1.1 પ્રસ્તાવના

આપણા બધાને અનુભવ છે કે જ્યારે આપણે સિન્થેટિક કપડાં અથવા સ્વેટર ઉતારીએ છીએ, ખાસ કરીને શુષ્ક હવામાનમાં, ત્યારે ચમકારો જોવો અથવા કડાકો સંભળાય છે. પોલિએસ્ટર સાડી જેવા મહિલાઓના વસ્ત્રો સાથે આ લગભગ અનિવાર્ય છે. શું તમે ક્યારેય આ ઘટનાની કોઈ સમજૂતી શોધવાનો પ્રયત્ન કર્યો છે? વિદ્યુત મુક્તિનું બીજું સામાન્ય ઉદાહરણ વીજળી છે જે આપણે વાવાઝોડા દરમિયાન આકાશમાં જોઈએ છીએ. કારનો દરવાજો ખોલતી વખતે અથવા આપણી સીટ પરથી સરક્યા પછી બસની લોખંડની દાંડી પકડતી વખતે આપણે વિદ્યુતશૉકની સંવેદના પણ અનુભવીએ છીએ. આ અનુભવોનું કારણ આપણા શરીર દ્વારા વિદ્યુતભારની મુક્તિ છે, જે અવાહક સપાટીઓને ઘસવાને કારણે સંચિત થયા હતા. તમે એ પણ સાંભળ્યું હશે કે આ સ્થિર વિદ્યુતના ઉત્પાદનને કારણે છે. આ એકદમ તે વિષય છે જે આપણે આ અને આગામી પ્રકરણમાં ચર્ચા કરવા જઈ રહ્યા છીએ. સ્થિર એટલે કંઈપણ જે સમય સાથે ખસે નહીં અથવા બદલાય નહીં. સ્થિરભારોમાંથી ઉદ્ભવતા બળો, ક્ષેત્રો અને વિભવોના અભ્યાસ સાથે સ્થિરવિદ્યુતિકી વ્યવહાર કરે છે.

1.2 વિદ્યુતભાર

ઐતિહાસિક રીતે એ હકીકતની શોધનો શ્રેય કે ઊન અથવા રેશમના કપડા સાથે ઘસેલું એમ્બર હલકી વસ્તુઓને આકર્ષે છે, તે ગ્રીસના મિલેટસના થેલીસને જાય છે, લગભગ 600 BC. વિદ્યુત નામ ગ્રીક શબ્દ ઇલેક્ટ્રોન પરથી ઘડવામાં આવ્યું છે જેનો અર્થ એમ્બર થાય છે. ઘણી એવી સામગ્રીની જોડીઓ જાણીતી હતી જેને ઘસવાથી તૂડ, પિથ બોલ અને કાગળના ટુકડા જેવી હલકી વસ્તુઓને આકર્ષી શકે છે. આવી અસરનો અનુભવ કરવા માટે તમે ઘરે નીચેની પ્રવૃત્તિ કરી શકો છો. સફેદ કાગળની લાંબી પાતળી પટ્ટીઓ કાપો અને હળવેથી તેમને ઇસ્ત્રી કરો. તેમને ટીવી સ્ક્રીન અથવા કમ્પ્યુટર મોનિટરની નજીક લઈ જાઓ. તમે જોશો કે પટ્ટીઓ સ્ક્રીન તરફ આકર્ષિત થાય છે. હકીકતમાં તેઓ થોડા સમય માટે સ્ક્રીન પર ચોંટી રહે છે.

