విద్యుత్‌ రసాయనశాస్త్రం

* విద్యుదావేశాలను ‘కూలుంబ్‌ (coulomb) అనే ప్రమాణంతో కొలుస్తారు.

* ఒక ఎలక్ట్రాన్‌ ఆవేశం: 1.602 × 10⁻¹⁹ కూలుంబ్‌.

*  ఒక కూలుంబ్‌ ఆవేశంలో ఉన్న ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య: 6.25 × 10¹⁸

* ఏ పదార్థాలైతే తమ ద్వారా విద్యుత్‌ను ప్రసరింపజేస్తాయో వాటిని ‘విద్యుత్‌ వాహకాలు’ అంటారు.

ఉదా: లోహాలు, లవణాల జల ద్రావణాలు, ఖనిజ ఆమ్లాలు మొదలైనవి.

* విద్యుత్‌ను తమ ద్వారా ప్రసరింపజేయలేని పదార్థాలను ‘విద్యుత్‌ బంధకాలు’ అంటారు.

ఉదా: స్వేదన జలం, గాజు, వజ్రం, కొన్ని అలోహాలు, పాలీవినైల్‌ క్లోరైడ్‌ మెదలైనవి. 

*  అర్ధ వాహకాల వాహకత్వం, వాహకాల కంటే తక్కువగా, బంధకాల కంటే ఎక్కువగా ఉంటుంది.

ఉదా: సిలికాన్‌ (Si) , జెర్మేనియం (Ge) మొదలైనవి.

*  స్వభావజ అర్ధవాహకాలు స్వచ్ఛమైన, మలిన పదార్థాలు లేని అర్ధవాహకాలు.

ఉదా: సిలికాన్, జెర్మేనియం మొదలైనవి.

*  త్రిసంయోజకత లేదా పంచసంయోజకత కలిగిన మూలకాలను (మలినం) కొద్ది పరిమాణంలో స్వభావజ అర్ధవాహకానికి కలిపితే, అస్వభావజ అర్ధవాహకం ఏర్పడుతుంది.

*  పంచయోజకత కలిగిన మూలకాలను (ఫాస్ఫరస్, ఆర్సెనిక్, యాంటిమొని మొదలైనవి) కొద్ది పరిమాణంలో మలినంగా స్వభావజ అర్ధవాహకానికి కలిపితే n - రకం అర్ధవాహకం’ ఏర్పడుతుంది.

*  త్రిసంయోజకత కలిగిన మూలకాలను (బోరాన్, అల్యూమినియం, గాలియం మొదలైనవి) కొద్ది పరిమాణంలో మలినంగా స్వభావజ అర్ధవాహకానికి కలిపితే  p - రకం అర్ధవాహకం’ ఏర్పడుతుంది.

*  ఒక సెకను కాలంలో వాహకంలోని ఏదైనా మధ్యచ్ఛేదనాన్ని దాటి వెళ్లే ఆవేశాన్ని విద్యుత్‌ ప్రవాహం అంటారు.

ప్రమాణాలు: ఆంపియర్‌ లేదా కూలుంబ్‌.

విద్యుత్‌ నిరోధాన్ని ప్రభావితం చేసే అంశాలు

1. పదార్థ స్వభావం 

* విద్యుత్‌ నిరోధం లోహ పదార్థాల్లో తక్కువగా ఉంటుంది.

* విద్యుత్‌ బంధక పదార్థాల్లో ఇది గరిష్ఠంగా ఉంటుంది.

* అర్ధవాహక పదార్థాల విద్యుత్‌ నిరోధం విద్యుత్‌ వాహకాలు, బంధకాలకు మధ్యస్థంగా ఉటుంది.

2. తీగ కొలత

* ఒక తీగ నిరోధం దాని పొడవుకు అనులోమానుపాతంలో, తీగ అడ్డుకోత వైశాల్యానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

 ఇక్కడ,

l = తీగ పొడవు

a  = తీగ అడ్డుకోత వైశాల్యం

ρ = విశిష్ట విరోధం లేదా నిరోధకత్వం

* ఒక సన్నటి తీగను మందమైన తీగగా మలిస్తే, దాని పొడవు తగ్గి అడ్డుకోత వైశాల్యం పెరుగుతుంది. దీంతో తీగ నిరోధం తగ్గి విద్యుత్‌ ప్రవాహం పెరుగుతుంది.

*  ఒక మందమైన తీగను సన్నటి తీగగా సాగదీసినప్పుడు దాని పొడవు పెరిగి, అడ్డుకోత వైశాల్యం తగ్గుతుంది. కాబట్టి, తీగ నిరోధం పెరిగి, విద్యుత్‌ ప్రవాహం తగ్గుతుంది.

