સાદો વીજ પરિપથ અને તેના ઘટકો (Simple electrical circuit and its elements)

ઉદ્દેશ્યો (Objectives): આ પાઠના અંતે તમે આ બાબતો સમજાવી શકશો:

• સાદા વીજ પરિપથનું વર્ણન કરવું.
• વીજ પ્રવાહ (Current), તેના એકમો અને માપવાની પદ્ધતિ (Ammeter).
• emf, પોટેન્શિયલ ડિફરન્સ (Potential difference), તેના એકમો અને વોલ્ટમીટર (Voltmeter).
• અવરોધ (Resistance) અને તેના એકમો.

સાદો વીજ પરિપથ (Simple electric circuit): એક સાદો વીજ પરિપથ એવો માર્ગ છે જેમાં પ્રવાહ સ્ત્રોત (Source) થી લોડ (Load) તરફ વહે છે અને ફરી સ્ત્રોત પર પાછો આવે છે.

વીજ પ્રવાહ (Electric Current): આકૃતિ ૨ એક સાદો પરિપથ દર્શાવે છે જેમાં બેટરી ઉર્જા સ્ત્રોત તરીકે અને લેમ્પ અવરોધ (Resistance) તરીકે છે. જ્યારે સ્વિચ બંધ (Closed) કરવામાં આવે છે, ત્યારે લેમ્પ ચાલુ થાય છે કારણ કે બેટરીના પોઝિટિવ (+ve) ટર્મિનલમાંથી પ્રવાહ વહેવાનું શરૂ થાય છે.

• ઇલેક્ટ્રોનનો પ્રવાહ (Flow of Electrons): વાસ્તવમાં, ઇલેક્ટ્રોન બેટરીના નેગેટિવ (-ve) ટર્મિનલથી લેમ્પ તરફ અને ત્યાંથી પોઝિટિવ (+ve) ટર્મિનલ તરફ વહે છે.
• રૂઢિગત પ્રવાહ (Conventional Current): જોકે, પ્રવાહની દિશા રૂઢિગત રીતે પોઝિટિવ (+ve) થી નેગેટિવ (-ve) તરફ લેવામાં આવે છે. આપણે કહી શકીએ કે રૂઢિગત પ્રવાહની દિશા ઇલેક્ટ્રોનના પ્રવાહની દિશા કરતા વિરુદ્ધ હોય છે.

 કરંટનો પ્રવાહ (Current Flow)

સર્કિટમાં કરંટનો પ્રવાહ હંમેશા સોર્સ (Source) ના +ve (પોઝિટિવ) ટર્મિનલથી નીકળીને લોડ (Load) તરફ જાય છે અને ત્યાંથી પાછો સોર્સના -ve (નેગેટિવ) ટર્મિનલ પર આવે છે. (Fig 1 મુજબ)

 એમ્પિયર (Ampere)

કરંટના યુનિટને (Unit of current) એમ્પિયર (Ampere) કહેવામાં આવે છે, જેને ટૂંકમાં ‘I’ તરીકે ઓળખાય છે અને તેનો સિમ્બોલ ‘A’ છે.

• વ્યાખ્યા: જો 1 સેકન્ડમાં $6.24 \times 10^{18}$ ઇલેક્ટ્રોન્સ 1 ઓહ્મ (Ohm) રઝિસ્ટન્સ ધરાવતા કન્ડક્ટરમાંથી પસાર થાય અને તેના કારણે 1 વોલ્ટનો પોટેન્શિયલ ડિફરન્સ ઊભો થાય, તો તેનો અર્થ છે કે કન્ડક્ટરમાંથી 1 એમ્પિયર કરંટ પસાર થયો છે.

 એમીટર (Ammeter)

આપણે જાણીએ છીએ કે ઇલેક્ટ્રોન્સને નરી આંખે જોઈ શકાતા નથી અને કોઈ પણ માણસ તેને ગણી શકતું નથી. તેથી, સર્કિટમાં કરંટ માપવા માટે જે સાધન વપરાય છે તેને એમીટર (Ammeter) કહેવામાં આવે છે.

