Automotive Related Theory for Exercise 1.4.30 – 32

Mechanic Diesel – Electrical and Electronics

Battery (બેટરી) 🔋

Objectives: આ લેસનના અંતે તમે નીચેની બાબતો શીખી શકશો:

• Cells નું classification (વર્ગીકરણ) જણાવી શકશો.
• Primary cells વિશે સમજાવી શકશો.
• Secondary cells વિશે સમજાવી શકશો.
• Lead acid battery ની બનાવટ (construction) સમજાવી શકશો.
• Discharging દરમિયાન થતી chemical action સમજાવી શકશો.
• Charging દરમિયાન થતી chemical action સમજાવી શકશો.
• Battery ની maintenance (જાળવણી) વિશે જણાવી શકશો.
• Battery નું testing કઈ રીતે કરવું તે સમજાવી શકશો.

Cell એટલે શું? (What is a Cell?)

Cell એ એક electrochemical device છે જેમાં બે electrodes અને એક electrolyte હોય છે. Electrodes અને electrolyte વચ્ચે થતી chemical reaction (રાસાયણિક પ્રક્રિયા) થી voltage ઉત્પન્ન થાય છે. Cells નું વર્ગીકરણ (Classification of Cells):

1. Dry cells (ડ્રાય સેલ)
2. Wet cells (વેટ સેલ)

• Dry cells: આ સેલમાં electrolyte પેસ્ટ અથવા જેલ (gel) સ્વરૂપે હોય છે. તે semi-sealed હોય છે અને તેને ગમે તે પોઝિશનમાં વાપરી શકાય છે. 🔋
• Wet cells: આમાં બે પ્લેટ અને પ્રવાહી (liquid) electrolyte હોય છે. આ સેલમાં ગેસ બહાર નીકળવા માટે vent holes હોય છે. સૌથી સામાન્ય wet cell એ lead acid cell છે. વેટ સેલને ફરીથી રિચાર્જ (recharge) કરી શકાય છે.

Primary cells (પ્રાયમરી સેલ)

Primary cells એ એવા સેલ છે જે rechargeable નથી. ડિસ્ચાર્જ દરમિયાન થતી રાસાયણિક પ્રક્રિયા ઉલટાવી શકાતી નથી (not reversible). Primary cells ના પ્રકારો:

• Voltanic cell
• Carbon zinc cell
• Alkaline cell
• Mercury cell
• Silver oxide cell
• Lithium cell

Secondary cell (Lead acid battery) 🔄

આ સેલને ઉલટી દિશામાં electric current આપીને ફરીથી recharge કરી શકાય છે.

Lead acid battery (Fig 1 & 2)

