PHYSICS | పదార్థాల ప్రథమ లక్షణం.. ఆవేశ జనితం..
భౌతికశాస్త్రం
విద్యుత్
క్రీ.పూ. 600 సంవత్సరాల క్రితం థేల్స్ శాస్త్రవేత్త సీమ గుగ్గిలంను ఉన్నితో రాపిడి చేసినప్పుడు ఈ రెండింటికి ఆకర్షించే గుణం వస్తుందని తెలిపారు. డా. గిల్బర్ట్ పదార్థంలోని ఎలక్ట్రాన్ల మార్పిడి కారణంగా విద్యుత్ ప్రవహిస్తుందని తెలిపారు. గిల్బర్ట్ గాజుకడ్డీని సిల్క్ వస్త్రంతో రాపిడి జరిపినప్పుడు గాజుకడ్డీ ధనావేశం, సిల్క్ వస్త్రం రుణావేశాన్ని పొందుతుంది. దీనికే విద్యుత్ అని పేరు పెట్టారు.
- లూయీ గాల్వానీ జంతువుల దేహంలో విద్యుత్ ఉంటుందని, జీవ విద్యుత్ను కనుగొన్నారు. ఇతను మొదట విద్యుత్ అనే పదాన్ని ఉపయోగించారు.
- రెండు లోహాలను ఒక ద్రవంలో ఉంచినప్పుడు విద్యుత్ ప్రవహిస్తుంది
– వోల్టా, ఇటలీ శాస్త్రవేత్త - ఇంగ్లండ్లోని గోడోల్మింగ్ అనే ప్రాంతంలో ప్రయోగాత్మకంగా మొదటి పవర్ప్లాంట్ను నిర్మించారు.
- థామస్ ఆల్వా ఎడిసన్ మొదటి విద్యుత్ ఉత్పత్తి కేంద్రాన్ని స్థాపించారు.
- అమెజాన్లో ‘ఈల్’ చేపలు విద్యుత్ను పుట్టించి మనిషిని సైతం చంపగలవు.
ఆవేశం (Charge) - ఆవేశం పదార్థపు ప్రాథమిక లక్షణం.
- బెంజిమన్ ఫ్రాంక్లిన్ అనే శాస్త్రవేత్త మేఘాల్లోకి గాలిపటాలను ఎగురవేసి ఆవేశం గురించి పరిశోధనలు చేశారు.
- ఆవేశం = n x qe
- n = పదార్థం గ్రహించిన/కోల్పోయిన
ఎలక్ట్రాన్ల సంఖ్య - qe = ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశం = (-) 1.602 x 10-19 కులూంబ్లు
- నోట్ – 6.25 x 1018 ఎలక్ట్రాన్లపై ఉన్న ఆవేశం ఒక కులూంబ్కు సమానం
విద్యుత్ – రకాలు - విద్యుత్ను ప్రధానంగా 2 రకాలుగా విభజించవచ్చు
1. స్థిర విద్యుత్ - ఇది నిశ్చల స్థితిలో ఉన్న విద్యుత్ ఆవేశాల గురించి తెలిపేది.
కులూంబ్ విలోమ వర్గ నియమం - కులూంబ్ విలోమ వర్గ నియమం ఆవేశాల మధ్య పనిచేసే బలాలను గణించే విధానాన్ని తెలుపుతుంది
- q1, q2 ఆవేశాలు, r మధ్యదూరం, యానకం ప్రవేశ శీల్యత
- q1 ఆవేశం q2 ను ఎంత బలంగా ఆకర్షిస్తుందో, q2 కూడా q1ను అంతే బలంగా ఆకర్షిస్తుంది.
- ఒకదానిపై మరోటి కలుగజేసే ఈ బలాలు ‘చర్యా’ ‘ప్రతిచర్య’ బలాలు.
- ఒక బిందురూప ఆవేశ ప్రభావం ఎంత మేరకు విస్తరించి ఉంటుందో ఆ ప్రాంతాన్ని ‘విద్యుత్ క్షేత్రం’ అంటారు.
- సజాతి ఆవేశాలు వికర్షించుకుంటాయి. విజాతి ఆవేశాలు ఆకర్షించుకుంటాయి.
- ఆవేశాల మధ్య దూరం రెట్టింపైతే, బలం నాలుగో వంతుకు తగ్గుతుంది.
2. ప్రవాహ విద్యుత్ - చలనంలో ఉన్న విద్యుత్ ఆవేశాల ఫలితం
- ఆవేశం ప్రసరించే విధానం రెండు రకాలు
1. ఏకాంతర విద్యుత్ ప్రవాహం - కాలంతో పాటు తన దిశను మార్చుకుంటూ ప్రయాణం చేసే కరెంటును ఏకాంతర విద్యుత్ ప్రవాహం అంటారు.
- దీన్ని నిల్వ చేయలేం.
