વિદ્યુતભાર

વિદ્યુતભાર#

વિદ્યુતભાર એ પદાર્થનો એક મૂળભૂત ગુણધર્મ છે જે વિદ્યુત સ્થિતિમાનની માત્રાનું વર્ણન કરે છે. કોઈ પદાર્થનો વિદ્યુતભાર સંપર્ક, ઘર્ષણ અથવા પ્રેરણા દ્વારા બીજા પદાર્થમાં સ્થાનાંતરિત કરી શકાય છે.

વિદ્યુતભાર શું છે?#

વિદ્યુતભાર એ પદાર્થનો એક મૂળભૂત ગુણધર્મ છે જે ઇલેક્ટ્રોનની હાજરી અથવા ગેરહાજરીથી ઉદ્ભવે છે. ઇલેક્ટ્રોન એ પરમાણુઓ કરતાં નાના કણો છે જે નકારાત્મક વિદ્યુતભાર વહન કરે છે, જ્યારે પ્રોટોન ધનાત્મક વિદ્યુતભાર વહન કરે છે. ન્યુટ્રોન, પરમાણુઓ કરતાં નાના કણોનો ત્રીજો પ્રકાર, કોઈ વિદ્યુતભાર ધરાવતા નથી.

કોઈ પદાર્થનો વિદ્યુતભાર તેમાં ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોનની સંખ્યા દ્વારા નક્કી થાય છે. જો કોઈ પદાર્થમાં ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોનની સમાન સંખ્યા હોય, તો તેને તટસ્થ કહેવામાં આવે છે. જો કોઈ પદાર્થમાં પ્રોટોન કરતાં વધુ ઇલેક્ટ્રોન હોય, તો તેને નકારાત્મક રીતે ચાર્જ કરેલો કહેવામાં આવે છે. જો કોઈ પદાર્થમાં ઇલેક્ટ્રોન કરતાં વધુ પ્રોટોન હોય, તો તેને ધનાત્મક રીતે ચાર્જ કરેલો કહેવામાં આવે છે.

વિદ્યુતભાર ઘર્ષણ, સંપર્ક અને પ્રેરણા સહિત વિવિધ માધ્યમો દ્વારા સર્જી શકાય છે. જ્યારે બે પદાર્થોને એકબીજા સાથે ઘસવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન એક પદાર્થથી બીજા પદાર્થમાં સ્થાનાંતરિત થઈ શકે છે, જે વિરુદ્ધ ચાર્જ બનાવે છે. જ્યારે બે ચાર્જ કરેલા પદાર્થો એકબીજાના સંપર્કમાં લાવવામાં આવે છે, ત્યારે પદાર્થો વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોન પ્રવાહિત થઈ શકે છે, જે ચાર્જને તટસ્થ કરે છે. જ્યારે ચાર્જ કરેલા પદાર્થને તટસ્થ પદાર્થની નજીક લાવવામાં આવે છે, ત્યારે ચાર્જ કરેલા પદાર્થનું વિદ્યુતક્ષેત્ર તટસ્થ પદાર્થને ધ્રુવીકૃત થવા માટે પ્રેરિત કરી શકે છે, એટલે કે તટસ્થ પદાર્થમાંના ઇલેક્ટ્રોન તેમની સામાન્ય સ્થિતિથી વિસ્થાપિત થઈ જાય છે.

વિદ્યુતભાર એકબીજા સાથે ક્રિયાપ્રતિક્રિયા કરે છે, જેમ કે ઇલેક્ટ્રોન અને પ્રોટોન.

કોઈ પદાર્થનો વિદ્યુતભાર એ પદાર્થનો એક મૂળભૂત ગુણધર્મ છે જે રોજિંદા જીવનમાં વ્યાપક ઉપયોગ ધરાવે છે. ઉદાહરણ તરીકે, વિદ્યુતભારનો ઉપયોગ બેટરી, કેપેસિટર અને ટ્રાન્ઝિસ્ટરમાં થાય છે. વિદ્યુતભારનો ઉપયોગ વીજળી ઉત્પન્ન કરવા, વિદ્યુત મોટરોને શક્તિ આપવા અને લાંબા અંતર પર ડેટા પ્રસારિત કરવા માટે પણ થાય છે.