આ બેટરી electrical energy ને chemical energy માં અને તેનાથી ઉલટું રૂપાંતર કરતું electrochemical device છે. આનો મુખ્ય હેતુ chemical energy ના સ્વરૂપમાં electrical energy ને સ્ટોર કરવાનો છે. જ્યારે એન્જિન ચાલુ ન હોય ત્યારે તે વિવિધ electrical accessories ને પાવર પૂરો પાડે છે. જ્યારે એન્જિન ચાલુ હોય ત્યારે તેને dynamo/alternator દ્વારા સપ્લાય મળે છે. તેને accumulator અથવા storage battery પણ કહેવામાં આવે છે. બનાવટ (Construction): Automotive battery ની પ્લેટો લંબચોરસ (rectangular) હોય છે. તે Lead (સીસું) ની બનેલી હોય છે. તેને મજબૂતી આપવા માટે તેમાં Antimony alloy નો ઉપયોગ થાય છે. Positive terminal સાથે જોડાયેલ પ્લેટોના જૂથમાં lead peroxide ની પેસ્ટ ભરેલી ગ્રીડ હોય છે, જેનો રંગ બદામી (brown) હોય છે. Negative terminal સાથે જોડાયેલ પ્લેટોના જૂથમાં spongy lead ભરેલી ગ્રીડ હોય છે, જેનો રંગ ઝાંખો રાખોડી (dull grey) હોય છે. દરેક પ્લેટના જૂથને post strap દ્વારા પકડવામાં આવે છે, જ્યાં દરેક પ્લેટને વેલ્ડિંગ કરવામાં આવે છે. આ post strap બેટરી ટર્મિનલ્સ પૂરા પાડવા માટે cell cover સુધી લંબાયેલ હોય છે. Positive અને negative પ્લેટોને એકાંતરે (alternatively) ગોઠવવામાં આવે છે અને તેમની વચ્ચે separators નો ઉપયોગ કરવામાં આવે છે જેથી શોર્ટ સર્કિટ ન થાય. Separators લાકડું, હાર્ડ રબર, રેઝિન અથવા ગ્લાસ ફાઈબરના બનેલા હોય છે. બેટરીનું Container હાર્ડ રબરનું બનેલું હોય છે જેના પર electrolyte ની અસર થતી નથી. તેમાં Sulphuric acid અને distilled water નું મિશ્રણ (electrolyte) પ્લેટોની ઉપર 1/4″ થી 3/8″ સુધી ભરવામાં આવે છે. ગેસ બહાર નીકળવા માટે Filler cap with air vents આપવામાં આવે છે.

Chemical Reactions (રાસાયણિક પ્રક્રિયાઓ) ⚗️

Discharging (ડિસ્ચાર્જિંગ – Fig 3): ડિસ્ચાર્જિંગ દરમિયાન, sulphuric acid બે ભાગમાં વહેંચાય છે: hydrogen ($H_2$) અને sulphate ($SO_4$). Hydrogen પ્લેટ પરના lead peroxide ($PbO_2$) સાથે મળીને lead oxide ($PbO$) અને પાણી ($H_2O$) બનાવે છે. $SO_4$ પ્લેટો સાથે જોડાઈને Lead Sulphate ($PbSO_4$) બનાવે છે. આ પ્રક્રિયામાં electrolyte નબળું પડે છે.

Charging (ચાર્જિંગ – Fig 4): જ્યારે બેટરીને ચાર્જર અથવા ડાયનેમો દ્વારા કરંટ આપવામાં આવે છે, ત્યારે ઉલટી રાસાયણિક પ્રક્રિયા થાય છે. Lead sulphate ફરીથી lead peroxide (positive plate) અને spongy lead (negative plate) માં ફેરવાય છે. Electrolyte ફરીથી ઘટ્ટ (concentrated) બને છે.

Maintenance of Battery (બેટરીની જાળવણી) 🛠️

બેટરી મોંઘી વસ્તુ છે, તેથી તેની જાળવણી જરૂરી છે:

1. દર અઠવાડિયે electrolyte લેવલ ચેક કરો. તે પ્લેટોથી 10 mm થી 15 mm ઉપર હોવું જોઈએ.
2. Hydrometer (હાઇડ્રોમીટર) દ્વારા બેટરીની Specific Gravity ચેક કરો. જો તે 1.180 થી ઓછી હોય, તો થોડા ટીપાં sulphuric acid ઉમેરો.

Specific Gravity Readings Table: 

• Cell Tester વડે વોલ્ટેજ ચેક કરો. ફૂલ ચાર્જ બેટરીનો વોલ્ટેજ 2.0 થી 2.3 volts પ્રતિ સેલ હોવો જોઈએ.
• બેટરી ટર્મિનલ્સ પર કાટ (corrosion) ન લાગે તે માટે તેના પર Petroleum Jelly લગાવો. 🧴

Battery Selection (બેટરીની પસંદગી) 🚗

મોટાભાગની કારમાં 12V battery વપરાય છે. બેટરીની પસંદગી એન્જિનને ચાલુ કરવા માટે જરૂરી કરંટ (150A થી 1000A) અને કારમાં રહેલી એક્સેસરીઝ પર આધાર રાખે છે.