એવું જોવામાં આવ્યું હતું કે જો ઊન અથવા રેશમના કપડા સાથે ઘસેલી બે કાચની દાંડીઓ એકબીજાની નજીક લાવવામાં આવે છે, તો તેઓ એકબીજાને અપાકર્ષે છે [ફિગ. 1.1(a)]. ઊનની બે દોરીઓ અથવા રેશમના કપડાના બે ટુકડા, જેની સાથે દાંડીઓ ઘસવામાં આવી હતી, તે પણ એકબીજાને અપાકર્ષે છે. જો કે, કાચની દાંડી અને ઊન એકબીજાને આકર્ષે છે. તે જ રીતે, બિલાડીના ફર સાથે ઘસેલી બે પ્લાસ્ટિકની દાંડીઓ એકબીજાને અપાકર્ષે છે [ફિગ. 1.1(b)] પરંતુ ફરને આકર્ષે છે. બીજી બાજુ, પ્લાસ્ટિકની દાંડી કાચની દાંડીને આકર્ષે છે [ફિગ. 1.1(c)] અને રેશમ અથવા ઊનને અપાકર્ષે છે જેની સાથે કાચની દાંડી ઘસવામાં આવી છે. કાચની દાંડી ફરને અપાકર્ષે છે. જો ફર સાથે ઘસેલી પ્લાસ્ટિકની દાંડીને બે નાના પિથ બોલ (હવે-દિવસોમાં આપણે પોલિસ્ટીરીન બોલનો ઉપયોગ કરી શકીએ છીએ) સાથે સ્પર્શ કરાવવામાં આવે છે, જે રેશમ અથવા નાયલોન દોરી દ્વારા લટકાવવામાં આવ્યા છે, તો બોલ એકબીજાને અપાકર્ષે છે [ફિગ. 1.1(d)] અને દાંડી દ્વારા પણ અપાકર્ષાય છે. જો પિથ બોલને રેશમ સાથે ઘસેલી કાચની દાંડી સાથે સ્પર્શ કરવામાં આવે તો સમાન અસર જોવા મળે છે [ફિગ. 1.1(e)]. એક નાટકીય અવલોકન એ છે કે કાચની દાંડી સાથે સ્પર્શ કરેલો પિથ બોલ પ્લાસ્ટિકની દાંડી સાથે સ્પર્શ કરેલા બીજા પિથ બોલને આકર્ષે છે [ફિગ. 1.1(f)].

આ દેખાતી સરળ હકીકતો વર્ષોના પ્રયાસો અને કાળજીપૂર્વકના પ્રયોગો અને તેમના વિશ્લેષણોથી સ્થાપિત થઈ હતી. વિવિધ વૈજ્ઞાનિકો દ્વારા ઘણા કાળજીપૂર્વકના અભ્યાસ પછી એવું તારણ કાઢવામાં આવ્યું હતું કે વિદ્યુતભાર નામની સંસ્થાના માત્ર બે પ્રકાર હતા. આપણે કહીએ છીએ કે કાચ અથવા પ્લાસ્ટિકની દાંડીઓ, રેશમ, ફર અને પિથ બોલ જેવા પદાર્થો વિદ્યુતભારિત છે. ઘસવાથી તેઓ વિદ્યુતભાર મેળવે છે. પિથ બોલ પરના પ્રયોગોએ સૂચવ્યું કે વિદ્યુતભારના બે પ્રકાર છે અને આપણે જોઈએ છીએ કે (i) સમાન ભાર અપાકર્ષે છે અને (ii) અસમાન ભાર એકબીજાને આકર્ષે છે. પ્રયોગોએ એ પણ દર્શાવ્યું કે સંપર્કમાં ભાર દાંડીઓથી પિથ બોલ પર સ્થાનાંતરિત થાય છે. એવું કહેવાય છે કે પિથ બોલ વિદ્યુતભારિત છે અથવા સંપર્ક દ્વારા ભારિત છે. જે ગુણધર્મ બે પ્રકારના ભારો વચ્ચે તફાવત કરે છે તેને ભારની ધ્રુવીયતા કહેવામાં આવે છે.

જ્યારે કાચની દાંડીને રેશમ સાથે ઘસવામાં આવે છે, ત્યારે દાંડી એક પ્રકારનો ભાર મેળવે છે અને રેશમ બીજા પ્રકારનો ભાર મેળવે છે. આ વિદ્યુતભારિત કરવા માટે ઘસવામાં આવતી કોઈપણ જોડીના પદાર્થો માટે સાચું છે. હવે જો વિદ્યુતભારિત કાચની દાંડીને રેશમ સાથે સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે, જેની સાથે તે ઘસવામાં આવી હતી, તો તેઓ હવે એકબીજાને આકર્ષતા નથી. તેઓ વિદ્યુતભારિત થતી વખતે જેમ કરતા હતા તેમ અન્ય હલકી વસ્તુઓને પણ આકર્ષતા નથી અથવા અપાકર્ષતા નથી.

