📁 सामान्य विज्ञान (General Science) 📖 भौतिकशास्त्र: ध्वनीशास्त्र, प्रकाशशास्त्र, विद्युतधारा, चुंबकत्व व उष्णता (Sound, Optics, Electricity & Magnetism) ⏱️ 25 मिनिटे वाचन 👁️ 134 views

विद्युतधारा, विभवांतर, ओहमचा नियम, रोधांची जोडणी व विद्युत चुंबकत्व (Electricity, Ohm’s Law & Magnetism)

विद्युतधारा, विभवांतर, ओहमचा नियम, रोधांची जोडणी व विद्युत चुंबकत्व (Electricity, Ohm’s Law & Magnetism) या घटकामध्ये ओहमचा नियम (Ohm's Law, रोधांची जोडणी (Series & Parallel Connection), एकसर जोडणीत या मुद्द्यांचा सविस्तर समावेश आहे.

लेखक: Mahasarav Team• २५ ऑगस्ट, २०२६

१. विद्युतधारा व विभवांतर (Electric Current & Potential Difference)

विद्युतधारा (Electric Current - $I$): वाहकातून वाहणाऱ्या विद्युत प्रभाराचा दर.
$$I = \frac{Q}{t} \quad (\text{SI एकक: } \textbf{अँपिअर - A})$$
$१ \text{ A} = १ \text{ Coulomb / } १ \text{ Second}$. (मोजण्यासाठी अ‍ॅमीटर वापरतात, जे परिपथात एकसर जोडणीत जोडतात).
विभवांतर (Potential Difference - $V$): दोन बिंदूंमधील विद्युत दाब फरक.
$$V = \frac{W}{Q} \quad (\text{SI एकक: } \textbf{व्होल्ट - V})$$
(मोजण्यासाठी व्होल्टमीटर वापरतात, जे समांतर जोडणीत जोडतात).

२. ओहमचा नियम (Ohm's Law - जॉर्ज सायमन ओहम)

नियम: "भौतिक अवस्था कायम असताना वाहकामधून वाहणारी विद्युतधारा ($I$) ही वाहकाच्या दोन टोकांमधील विभवांतराच्या ($V$) समप्रमाणात असते."

$$V \propto I \implies \mathbf{V = I \times R}$$

येथे $R = \text{वाहकाचा रोध (Resistance)}$.

रोधाचे SI एकक: ओहम ($\Omega$).
रोधाची सूत्रे: $R = \rho \frac{L}{A}$
- वाहकाची लांबी ($L$) वाढल्यास रोध वाढतो.
- वाहकाचे काटछेदी क्षेत्रफळ ($A$ / जाडी) वाढल्यास रोध कमी होतो.
- तापमान वाढल्यास धातूंचा रोध वाढतो; परंतु अर्धवाहकांचा (Semiconductors - सिलिकॉन, जर्मेनियम) रोध कमी होतो.

३. रोधांची जोडणी (Series & Parallel Connection)

मुद्दा	एकसर जोडणी (Series Connection)	समांतर जोडणी (Parallel Connection)
समतुल्य रोध सूत्र	$$R_s = R_1 + R_2 + R_3$$	$$\frac{1}{R_p} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2} + \frac{1}{R_3}$$
एकूण रोध मूल्य	जोडणीतील सर्वात मोठ्या रोधापेक्षाही जास्त होतो.	जोडणीतील सर्वात लहान रोधापेक्षाही कमी होतो.
विद्युतधारा ($I$)	सर्व रोधांमधून समान विद्युतधारा वाहते.	प्रत्येक रोधातून वेगळी विद्युतधारा वाहते ($I = I_1 + I_2 + I_3$).
विभवांतर ($V$)	प्रत्येक रोधाच्या टोकांवर विभवांतर विभागले जाते.	सर्व रोधांवर समान व्होल्टेज असते.
वापर / अनुप्रयोग	दिवाळीच्या दिव्यांची माळ (एक दिवा बंद पडल्यास सर्व बंद).	घरातील विद्युत वायरिंग (Domestic wiring) - स्वतंत्र स्विचेस.

४. विद्युत ऊर्जेचा औष्णिक परिणाम व सुरक्षा साधने (Heating Effect & Safety)

ज्यूलचा उष्णतेचा नियम: वाहकातून विद्युतप्रवाह गेल्यास निर्माण होणारी उष्णता:
$$H = I^2 R t \quad (\text{Joule's Law of Heating})$$
विद्युत हीटर / इस्त्री / गिझर: यामध्ये उच्च रोध व उच्च वितळण बिंदू असलेली नायक्रोम (Nichrome - निकेल + क्रोमियम) या संमिश्राची तार वापरतात.
विद्युत दिवा (Bulb): यामध्ये अतिउच्च वितळण बिंदू (~३४२२°C) असलेला टंगस्टन (Tungsten - W) धातूचा फिलामेंट वापरतात. दिव्यामध्ये ऑक्सिडेशन टाळण्यासाठी निष्क्रिय वायू (नायट्रोजन / अरगॉन) भरतात.
फ्युज तार (Electric Fuse Wire): शिसे (Lead) व कथील (Tin) यांच्या कमी वितळण बिंदू असलेल्या संमिश्रापासून बनवलेली असते. ती नेहमी मुख्य फेज वायरला (Live wire) एकसर जोडणीत जोडतात. (आजकाल MCB - Miniature Circuit Breaker वापरतात).

