विद्युतऊर्जेशी संबंधित मूलभूत संकल्पना

आपल्या घरातील विजेवर चालणाऱ्या उपकरणांबद्दल जाणून घेण्यापूर्वी काही मूलभूत संकल्पना आणि प्रचलित शब्दांचे अर्थ समजून घेणे गरजेचे आहे.
विजेबद्दल बोलताना पुढील तीन शब्द वारंवार वापरले जातात- विभवांतर (Voltage), विद्युतधारा (Current) आणि रोध (Resistance). हे शब्द समजून घेणे आपल्याला थोडे अडचणीचे जाते. कारण यातले प्रत्यक्ष दिसत काहीच नाही (फक्त कधी चुकून उघडय़ा, जिवंत तारेला हात लागून बसलेला झटका अनेकांना आठवत असेल). ढगातून जमिनीकडे येणारा विजेचा कल्लोळ हाही त्यावेळी तयार झालेल्या विद्युत शक्तीला वातावरणाने दिलेला प्रतिसाद असतो किंवा खांबावरील तुटलेल्या तारेतून उडणारे स्फुिल्लग हे वितळणाऱ्या धातूचे कण असतात. वीज म्हणजे इलेक्ट्रॉन्सची हालचाल. हे इलेक्ट्रॉन विद्युतभार तयार करतात आणि हाच विद्युतभार उपकरणे चालवतो. कार्य करतो. हे कसे घडते, बघताना तीन महत्त्वाच्या संकल्पना समजून घेऊ या.

विभवांतर (Voltage)- दोन िबदूंच्या भारामधील फरक

विद्युतधारा (Current)- भाराच्या वहनाचा दर
रोध (Resistance)- धारा वाहात असताना धातूकडून होणारा विरोध. पहिले प्राथमिक गृहीतक म्हणजे, जेव्हा विद्युत परिपथ (Electric Circuit) पूर्ण होते तेव्हाच कार्य घडते.  विभवांतर (voltage) म्हणजे विद्युत परिपथातील दोन िबदूंमधील स्थितिज ऊर्जा. ही झाली त्याची व्याख्या. दोघांपकी एका िबदूवरील भार दुसऱ्यापेक्षा जास्त असतो. या दोन भारांमधील फरक म्हणजेच त्यांच्यामधील विभवांतर. याचे एकक (unit) आहे व्होल्ट (५). रासायनिक विद्युतघट करणाऱ्या अलेक्झांड्र व्होल्टा या इटालियन भौतिक शास्त्रज्ञाचे नाव या एककाला देण्यात आले आहे. भाराचे एकक आहे कूलोम (coulomb-C) आणि ऊर्जेचे एकक आहे ज्यूल (Joule-J). भारवहन होताना जेव्हा एक कुलोम विद्युत भार एका िबदूकडून दुसऱ्या िबदूकडे विस्थापित होताना जर एक ज्यूल इतके कार्य घडत असेल, तर त्या दोन िबदूमध्ये एक व्होल्ट विभवांतर असते.गणिती भाषेत ..1v=1j/C.
हे सगळे नीट समजण्यासाठी आपण  पाण्याची उपमा वापरू.
समजा- पाणी= विद्युतभार, दाब = विभवांतर आणि प्रवाह = विद्युतधारा आकृती क्र. १ मध्ये दाखवल्याप्रमाणे खाली नळी असलेली एक पाण्याची टाकी नजरेसमोर आणा.या टाकीतील पाणी म्हणजे विद्युतभार आणि नळीच्या टोकाला असणारा दाब म्हणजेच तेथील विभवांतर. जेवढे जास्त पाणी (भार) तेवढा जास्त दाब (विभवांतर.).. जर टाकीच्या जागी आपण विद्युतघट आहे असे समजले तर जसे टाकीतील कमी होणाऱ्या पाण्याबरोबर नळीच्या टोकावरील दाब कमी कमी होत जातो, तसाच विद्युतघटाच्या वापरामुळे त्यातील भार कमी होत गेल्यावर विद्युतघटाचे विभवांतर कमी होत जाते आणि विद्युतघट प्रभारित केल्यावर विभवांतर वाढते.