Battery Rating (બેટરી રેટિંગ) ⚡

Ampere-hour (AH) rating: આ બેટરી કેટલી ક્ષમતા ધરાવે છે તે દર્શાવે છે. જો 60 AH ની બેટરી હોય, તો તે 20 કલાક સુધી 3 Ampere કરંટ આપી શકે છે ($20 \times 3 = 60$).

Charging Methods (ચાર્જિંગની રીતો):

1. Slow Charging (Fig 7): ઓછો કરંટ (લગભગ 5A) લાંબા સમય સુધી આપીને ચાર્જ કરવામાં આવે છે.

1. Fast Charging (Fig 8): 10 થી 50A જેટલો ઊંચો કરંટ આપીને ઝડપથી ચાર્જ કરવામાં આવે છે. સાવચેતી: જો electrolyte નું તાપમાન $125^\circ F$ થી વધી જાય તો ચાર્જિંગ રેટ ઘટાડવો જોઈએ. ⚠️

Sealed Maintenance Free (SMF) Battery ના ફાયદા ✨

• Electrolyte લેવલ ચેક કરવાની કે પાણી ઉમેરવાની જરૂર નથી.
• Electrolyte લીક થવાની કોઈ શક્યતા નથી.
• ટર્મિનલ્સ સાફ કરવાની કે કાટ દૂર કરવાની મહેનત બચે છે.
• લાંબુ આયુષ્ય અને સારી કામગીરી

💡 Electricity Effects (વીજળીની અસરો)

Objectives (ઉદ્દેશ્યો): આ લેસનના અંતે તમે શીખશો:

• Electro-chemical process જણાવવી.
• Electric currents ની અસર જણાવવી.
• Thermo couple વિશે જણાવવું.
• Thermo electric energy વિશે જણાવવું.
• Piezo electric energy વિશે જણાવવું.
• Photo voltaic energy વિશે જણાવવું.

🧪 Chemical Sources (Fig 1)

જો બે વિદ્યુત સુવાહક સામગ્રી (electrically conducting materials – metals) ને મીઠાના દ્રાવણમાં (salt solutions) ડૂબાડવામાં આવે, તો બે ધાતુઓ (electrodes, poles) વચ્ચે electric charge ઉત્પન્ન થાય છે.

• ઉદાહરણ: કોપર અને ઝીંકનું મીઠાના દ્રાવણમાં મિશ્રણ.
• બીજું કોમ્બિનેશન લેડ (Lead) અને સલ્ફ્યુરિક એસિડ (Sulphuric acid) છે. આને Wet Cell તરીકે ઓળખવામાં આવે છે અને તે direct current (DC) આપે છે. આનો ઉપયોગ મોટર વાહનોની લેડ એસિડ બેટરીમાં થાય છે.

⚙️ Dynamic Electricity (Fig 2)

મિકેનિકલ એનર્જીને ઇલેક્ટ્રિકલ એનર્જીમાં રૂપાંતરિત કરીને A/C અથવા D/C જનરેટર દ્વારા કરંટ ઉત્પન્ન કરવામાં આવે છે. જ્યારે કોઈ કંડક્ટરને મેગ્નેટિક ફિલ્ડમાં ખસેડવામાં આવે છે ત્યારે તેમાં E.M.F સેટ થાય છે. આ Dynamo નો સિદ્ધાંત છે. ⚡🔋

⚡ The Effect of an Electric Current

ઇલેક્ટ્રિક કરંટની હાજરી તેની અસરો દ્વારા વિશ્લેષણ કરી શકાય છે:

1. Chemical Effect (Fig 3): જ્યારે બેટરીમાં કરંટ આપવામાં આવે છે, ત્યારે વિવિધ રાસાયણિક પ્રતિક્રિયાઓ થાય છે જે વિદ્યુત ઊર્જાને રાસાયણિક સ્વરૂપમાં સંગ્રહિત કરે છે. આ પ્રક્રિયાને Electrolysis પદ્ધતિ દ્વારા બેટરી ચાર્જિંગ કહેવામાં આવે છે. 🔋🧪