આમ, ઘસવાથી મેળવેલા ભારો ગુમાવાય છે જ્યારે ભારિત પદાર્થો સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે. આ અવલોકનોમાંથી તમે શું તારણ કાઢી શકો છો? તે માત્ર આપણને કહે છે કે પદાર્થો દ્વારા મેળવેલા અસમાન ભારો એકબીજાની અસરને તટસ્થ કરે છે અથવા રદ કરે છે. તેથી, અમેરિકન વૈજ્ઞાનિક બેન્જામિન ફ્રેન્કલિન દ્વારા ભારોને ધન અને ઋણ નામ આપવામાં આવ્યા હતા. આપણે જાણીએ છીએ કે જ્યારે આપણે સમાન માત્રાના ઋણ સંખ્યામાં ધન સંખ્યા ઉમેરીએ છીએ, ત્યારે સરવાળો શૂન્ય થાય છે. ભારોને ધન અને ઋણ નામ આપવાની આ ફિલસૂફી હોઈ શકે છે. પરંપરા દ્વારા, કાચની દાંડી અથવા બિલાડીના ફર પરના ભારને ધન કહેવામાં આવે છે અને પ્લાસ્ટિકની દાંડી અથવા રેશમ પરના ભારને ઋણ કહેવામાં આવે છે. જો કોઈ પદાર્થ વિદ્યુતભાર ધરાવે છે, તો તેને વિદ્યુતભારિત અથવા ભારિત કહેવામાં આવે છે. જ્યારે તેની પાસે કોઈ ભાર ન હોય ત્યારે તેને વિદ્યુતીય રીતે તટસ્થ કહેવામાં આવે છે.

કોઈ પદાર્થ પરના ભારને શોધવા માટેનું એક સરળ સાધન સોનાના પાંદડાનું ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ છે [ફિગ. 1.2(a)]. તેમાં એક ઊભી ધાતુની દાંડી હોય છે જે બોક્સમાં મૂકવામાં આવે છે, જેના નીચેના છેડે બે પાતળા સોના પાંદડા જોડાયેલા હોય છે. જ્યારે ભારિત પદાર્થ દાંડીની ટોચ પરના ધાતુના ગઠ્ઠાને સ્પર્શે છે, ત્યારે ભાર પાંદડા પર વહે છે અને તેઓ અલગ પડે છે. અલગ પડવાની ડિગ્રી ભારની માત્રાનો સૂચક છે.

સમજવાનો પ્રયત્ન કરો કે પદાર્થિક પદાર્થો ભાર કેમ મેળવે છે. તમે જાણો છો કે બધા પદાર્થો અણુઓ અને/અથવા અણુઓના બનેલા છે. સામાન્ય રીતે પદાર્થો વિદ્યુતીય રીતે તટસ્થ હોય છે, તેમાં ભારો હોય છે; પરંતુ તેમના ભારો બરાબર સંતુલિત છે. અણુઓને એકસાથે રાખતા બળો, પદાર્થમાં અણુઓને એકસાથે રાખતા બળો, ગુંદરનું ચોંટી રહેવાનું બળ, સપાટી તણાવ સાથે સંકળાયેલા બળો, બધા મૂળભૂત રીતે વિદ્યુતીય સ્વભાવના છે, જે ભારિત કણો વચ્ચેના બળોમાંથી ઉદ્ભવે છે. આમ વિદ્યુત બળ સર્વવ્યાપી છે અને તે આપણા જીવન સાથે સંકળાયેલ લગભગ દરેક ક્ષેત્રને આવરી લે છે. તે તેથી આવા બળ વિશે વધુ જાણવું જરૂરી છે.

તટસ્થ પદાર્થને વિદ્યુતભારિત કરવા માટે, આપણે એક પ્રકારનો ઉમેરવો અથવા દૂર કરવો જરૂરી છે ભાર. જ્યારે આપણે કહીએ છીએ કે પદાર્થ ભારિત છે, ત્યારે આપણે હંમેશા આનો ઉલ્લેખ કરીએ છીએ અતિરિક્ત ભાર અથવા ભારની ખોટ. ઘન પદાર્થોમાં, કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન, અણુમાં ઓછા ચુસ્ત રીતે બંધાયેલા હોવાથી, ભાર છે જે સ્થાનાંતરિત થાય છે એક શરીરથી બીજા શરીરમાં. આમ, પદાર્થ ધન રીતે ભારિત થઈ શકે છે તેના કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન ગુમાવીને. તે જ રીતે, પદાર્થ ઋણ રીતે ભારિત થઈ શકે છે ઇલેક્ટ્રોન મેળવીને. જ્યારે આપણે કાચની દાંડીને રેશમ સાથે ઘસીએ છીએ, ત્યારે તેમાંથી કેટલાક દાંડીમાંથી ઇલેક્ટ્રોન રેશમના કપડા પર સ્થાનાંતરિત થાય છે. આમ દાંડી મળે છે ધન ભારિત અને રેશમ ઋણ ભારિત થાય છે. કોઈ નવો ભાર નથી ઘસવાની પ્રક્રિયામાં બનાવવામાં આવે છે. ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા પણ, જે સ્થાનાંતરિત, કુલ ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યાનો ખૂબ જ નાનો અંશ છે પદાર્થિક શરીર.