3. ఉష్ణోగ్రత ప్రభావం

*  అల్యూమినియం, రాగి, వెండి మొదలైన లోహాలను అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద వేడిచేసినప్పుడు ఎలక్ట్రాన్ల వేగం పెరిగి, అవి పరస్పరం ఒకదానికొకటి ఢీకొట్టుకుంటాయి. దీంతో ఫలిత వేగం తగ్గుతుంది. కాబట్టి, లోహాల నిరోధం పెరిగి, వాటి ద్వారా ప్రవహిస్తున్న విద్యుత్‌ ప్రవాహం లేదా విద్యుత్‌ వాహకత తగ్గుతుంది.

*  గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద ఉన్న లోహాలను అల్ప ఉష్ణోగ్రతలకు చల్లార్చితే వాటి నిరోధం తగ్గి, విద్యుత్‌ ప్రవాహం పెరుగుతుంది.

*  విద్యుత్‌ బంధక పదార్థాలను గది ఉష్ణోగ్రత నుంచి అధిక ఉష్ణోగ్రతకు వేడి చేసినప్పుడు వాటి విద్యుత్‌ నిరోధం తగ్గి, విద్యుత్‌ ప్రవాహం పెరుగుతుంది.

*  అర్ధవాహక పదార్థాలను అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద వేడి చేస్తే వాటి విద్యుత్‌ నిరోధం తగ్గి, విద్యుత్‌ ప్రవాహం పెరుగుతుంది.

* అర్ధవాహక పదార్థాలను గది ఉష్ణోగ్రత కంటే తక్కువ ఉష్ణోగ్రతకు చల్లారిస్తే వాటి విద్యుత్‌ నిరోధం పెరిగి, విద్యుత్‌ ప్రవాహం తగ్గుతుంది.

*  వెండి, రాగి లోహాల విద్యుత్‌ నిరోధం అల్యూమినియం కంటే తక్కువగా ఉంటుంది. అల్యూమినియం చౌకగా దొరకడం వల్ల దీన్ని విద్యుత్‌ ఉపకరణాల్లో ఎక్కువగా వాడతారు.

*  పరమశూన్య ఉష్ణోగ్రత (−273°C) వద్ద అర్ధవాహక పదార్థాలు పరిపూర్ణ బంధకాలుగా ప్రసరిస్తాయి.

* పట్టీ సిద్ధాంతం ప్రకారం, వాహకాల్లో వాహకత్వ పట్టీ, వేలన్సీ పట్టీల మధ్య శక్తి అంతరం ఉండదు. ఈ రెండు పట్టీలు అతిపాతం చెందుతాయి. గది ఉష్ణోగ్రత వద్ద లభించే స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్‌ల సంఖ్య అధికంగా ఉంటుంది. దీంతో విద్యుత్‌ వాహకత కూడా ఎక్కువగా ఉంటుంది.

*  పట్టీ సిద్ధాంతం ప్రకారం, బంధకాల్లో వాహకత్వ పట్టీ, వేలన్సీ పట్టీల మధ్య శక్తి అంతరం చాలా ఎక్కువగా (7eV) ఉంటుంది. వేలన్సీ పట్టీ నుంచి వాహకత్వ పట్టీకి ఎలక్ట్రాన్‌ల చలనం సాధ్యం కాదు. దీంతో విద్యుత్‌ వాహకత అత్యల్పంగా ఉంటుంది.

*  పట్టీ సిద్ధాంతం ప్రకారం, అర్ధవాహకాల్లో వాహకత్వ పట్టీ ఖాళీగా ఉంటుంది. వేలన్సీ పట్టీ పూర్తిగా నిండి ఉంటుంది. కానీ రెండు పట్టీల మధ్య శక్తి అంతరం చాలా తక్కువగా (1eV) ఉంటుంది. దీంతో అర్ధవాహక పదార్థాల విద్యుత్‌ వాహకత వాహకాల కంటే తక్కువగా ఉంటుంది.

4. మాలిన ప్రభావం

* శుద్ధ పదార్థాలకు తక్కువ మొత్తంలో ఇతర పదార్థాలను కలిపితే వాటిని మాలిన్య పదార్థాలు అంటారు. వీటిని కలపడం వల్ల విద్యుత్‌ నిరోధం మారుతుంది.

*  స్వచ్ఛమైన నీటికి విద్యుత్‌ వాహకత ఉండదు (నిరోధం ఎక్కువ). నీటికి కొంత సాధారణ ఉప్పు (సోడియం క్లోరైడ్‌) కలిపితే నిరోధం తగ్గి, మంచి విద్యుత్‌ వాహకంగా పని చేస్తుంది.

* వజ్రం, గ్రాఫైట్‌ రెండూ కార్బన్‌ రూపాంతరాలు. వజ్రం విద్యుత్‌ బంధక పదార్థంగా, గ్రాఫైట్‌  విద్యుత్‌ వాహకంగా పని చేస్తాయి.

*  గ్రాఫైట్‌లో ప్రతి కార్బన్‌ పరమాణువు sp² సంకరణం చెందుతుంది. ఒక్కో కార్బన్‌ పరమాణువు మూడు ఆసన్న కార్బన్‌ sp² సంకర ఆర్బిటాళ్లను ఉపయోగించుకుని మూడు సిగ్మా బంధాలను ఏర్పరుస్తుంది. 