વિદ્યુતભારના ઉદાહરણો

• વીજળી: વીજળી એક કુદરતી ઘટના છે જે ત્યારે થાય છે જ્યારે વાતાવરણમાં વિદ્યુતભારનું નિર્માણ થાય છે. જ્યારે વિદ્યુતભાર ખૂબ વધી જાય છે, ત્યારે તે વીજળીના ઝબકારાના રૂપમાં મુક્ત થાય છે.
• સ્થિતિ વિદ્યુત: સ્થિતિ વિદ્યુત એ કોઈ પદાર્થ પર વિદ્યુતભારનું નિર્માણ છે. સ્થિતિ વિદ્યુત ઘર્ષણ, સંપર્ક અથવા પ્રેરણા દ્વારા થઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે તમે તમારા વાળ પર બલૂન ઘસો છો, ત્યારે બલૂન નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે અને તમારા વાળ ધનાત્મક રીતે ચાર્જ થાય છે.
• બેટરી: બેટરી એ એવા ઉપકરણો છે જે વિદ્યુતભાર સંગ્રહિત કરે છે. બેટરીમાં બે ઇલેક્ટ્રોડ હોય છે, એક ધનાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ અને એક નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ. ધનાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ બેટરીના ધનાત્મક ટર્મિનલ સાથે જોડાયેલો હોય છે, અને નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ બેટરીના નકારાત્મક ટર્મિનલ સાથે જોડાયેલો હોય છે. જ્યારે બેટરી સાથે સર્કિટ જોડવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન નકારાત્મક ઇલેક્ટ્રોડથી ધનાત્મક ઇલેક્ટ્રોડ તરફ વહે છે, જે વિદ્યુત પ્રવાહ બનાવે છે.
• કેપેસિટર: કેપેસિટર એ એવા ઉપકરણો છે જે વિદ્યુતભાર સંગ્રહિત કરે છે. કેપેસિટરમાં બે ધાતુની પ્લેટ હોય છે જે એક અવાહક દ્વારા અલગ કરવામાં આવે છે. જ્યારે કેપેસિટર પર વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન એક પ્લેટથી બીજી પ્લેટ તરફ વહે છે, જે પ્લેટો વચ્ચે વિદ્યુતક્ષેત્ર બનાવે છે. વિદ્યુતક્ષેત્ર વિદ્યુતભારને સંગ્રહિત કરે છે.
• ટ્રાન્ઝિસ્ટર: ટ્રાન્ઝિસ્ટર એ ઇલેક્ટ્રોનિક ઉપકરણો છે જે ઇલેક્ટ્રોનિક સિગ્નલને વિસ્તૃત અથવા સ્વિચ કરી શકે છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર અર્ધવાહક પદાર્થોથી બનેલા હોય છે, જે એવા પદાર્થો છે જેમાં વાહક અને અવાહક વચ્ચેના ગુણધર્મો હોય છે. ટ્રાન્ઝિસ્ટર અર્ધવાહક પદાર્થ દ્વારા ઇલેક્ટ્રોનના પ્રવાહને નિયંત્રિત કરીને કાર્ય કરે છે.

વિદ્યુતભારનું માપન#

વિદ્યુતભાર એ પદાર્થનો એક મૂળભૂત ગુણધર્મ છે જે કોઈ પદાર્થ ધરાવતા વિદ્યુત સ્થિતિમાનની માત્રાનું વર્ણન કરે છે. તેને કુલંબ (C) માં માપવામાં આવે છે, જેનું નામ ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી ચાર્લ્સ-ઓગસ્ટિન ડી કુલંબ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે. વિદ્યુતભારના માપનમાં કોઈ પદાર્થ અથવા સિસ્ટમમાં હાજર ચાર્જની માત્રાને માપવાનો સમાવેશ થાય છે. વિદ્યુતભારને માપવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી કેટલીક પદ્ધતિઓ અહીં છે:

1. ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ: ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ એ એક સરળ ઉપકરણ છે જેનો ઉપયોગ વિદ્યુતભારની હાજરી અને ધ્રુવીયતાને શોધવા માટે થાય છે. તેમાં એક ધાતુની દંડ હોય છે જેના એક છેડે હલકા વજનની વાહક વસ્તુ, જેમ કે પાંદડું અથવા બોલ, જોડાયેલી હોય છે. જ્યારે ઇલેક્ટ્રોસ્કોપને ચાર્જ કરેલા પદાર્થની નજીક લાવવામાં આવે છે, ત્યારે ચાર્જ વચ્ચેના સ્થિતિવિદ્યુત બળને કારણે વાહક વસ્તુ ખસશે. ગતિની દિશા ચાર્જની ધ્રુવીયતા દર્શાવે છે.

2. સ્થિતિવિદ્યુત વોલ્ટમીટર: સ્થિતિવિદ્યુત વોલ્ટમીટર વિદ્યુતક્ષેત્રમાં બે બિંદુઓ વચ્ચેના વિદ્યુત સ્થિતિમાનના તફાવતને માપે છે. તેમાં બે નિશ્ચિત ધાતુની પ્લેટો વચ્ચે લટકતી ગતિશીલ ધાતુની પાંખ હોય છે. જ્યારે પ્લેટો વચ્ચે વોલ્ટેજ લાગુ કરવામાં આવે છે, ત્યારે પાંખ સ્થિતિવિદ્યુત બળ અનુભવે છે જે તેને ખસેડવા માટે કારણભૂત બને છે. પાંખનું વિચલનનું પ્રમાણ વોલ્ટેજના સમપ્રમાણમાં હોય છે, જે વિદ્યુત સ્થિતિમાનના તફાવતને માપવાની મંજૂરી આપે છે.

3. ફેરાડે આઇસ પેલ પ્રયોગ: ફેરાડે આઇસ પેલ પ્રયોગ એ કોઈ પદાર્થ પરના ચાર્જને માપવા માટેની એક ક્લાસિક પદ્ધતિ છે. તેમાં ધાતુનો કન્ટેનર (આઇસ પેલ) અવાહક દોરી પરથી લટકાવવાનો અને તેને ઇલેક્ટ્રોસ્કોપ સાથે જોડવાનો સમાવેશ થાય છે. જ્યારે ચાર્જ કરેલા પદાર્થને પેલની નજીક લાવવામાં આવે છે, ત્યારે ચાર્જ પેલમાં સ્થાનાંતરિત થાય છે, જે ઇલેક્ટ્રોસ્કોપને વળાંક આપવા માટે કારણભૂત બને છે. વળાંકની માત્રાનો ઉપયોગ પદાર્થ પરના ચાર્જની ગણતરી કરવા માટે થાય છે.

4. પ્રવાહ માપન: વિદ્યુતભારને વાહકમાંથી વહેતા વિદ્યુત પ્રવાહને માપીને પણ માપી શકાય છે. પ્રવાહ એ ચાર્જના પ્રવાહનો દર છે, અને તેને એમ્પીયર (A) માં માપવામાં આવે છે. સમયના સાપેક્ષ પ્રવાહને સંકલિત કરીને, સ્થાનાંતરિત કુલ ચાર્જ નક્કી કરી શકાય છે. આ પદ્ધતિ સામાન્ય રીતે વિદ્યુત સર્કિટ અને માપનમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે.

5. ચાર્જ-કપલ્ડ ડિવાઇસ (CCD): CCD એ અર્ધવાહક ઉપકરણો છે જેનો ઉપયોગ ડિજિટલ કેમેરા અને ઇમેજિંગ સિસ્ટમમાં થાય છે. તેઓ પ્રકાશને વિદ્યુત સિગ્નલમાં રૂપાંતરિત કરીને વિદ્યુતભારને માપે છે. CCD માં દરેક પિક્સેલમાં એક નન્હું કેપેસિટર હોય છે જે તેના પર પડતા પ્રકાશની તીવ્રતાના સમપ્રમાણમાં ચાર્જ એકત્રિત કરે છે. એકત્રિત ચાર્જ પછી વાંચવામાં આવે છે અને ઇમેજ બનાવવા માટે ડિજિટલ ડેટામાં રૂપાંતરિત કરવામાં આવે છે.