• જોડાણ (Connection): એમીટર હંમેશા સર્કિટમાં લોડ (Resistance) ની સાથે સીરીઝ (Series) માં જોડવું જોઈએ, જે Fig 3 માં દર્શાવેલ છે.

 Electro Motive Force (EMF) – विद्युत वाहक बल 

 ઇલેક્ટ્રો મોટિવ ફોર્સ – EMF (Electro Motive Force)

સર્કિટમાં ઇલેક્ટ્રોન્સને વહેતા કરવા માટે એટલે કે કરંટ ચાલુ કરવા માટે ઇલેક્ટ્રિકલ એનર્જીના સોર્સની જરૂર પડે છે. ઉદાહરણ તરીકે, ટોર્ચમાં બેટરી એ ઇલેક્ટ્રિકલ એનર્જીનો સોર્સ છે.

• કેવી રીતે કામ કરે છે? બેટરીની અંદર નેગેટિવ ટર્મિનલ પાસે ઇલેક્ટ્રોન્સનો વધારો (excess) હોય છે, જ્યારે પોઝિટિવ ટર્મિનલ પાસે ઇલેક્ટ્રોન્સની અછત (deficit) હોય છે. બેટરીમાં રહેલા આ તફાવતને કારણે જ EMF ઉત્પન્ન થાય છે, જે ઇલેક્ટ્રોન્સને ધક્કો મારે છે.

EMF વિશે ટૂંકમાં:

• EMF એ એવું ઇલેક્ટ્રિકલ ફોર્સ છે જે કન્ડક્ટરમાં ઇલેક્ટ્રોન્સને ગતિ આપે છે.
• તેનો યુનિટ ‘Volt’ (વોલ્ટ) છે.
• તેને ‘E’ અક્ષર દ્વારા દર્શાવવામાં આવે છે.
• સૂત્ર (Formula):
  • $E = \text{Potential Difference (P.D)} + \text{V. drop}$
  • $E = V + IR$

 પોટેન્શિયલ ડિફરન્સ – PD (Potential Difference)

સર્કિટના કોઈપણ બે પોઈન્ટ વચ્ચેના વોલ્ટેજ અથવા પ્રેશરના તફાવતને પોટેન્શિયલ ડિફરન્સ (P.D) કહેવામાં આવે છે. તેને પણ વોલ્ટમાં માપવામાં આવે છે.

• મહત્વનો તફાવત:
  1. જ્યારે સર્કિટ ઓપન (Open condition) હોય, ત્યારે સેલના ટર્મિનલ પરના વોલ્ટેજને EMF કહેવાય છે.
  2. જ્યારે સર્કિટ ક્લોઝ (Closed condition) હોય, ત્યારે ટર્મિનલ પરના વોલ્ટેજને Potential Difference (P.D) કહેવાય છે.
  3. P.D ની વેલ્યુ હંમેશા EMF કરતા ઓછી હોય છે કારણ કે સેલના ઈન્ટરનલ રઝિસ્ટન્સને કારણે થોડો વોલ્ટેજ ડ્રોપ (V. drop) થાય છે.

ગણતરી માટેનું સૂત્ર: $EMF = \text{voltage at the terminal of source of supply} + \text{voltage drop in the source of supply}$ અથવા $EMF = V_T + IR$

1. ટર્મિનલ વોલ્ટેજ (Terminal Voltage – p.d) 

સપ્લાયના સોર્સ (source) ના ટર્મિનલ પર જે વોલ્ટેજ ઉપલબ્ધ હોય છે, તેને Terminal Voltage કહેવામાં આવે છે.

• તેનો સિમ્બોલ (Symbol) $V_T$ છે.
• તેનો યુનિટ (Unit) પણ Volt છે અને તેને Voltmeter દ્વારા માપવામાં આવે છે.
• તેનું સૂત્ર છે: $V_T = EMF – IR$
• આથી, EMF હંમેશા p.d ($V_T$) કરતા વધારે હોય છે. [$E.M.F > p.d$]

2. વોલ્ટમીટર (Voltmeter) 

• Electrical Voltage માપવા માટે વોલ્ટમીટરનો ઉપયોગ થાય છે.
• વોલ્ટમીટરનું જોડાણ હંમેશા સર્કિટમાં Parallel (સમાંતર) કરવામાં આવે છે.