*  కార్బన్‌ దగ్గర మిగిలిన నాలుగో ఎలక్ట్రాన్‌ π  బంధాన్ని ఏర్పరుస్తుంది. ఈ ఎలక్ట్రాన్‌లు మొత్తం గ్రాఫైట్‌ పొరల నిర్మాణంలో అస్థానీకృతమవుతాయి. ఈ ఎలక్ట్రాన్‌లు నిరంతరం చలనంలో ఉండటం వల్ల గ్రాఫైట్‌ మంచి విద్యుత్‌ వాహకంగా ఉంటుంది.

అతివాహకత్వం (Super Conductivity) 

ఒక లోహాన్ని లేదా మిశ్రమ లోహాన్ని అల్ప ఉష్ణోగ్రత వద్ద చల్లార్చితే దాని నిరోధం శూన్యంగా మారి, అనంతమైన విద్యుత్‌ను ప్రసరింపజేస్తుంది. ఈ ధర్మాన్ని అతివాహకత్వం అంటారు. సున్నా నిరోధకత్వం లేదా అనంత వాహకత్వం ఉన్న పదార్థాలను అతివాహకాలు అంటారు.ఓమ్‌ నియమం

స్థిర ఉష్ణోగ్రత వద్ద లోహపు తీగకు అనువర్తింపజేసిన పొటెన్షియల్‌ తేడా లేదా ఓల్టేజ్‌(v), ఆ తీగ ద్వారా ప్రవహించే విద్యుత్‌ ప్రవాహానికి (i) అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.

i =V/R లేదా V = iR   

    

విద్యుత్‌ నిరోధం: ఒక తీగ ద్వారా విద్యుత్‌ ప్రవహించేటప్పుడు ఆ ప్రవాహాన్ని వ్యతిరేకించే పదార్థ స్వభావాన్ని ‘విద్యుత్‌ నిరోధం’ అంటారు. 

* విద్యుత్‌ నిరోధాన్ని కింది విధంగా సూచిస్తారు.

విద్యుత్‌ నిరోధానికి ప్రమాణం: ఓమ్‌ (ohm)

విద్యుత్‌ వాహకత (Electrical Conductance)

ఒక పదార్థం విద్యుత్‌ నిరోధ విలోమాన్ని విద్యుత్‌ వాహకత అంటారు.

C=1/R

ఇక్కడ, 

C = విద్యుత్‌ వాహకత

R = విద్యుత్‌ నిరోధం

ప్రమాణాలు: 

ohm⁻¹ లేదా mho లేదా సీమన్‌ (S)

(ఓమ్‌⁻¹)       (మో)

వాహకత్వం లేదా విశిష్టవాహకత - K (Conductivity)

* ఒక మీటరు పొడవు, చదరపు మీటరు అడ్డుకోత వైశాల్యం ఉన్న పదార్థం వాహకతను వాహకత్వం లేదా విశిష్ట వాహకత అని అంటారు.

K=C l/a

ఇక్కడ, K = వాహకత్వం

            C = విద్యుత్‌ వాహకత

            l = తీగ పొడవు

           a = తీగ అడ్డుకోత వైశాల్యం

ప్రమాణాలు: 

సీమన్‌. సెం.మీ^-1 లేదా సీమన్‌.మీ^-1

                (S.cm⁻¹ )         (S.m⁻¹ )

మాదిరి ప్రశ్నలు

1. కిందివాటిలో మంచి విద్యుత్‌ వాహకం ఏది?

1) గ్రానైట్‌    2) గ్రాఫైట్‌     3) డైమండ్‌      4) స్వేదన జలం

జ: 2

2. కింది అంశాలను జతపరచండి.

జాబితా - I                          జాబితా - II

a) విద్యుత్‌ బంధకాలు      i) సిలికాన్, జెర్మేనియం 

b) విద్యుత్‌ వాహకాలు       ii) వజ్రం, PVC

c) అర్ధవాహకాలు               iii)  వెండి, రాగి, అల్యూమినియం

1) a-i, b-iii, c-ii      2) a-ii, b-i, c-iii        3) a-iii, b-ii, c-i    4) a-ii, b-iii, c-i

జ: 4

3. విశిష్ట నిరోధానికి ప్రమాణం ఏమిటి?

1) ఓమ్‌        2) ఓమ్‌.మీటర్‌         3) ఓమ్‌.మీటర్‌1      4) సీమన్‌.మీటర్‌

జ: 2

4. విశిష్ట వాహకతకి ప్రమాణం ఏమిటి?

1) ఓమ్‌.మీటర్‌      2) సీమన్‌.మీటర్‌    3) సీమన్‌.మీటర్‌1      4) సీమన్‌

జ:  3

5. విద్యుత్‌ బంధకాలకు ఉదాహరణ?

1) ప్లాస్టిక్‌     2) కలప   3) రబ్బరు    4) పైవన్నీ

జ:  4