५. चुंबकत्व व विद्युत चुंबकीय प्रवर्तन (Magnetism & Electromagnetic Induction)

⚡ फॅराडेचा विद्युतचुंबकीय प्रवर्तनाचा नियम (Faraday's Law of Electromagnetic Induction):

वाहकाशी निगडित असणाऱ्या चुंबकीय अभिवाहात (Magnetic Flux) बदल झाल्यास वाहकामध्ये विद्युतचालक बल (Induced EMF) निर्माण होते. जर परिपथ बंद मंडळ (Closed circuit) असेल, तरच त्यातून प्रेरित विद्युतधारा वाहते.

एककांची स्पष्टता:

चुंबकीय अभिवाह घनता (B): टेस्ला (Tesla - T) किंवा Wb/m²
चुंबकीय क्षेत्र तीव्रता (H): अँपिअर/मीटर (A/m)

ओर्स्टेडचा प्रयोग (१८२०): विद्युतप्रवाहाभोवती चुंबकीय क्षेत्र (Magnetic Field) निर्माण होते.
उजव्या हाताच्या अंगठ्याचा नियम (Right-Hand Thumb Rule): वाहकाभोवतीच्या चुंबकीय बलरेषांची दिशा दर्शवतो.
मायकेल फॅराडेचे विद्युत चुंबकीय प्रवर्तनाचे नियम (Electromagnetic Induction): वाहक आणि चुंबकीय क्षेत्र यांच्यातील सापेक्ष गतीमुळे वाहकात प्रेरित विद्युतप्रवाह (Induced EMF) निर्माण होतो.
- हे तत्त्व विद्युत जनरेटर (Electric Generator) आणि ट्रान्सफॉर्मर (Transformer) मध्ये वापरले जाते.
फ्लेमिंगचा डाव्या हाताचा नियम (Left-Hand Rule): विद्युत मोटर (Electric Motor) च्या फिरण्याची दिशा दर्शवतो.

🔌 रोधांची एकसर वि. समांतर जोडणी तुलना (Series vs Parallel Circuits)

विद्युत मंडळात रोध जोडण्याच्या दोन प्रमुख पद्धती असतात. घरगुती वायरिंगमध्ये नेहमी समांतर जोडणीचा वापर केला जातो:

मुद्दा / वैशिष्ट्य	एकसर जोडणी (Series Connection)	समांतर जोडणी (Parallel Connection)
जोडणी पद्धत	सर्व रोध एकापाठोपाठ एकाच मार्गाने जोडलेले असतात.	सर्व रोधांची दोन्ही टोके सामाईक बिंदूंना स्वतंत्र जोडलेली असतात.
परिणामी रोध (Total Resistance)	Rₛ = R₁ + R₂ + R₃	1/Rₚ = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃
रोधाचे मूल्य	परिणामी रोध मंडळातील सर्वात मोठ्या रोधापेक्षाही मोठा असतो.	परिणामी रोध मंडळातील सर्वात लहान रोधापेक्षाही कमी होतो.
विद्युतप्रवाह (Current - I)	प्रत्येक रोधातून वाहणारा विद्युतप्रवाह समान असतो ($I = I_1 = I_2$).	विद्युतप्रवाह वेगवेगळ्या शाखांमध्ये विभागला जातो ($I = I_1 + I_2$).
विभवांतर (Voltage - V)	विभवांतर प्रत्येक रोधाच्या प्रमाणात विभागले जाते ($V = V_1 + V_2$).	प्रत्येक उपकरणाला मिळणारे विभवांतर समान (२३० V) असते.
एखादे उपकरण बंद पडल्यास	परिपथ खंडित होऊन संपूर्ण जोडणी बंद पडते.	इतर उपकरणांवर काहीही परिणाम होत नाही, ती चालूच राहतात.
व्यावहारिक उपयोग	दिवाळीतील रोषणाईच्या दिव्यांची माळ (Fairy lights).	घरातील सर्व वीज जोडणी (Domestic Household Wiring).

🔥 जूलचा औष्णिक नियम व महत्त्वाची मिश्रधातू (Joule's Heating Law)

वाहकातून विद्युतप्रवाह वाहतो तेव्हा निर्माण होणारी उष्णता ($H$): $H = I^2Rt$ (जूलच्या नियमानुसार).

इस्त्री / गिझर / शेगडी (Heating elements): नायक्रोम (Nichrome: निकेल + क्रोमियम) वायर वापरतात. हिचा रोध जास्त असतो व ती वितळत नाही.

विद्युत दिवा (Electric Bulb filament): टंगस्टन (Tungsten - W) धातूची तार वापरतात. वितळण बिंदू अतिशय उच्च असतो ($\sim ३,४२२^\circ\text{C}$). बल्बमध्ये नायट्रोजन किंवा अरगॉन निष्क्रिय वायू भरतात.