3. રેઝિસ્ટન્સ (Resistance – R) 

• સર્કિટમાં કરંટ (Current) ના વહેવામાં જે અવરોધ પેદા થાય છે તેને Resistance કહેવામાં આવે છે.
• કંડક્ટર અથવા લોડનો રેઝિસ્ટન્સ કરંટના ફ્લોને કંટ્રોલ કરે છે.
• મહત્વની નોંધ: જો સર્કિટમાં રેઝિસ્ટન્સ ન હોય, તો કરંટનું મૂલ્ય ખૂબ જ વધી જાય છે (Abnormal high value), જે સર્કિટને નુકસાન પહોંચાડી શકે છે.

 4. ઓહ્મ (Ohm) Ω

• Electrical Resistance નો યુનિટ Ohm છે (જેને સંકેતમાં $\Omega$ તરીકે દર્શાવાય છે).
• રેઝિસ્ટન્સ માપવા માટેનું મીટર: મિડિયમ રેઝિસ્ટન્સ માપવા માટે Ohmmeter અથવા Wheatstone Bridge નો ઉપયોગ થાય છે.

Summary Table (संक्षेप में):

5. આંતરરાષ્ટ્રીય ધોરણો (International Standards) 

• International Ohm: આ તે રેઝિસ્ટન્સ છે જે $0^\circ C$ તાપમાને $14.4521$ ગ્રામ વજન ધરાવતા અને $106.3$ સેમી લંબાઈ ધરાવતા પારો (Mercury) ના સ્તંભ દ્વારા ઓફર કરવામાં આવે છે.
• International Ampere: આ તે સ્થિર કરંટ (Unvarying current) છે, જે જ્યારે Silver Nitrate ના દ્રાવણમાંથી પસાર થાય છે, ત્યારે કેથોડ પર દર સેકન્ડે $1.118$ મિલિગ્રામ ચાંદી જમા કરે છે.
• International Volt: આ તે પોટેન્શિયલ ડિફરન્સ છે જે $1$ ઇન્ટરનેશનલ ઓહ્મ રેઝિસ્ટન્સ ધરાવતા કંડક્ટરમાંથી $1$ ઇન્ટરનેશનલ એમ્પીયર કરંટ પસાર કરવા માટે જરૂરી છે. તેનું મૂલ્ય $1.00049V$ છે.

 6. કન્ડક્ટન્સ (Conductance – G) 

• કંડક્ટરનો જે ગુણધર્મ કરંટને વહેવામાં મદદ કરે છે તેને Conductance કહેવાય છે.
• તે રેઝિસ્ટન્સનો વ્યસ્ત (Reciprocal) છે.
• તેનો સિમ્બોલ G છે ($G = 1/R$) અને તેનો યુનિટ mho ($\mho$) છે.
• સારા કંડક્ટરમાં Conductance વધારે હોય છે અને ઇન્સ્યુલેટરમાં તે ખૂબ ઓછું હોય છે.

 7. ઇલેક્ટ્રિસિટીનો જથ્થો (Quantity of Electricity – Q) 

• સર્કિટના કોઈ પણ ભાગમાંથી વહેતા ઇલેક્ટ્રિસિટીના જથ્થાને Quantity of Electricity (Q) કહે છે.
• તેનો યુનિટ Coulomb (C) છે.
• સૂત્ર: $Q = I \times t$ (જ્યાં $I$ = Ampere અને $t$ = time in seconds)

Coulomb: જો $1$ એમ્પીયર કરંટ $1$ સેકન્ડ માટે વહે, તો તે જથ્થાને $1$ કુલંબ કહેવાય. મોટો યુનિટ Ampere-hour (A.h) છે.