1. Heating Effect (Fig 4): જ્યારે કરંટ બલ્બના ફિલામેન્ટ (ઝીણા તાર) માંથી પસાર થાય છે, ત્યારે તે સફેદ ગરમ (white hot) થાય છે અને પ્રકાશ આપે છે. 💡🔥

1. Magnetic Effect (Fig 5): જો લોખંડના નરમ સળિયાને વાયરની કોઇલમાં મૂકવામાં આવે અને કરંટ પસાર કરવામાં આવે, તો સળિયો ચુંબક (magnetised) બને છે.

1. Shock Effect: જો માનવ શરીરમાંથી કરંટ પસાર થાય, તો તે ગંભીર આંચકો આપી શકે છે અથવા મૃત્યુ પણ નીપજાવી શકે છે. તેથી સાવચેત રહેવું જરૂરી છે! ⚡⚠️

🌡️ Thermocouple & Thermo Electric Energy

• Thermocouple (Fig 6): આ એવી ગોઠવણ છે જ્યાં સર્કિટ વિવિધ ધાતુઓના વાયરો દ્વારા બંધ હોય છે. એક ધાતુના વાયરને નીચા તાપમાને અને બીજાને ઊંચા તાપમાને રાખવામાં આવે છે. આ રીતે Thermo-electro motive force ઉત્પન્ન થાય છે. આ Seebeck effect પર કામ કરે છે. 🌡️🔌
• Thermo Electric Energy: આ એ ઇલેક્ટ્રિકલ એનર્જી છે જે IC એન્જિનની વેસ્ટ હીટ (waste heat) માંથી સીબેક ઇફેક્ટનો ઉપયોગ કરીને ઉત્પન્ન થાય છે.

Keywords:

Mechanic Diesel Lesson, Piezo-electric energy in Gujarati, Solar Photovoltaic system explained, Faraday's Law of Electromagnetic induction, Solar Power Plant Diagram, Automotive Engineering Gujarati, NSQF Diesel Mechanic Theory.

Piezo-electric Energy ⚡☀️

using seeback effect. Thermo electric generation can convert waste heat from an engine coolant or exhaust into electricity. Seeback effect નો ઉપયોગ કરીને, thermo electric generation દ્વારા એન્જિન કૂલન્ટ (coolant) અથવા એક્ઝોસ્ટ (exhaust) માંથી નીકળતી નકામી ગરમીને (waste heat) વીજળીમાં રૂપાંતરિત કરી શકાય છે.

Piezo – electric energy ⚡

Piezo – electric energy: Piezo electric sensor is a device that uses the piezo electric effect to measure the changes in pressure, acceleration or force, by converting them to an electrical charge. Piezo – electric energy: Piezo electric sensor એ એક એવું device છે જે pressure (દબાણ), acceleration (પ્રવેગ) અથવા force (બળ) માં થતા ફેરફારોને માપવા માટે piezo electric effect નો ઉપયોગ કરે છે, તેને electrical charge માં રૂપાંતરિત કરીને.

Application 🚗(ઉપયોગ):

તેનો ઉપયોગ IC engine માં combustion (દહન) શરૂ કરવા માટે થાય છે, જે સિલિન્ડર હેડના હોલ્સમાં માઉન્ટ થયેલ હોય છે. Glow plug એ એક ઇન-બિલ્ટ નાનું (miniature) piezo-electric sensor છે.

