ తేడాను ఏర్పర్చడమే.
 

భూమిని ఎలక్ట్రాన్‌ల మహాసముద్రంగా భావించవచ్ఛు భూమి నుంచి ఎన్ని ఎలక్ట్రాన్‌లను గ్రహించినా లేదా ఇచ్చినా ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్యలో మార్పు ఉండదు. కాబట్టి భూమి పొటెన్షియల్‌ను సున్నాగా తీసుకుంటారు.
q బిందు ఆవేశానికి r దూరంలో ఉండే విద్యుత్తు పొటెన్షియల్‌ V = 1/ 4peo r/ q
 

విద్యుచ్ఛాలక బలం
వోల్టేజిని ఉత్పత్తి చేసే బ్యాటరీ, ఉష్ణయుగ్మం, ప్రేరణ ధర్మంతో పనిచేసే జనరేటర్ల వద్ద ఉండే పొటెన్షియల్‌ తేడాను విద్యుచ్ఛాలక బలం (Electromotive Force) అంటారు. విద్యుత్తు వలయంలోని ఏ రెండు బిందువుల మధ్యనైనా వోల్టేజిని నిర్వచించవచ్ఛు కానీ EMF ను విద్యుత్తు జనకం వద్ద మాత్రమే నిర్వచించగలం. EMF ప్రమాణం వోల్ట్‌. విద్యుత్తు ఘటం నుంచి ఎలాంటి విద్యుత్తును తీసుకోకుండా దాని విద్యుచ్ఛాలక బలాన్ని కచ్చితంగా కొలిచే పరికరం పొటెన్షియో మీటర్‌.
 

ఓమ్‌ నియమం
స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాహకంలో ప్రసరించే విద్యుత్తు ప్రవాహం (i) పరిమాణం, దాని చివరల ఉండే పొటెన్షియల్‌ తేడాకు అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.
i V లేదా V = iR
ఇక్కడ R విద్యుత్తు నిరోధం, ఒక స్థిరాంకం.
 

వాహకంలో ప్రవహించే ఎలక్ట్రాన్‌లకు వాహకం కలుగజేసే అవరోధమే విద్యుత్తు నిరోధం. విద్యుత్తు నిరోధానికి ప్రమాణం ఓమ్‌ (W). ఓమ్‌ నియమాన్ని పాటించే వాటిని ఓమిక్‌ వాహకాలు, పాటించని వాటిని నాన్‌ - ఓమిక్‌ వాహకాలు అని అంటారు. లోహాలు, ఇతర విద్యుత్తు వాహకాలు ఓమిక్‌ వాహకాలు. అర్ధవాహకాలు, అర్ధవాహక పరికరాలు నాన్‌ - ఓమిక్‌ వాహకాలకు ఉదాహరణలు. ఓమిక్‌ వాహకాల విషయంలో V - i గ్రాఫ్‌ మూలబిందువు నుంచి వెళ్లే సరళరేఖ, నాన్‌ - ఓమిక్‌ పదార్థాలకు V - i గ్రాఫ్‌ ఒక వక్రరేఖ.
                            
విద్యుత్‌ నిరోధం లేదా వాహకత్వం ఆధారంగా పదార్థాలు నాలుగు రకాలు. అందులో మొదటి మూడు సహజంగా లభిస్తే నాలుగో రకం కృత్రిమంగా తయారవుతుంది.
 

వాహకాలు: వీటికి వాహకత్వం చాలా ఎక్కువ. అత్యధిక సంఖ్యలో స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉంటాయి. లోహాలు, పాదరసం, గ్రాఫైట్‌, మానవ శరీరం, సాధారణ నీరు విద్యుత్‌ వాహకాలు. అత్యుత్తమ విద్యుత్‌ వాహకం వెండి.
 

బంధకాలు: వీటికి నిరోధం చాలా ఎక్కువ. వీటి ద్వారా విద్యుత్తు ప్రసరించదు. స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌లు ఉండవు. రబ్బరు, గాజు, ప్లాస్టిక్‌, వజ్రం, బేకలైట్‌, స్వచ్ఛమైన నీరు, పీవీసీ, పొడికర్ర లాంటివి విద్యుత్‌ బంధకాలు.
 

అర్ధవాహకాలు: వాహకాలు, బంధకాలకు మధ్యస్థంగా వీటి వాహకత్వ ధర్మాలు ఉంటాయి. జర్మేనియం, సిలికాన్‌లు అర్ధవాహకాలు. వీటిని ఉపయోగించి ఎలక్ట్రానిక్‌ పరికరాలను తయారుచేస్తారు. స్వభావజ (intrinsic) అర్ధవాహకాల్లో ఎలక్ట్రాన్‌లు, అర్ధవాహకాలు సమాన సంఖ్యలో ఉంటాయి. అస్వభావజ అర్ధవాహకాల్లో ఏదో ఒక రకం మాత్రమే అధిక సంఖ్యలో ఉంటాయి. అస్వభావజ అర్ధవాహకాలు మెరుగైనవి. శూన్య కెల్విన్‌ ఉష్ణోగ్రత వద్ద అర్ధవాహకాలన్నీ బంధకాలు.
 