ఉదా : 1. ఇంట్లో వినియోగించే కరెంటు
2. పరిశ్రమలు, వ్యవసాయంలో వినియోగించే కరెంట్
3. దూర ప్రాంతాలకు అధిక పొటెన్షియల్ వద్ద విద్యుత్ నష్టం లేకుండా సరఫరా చేయవచ్చు.
2. ఏకముఖ విద్యుత్ ప్రవాహం - కాలంతో పాటు తన దిశను మార్చుకోకుండా ప్రయాణం చేసే కరెంట్ను ఏకముఖ విద్యుత్ ప్రవాహం అంటారు.
- దీన్ని నిల్వ చేయవచ్చు. ఉదా. కంప్యూటర్, టీవీ, మొబైల్ బ్యాటరీ
కిర్కాఫ్ మొదటి నియమం - వలయంలో సంధివైపునకు ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహాల మొత్తం, ఈ సంధి నుంచి బయటకు ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహాల మొత్తానికి సమానం
- ఈ నియమం ఆవేశాల నిత్యత్వాన్ని సూచిస్తుంది.
కిర్కాఫ్ రెండవ నియమం - ఒక వలయంలో పొటెన్షియల్ భేదాల్లోని మార్పుల బీజీయ మొత్తం సున్నా అవుతుంది.
- ఈ నియమం శక్తినిత్యత్వాన్ని సూచిస్తుంది.
పదార్థాలు – రకాలు - విద్యుత్ పరంగా పదార్థాలను నాలుగు రకాలుగా వర్గీకరించవచ్చు.
1. వాహకాలు
2. బంధకాలు
3. అర్ధవాహకాలు
4. అతివాహకాలు
1. వాహకాలు - ఏ పదార్థాలైతే తమ నుంచి విద్యుత్ను ప్రసరింపజేస్తాయో ఆ పదార్థాలను వాహకాలు అంటారు.
ఉదా : మానవ శరీరం, మలినమైన నీరు, ఇనుము, రాగి, అల్యూమినియం, వెండి, గ్రాఫైట్
నోట్ – ఉత్తమ విద్యుత్ వాహకం వెండి. తర్వాత గ్రాఫైట్
2. బంధకాలు - ఏ పదార్థాలైతే తమ నుంచి విద్యుత్ను ప్రసరింపచేయవో ఆ పదార్థాలను ‘విద్యుత్ బంధకాలు’ అంటారు.
ఉదా. స్వచ్ఛమైన నీరు, వజ్రం, కర్ర, ప్లాస్టిక్, పీవీసీ, రాయి, రబ్బరు, గాజు - ఉత్తమ విద్యుత్, ఉష్ణ బంధకం – వజ్రం
- మైకా ఉత్తమ ఉష్ణ వాహకం, ఉత్తమ
విద్యుత్బంధకం
3. అర్ధవాహకాలు - తమ నుంచి విద్యుత్ను పాక్షికంగా అనుమతించే పదార్థాలను అర్థవాహకాలు అంటారు.
ఉదా. సిలికాన్, జెర్మేనియం
4. అతి వాహకాలు - లోహాలను చల్లబరిచినప్పుడు ఒక అల్ప ఉష్ణోగ్రత వద్ద వాటి నిరోధం శూన్యం అవుతుంది. విద్యుత్ ప్రవాహం నష్టం లేకుండా నిరంతరాయంగా ప్రవహిస్తుంది. ఈ ధర్మాన్ని అతివాహకత అంటారు.
- ఈ స్థితిలోని పదార్థాలను అతివాహకాలు అంటారు.
అతివాహకత్వం - అతివాహకత్వ లక్షణాన్ని మొదటిసారి పాదరసం 4.2 కెల్విన్ ఉష్ణోగ్రత వద్ద ప్రదర్శించింది. దీన్ని 1911లో కామర్లింగ్ ఓన్స్ కనుగొన్నారు.
- ఇందుకు ఇతనికి 1913లో నోబెల్ బహుమతి లభించింది.
- అతివాహకత్వ స్థితిలో పదార్థాలు డయా అయస్కాంత లక్షణాన్ని ప్రదర్శిస్తాయి.
- జార్జ్ బెడ్రోంజ్, అలెక్స్ ముల్లర్లు అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద అతి వాహకత్వాన్ని ప్రదర్శించే పింగాణీ పదార్థాన్ని కనుగొన్నారు.
అనువర్తనాలు
1. అతివాహకత్వ స్థితిలో వస్తువులు మాగ్నటిక్ లేవిటేషన్ను ప్రదర్శిస్తాయి.
2. మాగ్లెవ్ రైలును జపాన్వారు తయారుచేశారు. ఈ రైలు ప్రయాణించేటప్పుడు పట్టాలపై కొన్ని సెంటీమీటర్ల ఎత్తులో తేలియాడుతుంది.
3. అత్యంత సునిశితత్వంగల MRI స్కానింగ్ పరికరాల్లో ఈ టెక్నాలజీ ఉపయోగిస్తారు.