Photo voltaic energy ☀️

Photo volatile (PV) એ એક એવો શબ્દ છે જે એવા semiconducting materials નો ઉપયોગ કરીને પ્રકાશનું વીજળીમાં રૂપાંતર કરે છે જે photovoltaic effect દર્શાવે છે. આ અસર semi conductor materials ના બે સ્તરો (layers) ના સંયોજનમાં જોવા મળે છે, આ સંયોજનના એક સ્તરમાં electrons ની સંખ્યા ઓછી (depleted) હોય છે. જ્યારે સૂર્યપ્રકાશ આ સ્તર પર પડે છે, ત્યારે તે સૂર્યપ્રકાશના કિરણોના photons ને શોષી લે છે અને પરિણામે electrons ઉત્તેજિત (excited) થાય છે અને બીજા સ્તર પર કૂદકો મારે છે. આ ઘટના (phenomenon) સ્તરો વચ્ચે charge difference (ચાર્જ તફાવત) ઉભો કરે છે અને તેના પરિણામે તેમની વચ્ચે એક નાનો potential difference (વોલ્ટેજ) પેદા થાય છે. સૂર્યપ્રકાશમાં electric potential difference પેદા કરવા માટે semi conductor materials ના બે સ્તરોના આવા સંયોજનના એકમને solar cell કહેવામાં આવે છે. સામાન્ય રીતે Silicon નો ઉપયોગ solar cell તરીકે થાય છે. સેલ બનાવવા માટે, સિલિકોન મટિરિયલને કાપીને ખૂબ જ પાતળી wafers બનાવવામાં આવે છે. આમાંની કેટલીક wafers ને અશુદ્ધિઓ (impurities) સાથે dope કરવામાં આવે છે. ત્યારબાદ dope કરેલી અને undated (ન કરી હોય તેવી) બંને wafers ને એકસાથે જોડીને solar cell બનાવવામાં આવે છે. કરંટ એકત્રિત કરવા માટે બે છેડાના સ્તરો પર ધાતુની પટ્ટી (metallic strip) લગાવવામાં આવે છે.

Solar Panel System & Installation 🏗️

જરૂરિયાત મુજબની વીજળી ઉત્પન્ન કરવા માટે જરૂરી સંખ્યામાં solar cells ને સમાંતર (parallel) અને શ્રેણીમાં (series) જોડીને solar module બનાવવામાં આવે છે. Solar cell વાદળછાયા વાતાવરણમાં તેમજ ચંદ્રના પ્રકાશમાં પણ કામ કરી શકે છે, પરંતુ વીજળી ઉત્પાદનનો દર ઓછો હોય છે કારણ કે તે આપાત થતા પ્રકાશના કિરણોની તીવ્રતા (intensity) પર આધાર રાખે છે. Fig 1 (આકૃતિ 1) DC ને AC માં રૂપાંતરિત કરવાની પ્રક્રિયા અને સિસ્ટમ પાવર ગ્રીડ સાથે કેવી રીતે જોડાયેલ છે તે વર્ણવે છે. Solar panels નું ઇન્સ્ટોલેશન જમીન પર (ground), છત પર (rooftop) અથવા દીવાલ પર (wall mounted) હોઈ શકે છે. સૂર્યની ગતિને અનુસરવા માટે સોલર પેનલ માઉન્ટમાં solar tracker પણ લગાવી શકાય છે. Photo voltaic systems નો લાંબા સમયથી ખાસ એપ્લિકેશન્સમાં ઉપયોગ થાય છે અને stand-alone તેમજ grid-connected PV systems 1990 થી ઉપયોગમાં છે. હાઇડ્રો અને વિન્ડ પાવર પછી, વૈશ્વિક ક્ષમતાની દ્રષ્ટિએ PV એ ત્રીજો સૌથી મોટો પુનઃપ્રાપ્ય ઉર્જા (renewable energy) સ્ત્રોત છે. PV એનર્જી વૈશ્વિક વીજળીની માંગના લગભગ બે ટકા હિસ્સો પૂરો પાડે છે. તે ઉર્જાનો પર્યાવરણની દ્રષ્ટિએ સ્વચ્છ સ્ત્રોત છે અને તે મફત તેમજ વિશ્વના તમામ ભાગોમાં પૂરતા પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ છે.