1.3 વાહકો અને અવાહકો

કેટલાક પદાર્થો તેમની મારફતે વિદ્યુતના પસાર થવાની સરળતાથી મંજૂરી આપે છે, અન્ય નથી. જે વિદ્યુતને તેમની મારફતે સરળતાથી પસાર થવા દે છે તેમને વાહક કહેવામાં આવે છે. તેમની પાસે વિદ્યુતભાર (ઇલેક્ટ્રોન) હોય છે જે પદાર્થની અંદર ફરવા માટે તુલનાત્મક રીતે મુક્ત હોય છે. ધાતુઓ, માનવ અને પ્રાણીઓના શરીર અને પૃથ્વી વાહકો છે. કાચ, પોર્સેલિન, પ્લાસ્ટિક, નાયલોન, લાકડા જેવા બિન-ધાતુઓની મોટાભાગની તેમની મારફતે વિદ્યુતના પસાર થવા માટે ઊંચો અવરોધ ઓફર કરે છે. તેમને અવાહક કહેવામાં આવે છે. મોટાભાગના પદાર્થો ઉપર જણાવેલા બે વર્ગોમાંથી એકમાં આવે છે*.

જ્યારે કેટલાક ભાર વાહક પર સ્થાનાંતરિત થાય છે, ત્યારે તે સરળતાથી વાહકની સમગ્ર સપાટી પર વિતરિત થાય છે. તેનાથી વિપરીત, જો કોઈ ભાર અવાહક પર મૂકવામાં આવે છે, તો તે તે જ સ્થાને રહે છે. આગલા પ્રકરણમાં તમે શીખશો કે આ કેમ થાય છે.

પદાર્થોનો આ ગુણધર્મ તમને કહે છે કે શા માટે નાયલોન અથવા પ્લાસ્ટિકની કાંસકી સૂકા વાળ કાંસવાથી અથવા ઘસવાથી વિદ્યુતભારિત થાય છે, પરંતુ ચમચી જેવી ધાતુની વસ્તુ નથી. ધાતુ પરના ભારો આપણા શરીર દ્વારા જમીન પર લીક થાય છે કારણ કે બંને વિદ્યુતના વાહક છે.. જો કે, જો લાકડાના અથવા પ્લાસ્ટિકના હેન્ડલ સાથેની ધાતુની દાંડીને તેના ધાતુના ભાગને સ્પર્શ કર્યા વિના ઘસવામાં આવે છે, તો તે ચાર્જિંગના ચિહ્નો બતાવે છે.

1.4 વિદ્યુતભારના મૂળભૂત ગુણધર્મો

આપણે જોયું છે કે ત્યાં બે પ્રકારના ભારો છે, એટલે કે ધન અને ઋણ અને તેમની અસરો એકબીજાને રદ કરવાની વૃત્તિ ધરાવે છે. અહીં, આપણે હવે કેટલાક અન્ય ગુણધર્મોનું વર્ણન કરીશું વિદ્યુતભારનો.

જો ભારિત પદાર્થોના કદ તેમની વચ્ચેના અંતરની તુલનામાં ખૂબ જ નાના હોય, તો આપણે તેમને બિંદુ ભાર તરીકે ગણીએ છીએ. પદાર્થની સમગ્ર ભાર સામગ્રી અવકાશમાં એક બિંદુ પર કેન્દ્રિત હોવાનું માનવામાં આવે છે.