આ વિદ્યુતભારને માપવા માટે ઉપયોગમાં લેવાતી કેટલીક પદ્ધતિઓ છે. પદ્ધતિની પસંદગી ચોક્કસ એપ્લિકેશન અને જરૂરી ચોકસાઈના સ્તર પર આધારિત છે. વિદ્યુતભારને સમજવું અને માપવું ભૌતિકશાસ્ત્ર, વિદ્યુત ઇજનેરી અને ઇલેક્ટ્રોનિક્સ સહિત વિવિધ ક્ષેત્રોમાં મહત્વપૂર્ણ છે.

વિદ્યુતભારના ગુણધર્મો#

1. ચાર્જ ક્વોન્ટાઇઝેશન: વિદ્યુતભાર ક્વોન્ટાઇઝ્ડ છે, એટલે કે તે અલગ એકમોમાં આવે છે. ચાર્જનો મૂળભૂત એકમ ઇલેક્ટ્રોનનો ચાર્જ છે, જે લગભગ -1.602 x 10^-19 કુલંબ (C) છે. અન્ય તમામ ચાર્જ આ પ્રાથમિક ચાર્જના ગુણાંક છે.

2. ચાર્જનું સંરક્ષણ: એક અલગ સિસ્ટમમાં કુલ વિદ્યુતભાર સતત રહે છે. આનો અર્થ એ છે કે ચાર્જ સર્જી અથવા નાશ કરી શકાતો નથી, પરંતુ તેને એક પદાર્થથી બીજા પદાર્થમાં સ્થાનાંતરિત કરી શકાય છે. ઉદાહરણ તરીકે, જ્યારે વિરુદ્ધ ચાર્જ ધરાવતા બે પદાર્થો એકબીજાના સંપર્કમાં આવે છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન એક પદાર્થથી બીજા પદાર્થમાં વહી શકે છે, જે બંને પદાર્થોના ચાર્જ બદલે છે.

3. ચાર્જના પ્રકારો: વિદ્યુતભારના બે પ્રકાર છે: ધનાત્મક અને નકારાત્મક. ધનાત્મક ચાર્જ પ્રોટોન સાથે સંકળાયેલા છે, જ્યારે નકારાત્મક ચાર્જ ઇલેક્ટ્રોન સાથે સંકળાયેલા છે. પ્રોટોન પરમાણુના ન્યુક્લિયસમાં જોવા મળે છે, જ્યારે ઇલેક્ટ્રોન ન્યુક્લિયસની આસપાસ ભ્રમણ કરે છે. પરમાણુમાં પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોનની સંખ્યા તેનો કુલ ચાર્જ નક્કી કરે છે. જો પરમાણુમાં પ્રોટોન અને ઇલેક્ટ્રોનની સમાન સંખ્યા હોય, તો તે તટસ્થ હોય છે. જો તેમાં ઇલેક્ટ્રોન કરતાં વધુ પ્રોટોન હોય, તો તે ધનાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલો હોય છે. જો તેમાં પ્રોટોન કરતાં વધુ ઇલેક્ટ્રોન હોય, તો તે નકારાત્મક રીતે ચાર્જ થયેલો હોય છે.

4. આકર્ષણ અને વિકર્ષણ: સમાન ચાર્જ એકબીજાને વિકર્ષિત કરે છે, જ્યારે વિરુદ્ધ ચાર્જ એકબીજાને આકર્ષિત કરે છે. આ વિદ્યુતચુંબકત્વની પાછળનો મૂળભૂત સિદ્ધાંત છે. બે ચાર્જ વચ્ચેનું બળ ચાર્જના ગુણાંકના સીધા પ્રમાણમાં અને તેમની વચ્ચેના અંતરના વર્ગના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. આ સંબંધને કુલંબનો નિયમ તરીકે ઓળખવામાં આવે છે.