4. SQUID (Super Conducting Quantum Interference Devices)లలో ఈ టెక్నాలజీని ఉపయోగిస్తారు. - సంకేతాలను ఉపయోగించి గీసిన పటాన్ని ‘వలయం’ అంటారు.
- సామర్థ్య జనకం(బ్యాటరీ), సామర్థ్య వినియోగదారుడు (బల్బు), సంధానకాలు (తీగలు), కలిపి ఉండే ఏర్పాటును ‘విద్యుత్ వలయం’ అంటారు.
కరెంట్ - ప్రమాణ కాలంలో ఏదైనా వాహకం నుంచి ప్రయాణించిన ఆవేశాన్ని ‘కరెంట్’ అంటారు.
- కరెంట్ (i) = q/t
- ప్రమాణాలు – coulumb/sec. (amperes)
ఆంపియర్
- ఒక సెకను కాలంలో ఏదైనా వాహకం నుంచి కులూంబ్ ఆవేశం ప్రయాణించినప్పుడు అది ఒక ఆంపియర్కు సమానం.
- తీగలో ఒక ఆంపియర్ విద్యుత్ ప్రవహిస్తే, దాని నుంచి ఒక సెకను కాలంలో 6.25×1018 ఎలక్ట్రాన్లు ప్రవహిస్తాయి.
1. గాల్వనోమీటర్ - విద్యుత్ వలయంలో అతి తక్కువ విద్యుత్ ప్రవాహాలను కొలవడానికి విద్యుత్ ప్రవాహాల దిశను తెలుసుకోవడానికి ఉపయోగిస్తారు.
- దీన్ని వలయంలో ఎల్లప్పుడూ శ్రేణిలో కలపాలి.
- దీని నిరోధం చాలా స్వల్పంగా ఉంటుంది.
2. అమ్మీటర్ - వలయంలో విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని కొలవడానికి ఉపయోగిస్తారు.
- గాల్వనోమీటర్కు అల్ప నిరోధాన్ని సమాంతరంగా కలపడం ద్వారా అమ్మీటర్ తయారవుతుంది.
- దీన్ని వలయంలో శ్రేణిలో కలపాలి
- ఆదర్శ అమ్మీటర్ నిరోధం శూన్యం
3. వోల్ట్మీటర్ - వలయంలో ఏవైనా రెండు బిందువుల మధ్య పొటెన్షియల్ను కొలవడానికి ఉపయోగిస్తారు.
- గాల్వనోమీటర్కు అధిక నిరోధాన్ని శ్రేణిలో కలపడం ద్వారా వోల్ట్మీటర్ తయారవుతుంది.
- వోల్ట్మీటర్ను ఎప్పుడూ వలయానికి సమాంతరంగా కలుపుతారు.
నోట్– ఆదర్శ వోల్ట్మీటర్ నిరోధం అనంతం - పొటెన్షియల్ మీటర్ ఆదర్శ వోల్ట్మీటర్గా పనిచేస్తుంది.
పొటెన్షియల్ - ఒక కులూంబ్ ధన ఆవేశాన్ని అనంతదూరం నుంచి విద్యుత్ క్షేత్రంలోకి తీసుకురావడంలో జరిగిన పనిని ఆ బిందువు వద్ద పొటెన్షియల్ అంటారు.
- ఒక కులూంబ్ ధన ఆవేశాన్ని అనంతదూరం నుంచి విద్యుత్ క్షేత్రంలోకి తీసుకురావడంలో జరిగిన పని ఒక జౌల్ అయితే ఆ బిందువు వద్ద పొటెన్షియల్ ఒక వోల్ట్కు సమానం.
- ఎలక్ట్రాన్లను అధిక పొటెన్షియల్ వైపునకు తరలించడానికి విద్యుత్ ఘటం చేసే పనిని విద్యుచ్ఛాలక బలం (లేదా) ఎలక్ట్రో మోటివ్ ఫోర్స్ అంటారు.
- విద్యుచ్ఛాలక బలం అనేది ప్రమాణ ఆవేశానికి ఉన్న శక్తిని తెలియజేస్తుంది. ఇది బలం కాదు.
- వలయంలో విద్యుత్ ప్రవాహం ఎక్కువ పొటెన్షియల్ నుంచి తక్కువ పొటెన్షియల్కు ప్రసరిస్తుంది.
- బ్యాటరీ లోపల విద్యుత్ ప్రవాహం రుణావేశం (-) నుంచి ధనావేశానికి (+) ప్రయాణిస్తుంది.
- వలయంలో ఎలక్ట్రాన్లు రుణ పలక నుంచి ధన పలక వైపు పయణిస్తాయి.
నిరోధం - పదార్థాలు స్వేచ్ఛా ఎలక్ట్రాన్ల ప్రవాహాన్ని వ్యతిరేకించే లక్షణాన్ని నిరోధం అంటారు. దీనికి ప్రమాణాలు ఓమ్లు.