1.4.1 ભારોની સરવાળાની ગુણધર્મ

અમે હજુ સુધી ચાર્જની માત્રાત્મક વ્યાખ્યા આપી નથી; અમે તેને આગલા વિભાગમાં અનુસરીશું. અમે અનુમાનિત રીતે ધારીશું કે આ કરી શકાય છે અને આગળ વધીશું. જો સિસ્ટમમાં બે બિંદુ ચાર્જ હોય $\mathrm{q_1}$ અને $\mathrm{q_2}$, સિસ્ટમનો કુલ ચાર્જ બીજગણિતીય રીતે ઉમેરીને મેળવવામાં આવે છે $\mathrm{q_1}$ અને $\mathrm{q_2}$, એટલે કે, ચાર્જ વાસ્તવિક સંખ્યાઓની જેમ ઉમેરે છે અથવા તેઓ પદાર્થના દળની જેમ અદિશ છે. જો સિસ્ટમમાં n ચાર્જ હોય $\mathrm{q_1}$, $\mathrm{q_2}$, $\mathrm{q_3}$, …, qn, તો સિસ્ટમનો કુલ ચાર્જ છે $\mathrm{q_1}$ + $\mathrm{q_2}$ + $\mathrm{q_3}$ + … + qn. ચાર્જની તીવ્રતા છે પરંતુ કોઈ દિશા નથી, દળ જેવી જ. જો કે, દળ અને ભાર વચ્ચે એક તફાવત છે. પદાર્થનું દળ છે હંમેશા ધન જ્યારે ચાર્જ ધન અથવા ઋણ હોઈ શકે છે. ચાર્જ ઉમેરતી વખતે યોગ્ય ચિહ્નોનો ઉપયોગ કરવો પડશે એક સિસ્ટમ. દાખલા તરીકે, પાંચ ચાર્જ +1, +2, –3 ધરાવતી સિસ્ટમનો કુલ ચાર્જ, +4 અને –5, કેટલાક મનસ્વી એકમોમાં, (+1) + (+2) + (–3) + (+4) + (–5) = –1 માં છે સમાન એકમ.

1.4.2 ચાર્જ સંરક્ષિત છે

જ્યારે પદાર્થો દ્વારા ભારિત થાય છે ત્યારે અમે પહેલેથી જ હકીકત તરફ ઇશારો કર્યો છે ઘસવું, ત્યાં એક શરીરથી બીજા શરીરમાં ઇલેક્ટ્રોનનું સ્થાનાંતરણ છે; કોઈ નવું નથી ચાર્જ ક્યાં તો બનાવવામાં આવે છે અથવા નાશ પામે છે. વિદ્યુતભારના કણોની એક ચિત્ર ચાર્જના સંરક્ષણના વિચારને સમજવા માટે અમને સક્ષમ બનાવે છે. ક્યારે આપણે બે શરીરને ઘસીએ છીએ, એક શરીર ચાર્જમાં શું મેળવે છે તે બીજું શરીર ગુમાવે છે. ઘણા ચાર્જ ધરાવતી અલગ સિસ્ટમની અંદર, શરીર વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયાને કારણે, ચાર્જ પુનઃવિતરિત થઈ શકે છે પરંતુ તે છે જોવા મળ્યું છે કે અલગ સિસ્ટમનો કુલ ચાર્જ હંમેશા સંરક્ષિત રહે છે. ચાર્જનું સંરક્ષણ પ્રાયોગિક રીતે સ્થાપિત થયું છે.

કોઈપણ અલગ દ્વારા વહન કરાયેલ કુલ ચાર્જ બનાવવો અથવા નાશ કરવો શક્ય નથી સિસ્ટમ જો કે ચાર્જ વહન કરતા કણો બનાવી શકાય છે અથવા નાશ પામી શકે છે પ્રક્રિયામાં. ક્યારેક પ્રકૃતિ ચાર્જ ધરાવતા કણો બનાવે છે: ન્યુટ્રોન ફેરવે છે પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોનમાં. આમ બનેલા પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોન છે સમાન અને વિરુદ્ધ ચાર્જ અને કુલ ચાર્જ શૂન્ય પહેલા અને પછી છે સર્જન.

1.4.3 ચાર્જનું માત્રાત્મકીકરણ

પ્રાયોગિક રીતે તે સ્થાપિત થયું છે કે બધા મુક્ત ચાર્જ e દ્વારા સૂચિત ચાર્જના મૂળભૂત એકમના અભિન્ન ગુણાંક છે. આમ પદાર્થ પર ચાર્જ q હંમેશા આપવામાં આવે છે

$$ q=n e $$

જ્યાં n કોઈપણ પૂર્ણાંક છે, ધન અથવા ઋણ. ચાર્જનો આ મૂળભૂત એકમ એ ચાર્જ છે જે ઇલેક્ટ્રોન અથવા પ્રોટોન વહન કરે છે. પરંપરા દ્વારા, ઇલેક્ટ્રોન પરના ચાર્જને ઋણ લેવામાં આવે છે; તેથી ઇલેક્ટ્રોન પર ચાર્જ –e તરીકે લખવામાં આવે છે અને પ્રોટોન પર +e તરીકે લખવામાં આવે છે.