అతివాహకాలు (Super conductors): శూన్య నిరోధకత్వం కలిగిన స్థితిని అతి వాహకత్వం అంటారు. పదార్థాల ఉష్ణోగ్రతను అత్యల్ప ఉష్ణోగ్రతలకు కృత్రిమంగా తగ్గిస్తే అవి హఠాత్తుగా అతివాహకాలుగా మారతాయని 1911లో కామర్లింగ్‌ ఓనస్‌, పాదరసంతో (4.2 K వద్ద) నిరూపించాడు. ఇవి అయస్కాంత క్షేత్రాలను వికర్షిస్తాయని మైస్నర్‌ కనుక్కున్నాడు. బార్డీన్‌, కూపర్‌, ష్రీఫర్‌ త్రయం BCS సిద్ధాంతంతో అతివాహకత్వానికి ఎలక్ట్రాన్‌ల జంటలు కారణమని నిరూపించి 1972లో నోబెల్‌ బహుమతి పొందారు.
¤ ఒక వాహక నిరోధం (R) దాని పొడవుకు అనులోమానుపాతంలో, మధ్యచ్ఛేద వైశాల్యానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

పదార్థ విశిష్ట నిరోధం లేదా నిరోధకత్వాన్ని '' సూచిస్తుంది.  వాహక పదార్థ ధర్మం. ఇది తీగ పొడవు, మధ్యచ్ఛేద వైశాల్యాలపై ఆధారపడదు. కానీ ఉష్ణోగ్రతపై ఆధారపడుతుంది.  విలువ లోహాలకు స్వల్పంగా, అర్ధవాహకాలకు అధికంగా; నిక్రోమ్‌, కాన్‌స్టంటన్‌ లాంటి మిశ్రమ లోహాలకు అత్యధికంగా ఉంటుంది. ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే లోహాలకు విశిష్ట నిరోధం పెరుగుతుంది, అర్ధవాహకాలకు తగ్గుతుంది. విశిష్ట నిరోధానికి ప్రమాణం  మీ. విశిష్ట నిరోధం ఉత్క్రమాన్ని (reciprocal) విద్యుత్‌ వాహకత్వం () అంటారు. దీనికి ప్రమాణాలు  మీ.-1 లేదా mho.m-1 లేదా సీమెన్స్‌/మీ.
¤ అయస్కాంత క్షేత్రం సమక్షంలో లోహాలకు విద్యుత్‌ వాహకత్వం తగ్గితే, ఫెర్రో అయస్కాంత పదార్థాలకు (ఇనుము, కోబాల్ట్‌, నికెల్‌) పెరుగుతుంది.
 

నిరోధాల సంధానం: రెండు లేదా అంతకంటే ఎక్కువ నిరోధాలను రెండు విధాలుగా కలపవచ్ఛు
                     1) శ్రేణి సంధానం
                     2) సమాంతర సంధానం
                             
శ్రేణి (Series) సంధానంలో ఫలిత విద్యుత్‌ నిరోధం అన్ని నిరోధాల మొత్తానికి సమానం. అన్ని నిరోధాల్లో సమాన విద్యుత్‌ ప్రసరిస్తుంది.
¤ సమాంతర (Parallel) సంధానంలో ఫలిత నిరోధ ఉత్క్రమం, విడివిడి నిరోధాల ఉత్క్రమాల మొత్తానికి సమానం. అన్ని నిరోధాలపై పొటెన్షియల్‌ తేడా సమానంగా ఉంటుంది.
                       
 

కిర్కాఫ్‌ నియమాలు: అనేక విద్యుత్‌ నిరోధాలను కలిగి ఉండే సంక్షిష్ట వలయాలకు ఓమ్‌ నియమాన్ని అనువర్తించలేం. దీనికి బదులు జర్మనీ శాస్త్రవేత్త కిర్కాఫ్‌ ప్రతిపాదించిన రెండు నియమాలను ఉపయోగిస్తారు. అవి కిర్కాఫ్‌ కరెంట్‌ (సంధి) నియమం, కిర్కాఫ్‌ వోల్టేజి (వలయం) నియమం.
మొదటి నియమం: ఒక సంధి వద్దకు చేరే విద్యుత్‌ ప్రవాహాల మొత్తం, సంధి నుంచి వెళ్లే విద్యుత్‌ ప్రవాహాల మొత్తానికి సమానం. ఇది విద్యుదావేశ నిత్యత్వ నియమాన్ని సూచిస్తుంది. అంటే సంధి వద్ద ఎలాంటి ఆవేశం ఉండదు.
                            
 

రెండో నియమం: సంవృత వలయానికి సంబంధించిన అన్ని పొటెన్షియల్‌ తేడాల బీజీయ మొత్తం శూన్యం. ఇక్కడ విద్యుత్‌ నిరోధాలకు (iR), విద్యుత్‌ ఘటాలకు (EMF) చెందిన పొటెన్షియల్‌లను పరిగణించాలి. ఇది శక్తి నిత్యత్వ నియమాన్ని సూచిస్తుంది.
                                                                                            
¤ దీనిలో EMF, వోల్టేజి సంజ్ఞలను గుర్తించేందుకు సంజ్ఞా సంప్రదాయాన్ని (Sign Convention) ఉపయోగించాలి.
 

రచయిత: దురిశెట్టి అనంత రామకృష్ణ