Advantages & Disadvantages of solar photovoltaic ✅❌

Solar photo voltaic ના ફાયદા: સોલર પેનલ્સ એકવાર ઇન્સ્ટોલ થઈ ગયા પછી, તેના ઓપરેશનથી કોઈ પ્રદૂષણ થતું નથી અને ગ્રીનહાઉસ ગેસનું ઉત્સર્જન થતું નથી. પાવરની જરૂરિયાતો મુજબ તેની ક્ષમતા વધારવી (scalability) સરળ છે અને પૃથ્વી પર સિલિકોન વિપુલ પ્રમાણમાં ઉપલબ્ધ છે. Solar photovoltaic ના ગેરફાયદા (Fig 7): પાવર આઉટપુટ સીધા સૂર્યપ્રકાશ પર આધારિત છે. જો tracking system નો ઉપયોગ ન કરવામાં આવે, તો 10-25% પાવરનો વ્યય થાય છે. ધૂળ, વાદળો અને વાતાવરણમાં રહેલા અન્ય અવરોધો પણ પાવર આઉટપુટ ઘટાડે છે. સોલર ફોટોવોલ્ટેઇક પાવરને પછીના ઉપયોગ માટે સ્ટોર (સંગ્રહ) કરવાની જરૂર પડે છે.

Diagram: Solar Power Plant Layout 📊

(આકૃતિ 7 મુજબની પ્રક્રિયા)

1. SUN (સૂર્ય) ☀️ -> પ્રકાશના કિરણો આપે છે.
2. SOLAR PANEL (સોલર પેનલ) -> DC પાવર જનરેટ કરે છે.
3. DC LINK -> પાવર ટ્રાન્સમિટ કરે છે.
4. INVERTER DC-AC -> DC પાવરને AC પાવરમાં ફેરવે છે. 🔄
5. 3 PHASE LINE FILTER AND TRANSFORMER -> વોલ્ટેજ સ્ટેબિલાઇઝ કરે છે.
6. CIRCUIT BREAKER -> સેફ્ટી માટે વપરાય છે. 🛡️
7. POWER GRID -> છેલ્લે પાવર ગ્રીડમાં સપ્લાય થાય છે. ⚡

Electromagnetic induction, self-induced emf – inductors 🧲

Objective:

આ લેસનના અંતે તમે ઇલેક્ટ્રોમેગ્નેટિક ઇન્ડક્શનના સિદ્ધાંત અને નિયમો જણાવવા માટે સક્ષમ હશો. Faraday’s Law of Electromagnetic induction એ alternating current (AC) વહન કરતા કન્ડક્ટર્સ માટે પણ લાગુ પડે છે. Faraday નો First Law (પ્રથમ નિયમ) જણાવે છે કે જ્યારે પણ કોઈ સર્કિટ સાથે જોડાયેલ magnetic flux બદલાય છે, ત્યારે તે સર્કિટમાં emf (electromotive force) હંમેશા induce (પ્રેરિત) થાય છે. Second Law (બીજો નિયમ) જણાવે છે કે પ્રેરિત થયેલ (induced) emf નું મૂલ્ય (magnitude) એ flux linkage ના ફેરફારના દર (rate of change) જેટલું હોય છે. પ્રથમ નિયમ મુજબ, induced emf બે રીતે પેદા કરી શકાય છે: કાં તો સ્થિર magnetic field માં કન્ડક્ટરને ગતિ આપીને અથવા સ્થિર કન્ડક્ટર પર magnetic flux બદલીને. જ્યારે કન્ડક્ટર ગતિ કરે છે અને emf પેદા કરે છે, ત્યારે તે emf ને dynamically induced emf કહેવામાં આવે છે. (દા.ત. જનરેટર્સ) જ્યારે બદલાતા જતા flux દ્વારા emf પેદા થાય છે, ત્યારે તે emf ને statically induced emf કહેવામાં આવે છે. (દા.ત. ટ્રાન્સફોર્મર