सुरक्षा फ्युज वायर (Fuse wire): शिसे (Lead - Pb) व कथील (Tin - Sn) यांची संमिश्र तार. हिचा वितळण बिंदू कमी असतो, त्यामुळे अतिप्रवाहाने लगेच वितळते.

👮‍♂️ पोलीस भरती व सरळसेवा 'गोल्डन' वन-लाइनर तथ्ये (Electricity Facts)

📌 भारतातील घरगुती वीज पुरवठा: २२०–२३० व्होल्ट (V) AC आणि ५० हर्ट्झ (Hz) वारंवारता.

📌 विद्युतधारेचे एकक: अँपिअर (A) - अ‍ॅमीटरने (Ammeter) मोजतात (परिपथात एकसर जोडतात).

📌 विभवांतराचे एकक: व्होल्ट (V) - व्होल्टमीटरने (Voltmeter) मोजतात (समांतर जोडतात).

📌 अतिसंवाहकतेचा (Superconductivity) शोध: कॅमरलिंग ओन्स (१९११). पारामध्ये ४.२ K तापमानाला रोध शून्य होतो.

📌 विद्युत ऊर्जेचे सर्वात मोठे सुवाहक: चांदी (Silver - Ag), त्यानंतर तांबे (Cu) व अ‍ॅल्युमिनियम (Al).

📌 विद्युत मोटर (Electric Motor) ऊर्जा रूपांतर: विद्युत ऊर्जा → यांत्रिक ऊर्जा (फ्लेमिंगचा डाव्या हाताचा नियम).

📌 विद्युत जनरेटर (Dynamo) ऊर्जा रूपांतर: यांत्रिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा (फ्लेमिंगचा उजव्या हाताचा नियम).

📌 ट्रान्सफॉर्मर (Transformer) चे कार्य: फक्त AC व्होल्टेज कमी किंवा जास्त करणे (DC वर चालत नाही).

📌 थ्री-पिन प्लगमधील सर्वात मोठी पिन: अर्थिंग पिन (Earthing - सुरक्षिततेसाठी).

📌 घरातील वीज बिल मोजण्याचे एकक: kWh (किलोवॅट-तास) म्हणजेच 'युनिट'.

📝 MPSC Combine व राज्यसेवा सराव प्रश्न

प्र. १. घरातील सर्व विद्युत उपकरणे एकमेकांना कोणत्या जोडणीमध्ये जोडलेली असतात? [MPSC Group C]

(A) एकसर जोडणी (Series)

(B) समांतर जोडणी (Parallel)

(D) त्रिकोणी जोडणी

उत्तर: (B) समांतर जोडणी. स्पष्टीकरण: समांतर जोडणीमध्ये प्रत्येक उपकरणाला समान २३० व्होल्ट विभवांतर मिळते आणि एक उपकरण बंद पडल्यास इतर उपकरणे चालू राहतात.

प्र. २. सुरक्षा फ्युजची तार (Fuse wire) बनवण्यासाठी कोणती वैशिष्ट्ये असणे आवश्यक असते? [MPSC Combine B]

(A) उच्च रोध व उच्च वितळण बिंदू

(B) कमी रोध व उच्च वितळण बिंदू

(D) कमी रोध व कमी वितळण बिंदू

उत्तर: (C) उच्च रोध व कमी वितळण बिंदू. स्पष्टीकरण: रोध जास्त असल्यामुळे प्रवाहाने उष्णता निर्माण होते आणि वितळण बिंदू कमी असल्यामुळे परिपथात धोकादायक प्रवाह येताच ती लगेच वितळून वीजपुरवठा खंडित करते.

🧲 चुंबकत्वाचे वर्गीकरण: प्रतिचुंबकीय, अनुचुंबकीय व लोहचुंबकीय पदार्थ (Magnetic Materials)

१) प्रतिचुंबकीय (Diamagnetic): चुंबकीय क्षेत्रात किंचित प्रतिकर्षित होतात. उदा. तांबे, बिस्मथ, शिसे, सोने, पाणी, चांदी, हवा, पारा.

२) अनुचुंबकीय (Paramagnetic): चुंबकीय क्षेत्रात सौम्यपणे आकर्षित होतात. उदा. अ‍ॅल्युमिनियम, मॅग्नेशियम, टिटॅनियम, द्रव ऑक्सिजन.

३) लोहचुंबकीय (Ferromagnetic): चुंबकीय क्षेत्रात अतिशय तीव्रतेने आकर्षित होऊन कायमचे चुंबक बनतात. उदा. लोखंड (Fe), कोबाल्ट (Co), निकेल (Ni) आणि अलनिको (Alnico).

क्युरी तापमान (Curie Temperature): ज्या विशिष्ट तापमानाला लोहचुंबकीय पदार्थाचे रूपांतर अनुचुंबकीय पदार्थात होते, त्यास क्युरी तापमान म्हणतात. (उदा. लोखंडाचे क्युरी तापमान ७७०°C आहे).

🎯 सराव परीक्षा (Practice Quiz)