विद्युतधारा समजण्यासाठी आपण पुन्हा पाण्याचेच उदाहरण (आकृती क्र. २) पाहू. नळीमध्ये जेवढा जास्त दाब तेवढा जास्त प्रवाह. पाण्याचा प्रवाह आपण विशिष्ट वेळात वाहिलेले पाणी मोजून, प्रतिसेकंद किती पाणी वाहिले ते मोजू शकतो. तसेच विद्युतधारा मोजण्यासाठी विशिष्ट वेळात वाहिलेले इलेक्ट्रॉन मोजले जातात.विद्युतधारा मोजण्याचे एकक आहे अँपिअर (Amps). विशिष्ट वेळात एका िबदूतून वहन झालेला विद्युतभार.
1Amp =6.241*1018  इलेक्ट्रॉन (1C)/ सेकंद.
गणितामध्ये विद्युतधारा ''क '' (आय) या  इंग्रजी अक्षराने दाखवली जाते. रोध (Resistance)- विद्युतभार वाढवला की विभवांतर वाढते, तसेच विद्युतधाराही वाढते. पण हा परस्परसंबंध पाहात असताना टाकीच्या उदाहरणातील (आकृती क्र. ३)  नळीचा आकार, विशेषकरून नळीचे काटछेदी क्षेत्रफळ (cross section area) हाही एक महत्त्वाचा घटक, प्रवाहावर परिणाम करतो हे समजते. प्रवाह काटछेदी क्षेत्रफळाच्या प्रमाणात बदलतो. म्हणजेच जेवढे क्षेत्रफळ जास्त तेवढा रोध कमी आणि प्रवाह जास्त. क्षेत्रफळ कमी तेवढा रोध जास्त आणि प्रवाह कमी.
विद्युत परिभाषेमध्ये या रोधाचे एकक आहे ओहम. आणि गणितात ते दाखवताना ग्रीक अक्षर 'w' ओमेगा  वापरतात.
विद्युतधारा म्हणजेच वाहकातील इलेक्ट्रॉनचा प्रवाह चालू असताना गतिमान झालेले इलेक्ट्रॉन, इतर इलेक्ट्रॉन आणि आयनांवर आदळतात आणि त्यामुळे प्रवाहात अडथळा तयार होतो. विद्युतप्रवाहाला अडथळा निर्माण करण्याच्या वाहकाच्या या गुणधर्मास 'रोध' (Resistance) म्हणतात.
जर्मन भौतिक शात्रज्ञ जॉर्ज ओहम याने विभवांतर, विद्युतधारा आणि रोध यांच्यातील परस्परसंबंध शोधला आणि रोधाची व्याख्या तयार केली. दोन िबदूंमध्ये जर एक v विभवांतर असताना जर त्यातून एक  Amp विद्युतधारा वाहात असेल तर त्या दोन िबदूमधील रोध एक ओहम असतो.
हाच ओहमचा नियम म्हणूनही प्रसिद्ध आहे. गणिती भाषेत  रोध R या अक्षराने दाखवला जातो. हा नियम सूत्ररूपाने असा मांडला जातो.
R= V/I.. रोध= विभवांतर / विद्युतधारा.विद्युत ऊर्जा वापरण्याचा दर म्हणजे विद्युत शक्ती. त्याचे एकक आहे वॅट. जर विद्युतधारेमुळे एका सेकंदात एक ज्यूल कार्य होत असेल तर एक वॅट विद्युतशक्ती वापरली गेली असे म्हणतात. आपल्या घरी येणाऱ्या वीज वापराचे एकक १ किलो वॅट अवर (KWH) म्हणजेच १००० वॅटतास= १ युनिट असे असते. घरातील बहुतेक विद्युत उपकरणावर त्याची शक्ती वॅटमध्ये लिहिलेली असते. त्याचे जर नीट गणित केले तर आपण किती वीज वापरायची, हे नियंत्रित करू शकतो.

लेखक : दीपक देवधर (तंत्रजिज्ञासा)

स्त्रोत : लोकसत्ता, लोकरंग, १२ एप्रिल २०१५

माहिती संकलन : अमरीन पठाण