5. વાહક અને અવાહક: પદાર્થોને વિદ્યુતભારનું વહન કરવાની તેમની ક્ષમતાના આધારે વાહક અને અવાહકમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે. વાહક એવા પદાર્થો છે જે તેમનામાંથી વિદ્યુતભારને સરળતાથી વહેવા દે છે, જ્યારે અવાહક તેમને વહેવા દેતા નથી. ધાતુઓ વીજળીના સારા વાહક છે, જ્યારે રબર અને પ્લાસ્ટિક સારા અવાહક છે.

6. વિદ્યુતક્ષેત્રો: વિદ્યુતક્ષેત્ર એ ચાર્જ કરેલા પદાર્થની આસપાસના અવકાશનો પ્રદેશ છે જ્યાં અન્ય ચાર્જ કરેલા પદાર્થો બળ અનુભવે છે. ચાર્જ કરેલા પદાર્થની નજીક વિદ્યુતક્ષેત્ર મજબૂત હોય છે અને દૂર નબળું હોય છે. વિદ્યુતક્ષેત્રની દિશા એ દિશા છે જેમાં ધનાત્મક પરીક્ષણ ચાર્જ બળ અનુભવશે.

7. વિદ્યુત સ્થિતિમાન: વિદ્યુત સ્થિતિમાન એ અવકાશમાં આપેલા બિંદુ પર પ્રતિ એકમ ચાર્જની વિદ્યુત સ્થિતિમાન ઊર્જાની માત્રા છે. તેને વોલ્ટ (V) માં માપવામાં આવે છે. ધનાત્મક ચાર્જથી દૂરના બિંદુઓ પર વિદ્યુત સ્થિતિમાન વધારે હોય છે અને ધનાત્મક ચાર્જની નજીકના બિંદુઓ પર ઓછું હોય છે.

વિદ્યુતભારના આ ગુણધર્મો વિદ્યુતચુંબકત્વનો આધાર બનાવે છે, જે કુદરતના મૂળભૂત બળોમાંનું એક છે. તેઓ વિદ્યુત સર્કિટના વર્તન, વીજળીનું ઉત્પાદન અને ચાર્જ કરેલા કણો વચ્ચેની ક્રિયાપ્રતિક્રિયા સહિત વિવિધ ઘટનાઓમાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે.

કુલંબનો નિયમ#

કુલંબનો નિયમ, જેનું નામ ફ્રેન્ચ ભૌતિકશાસ્ત્રી ચાર્લ્સ-ઓગસ્ટિન ડી કુલંબ પરથી રાખવામાં આવ્યું છે, બે ચાર્જ કરેલા કણો વચ્ચેના સ્થિતિવિદ્યુત આકર્ષણ અથવા વિકર્ષણ બળનું વર્ણન કરે છે. તે વિદ્યુતચુંબકત્વના મૂળભૂત નિયમોમાંનો એક છે અને વિવિધ વિદ્યુત ઘટનાઓને સમજવામાં મહત્વપૂર્ણ ભૂમિકા ભજવે છે.

નિવેદન:

બે બિંદુ ચાર્જ વચ્ચેના સ્થિતિવિદ્યુત બળનું પરિમાણ ચાર્જના પરિમાણના ગુણાંકના સીધા પ્રમાણમાં અને તેમની વચ્ચેના અંતરના વર્ગના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે. જો ચાર્જમાં વિરુદ્ધ ચિહ્નો હોય તો બળ આકર્ષક હોય છે અને જો તેમની સમાન ચિહ્ન હોય તો તે વિકર્ષક હોય છે.

ગાણિતિક રીતે, કુલંબનો નિયમ આ રીતે વ્યક્ત કરવામાં આવે છે:

$$ F = k \frac{q_1 q_2}{r^2} $$

જ્યાં:

• $F$ ન્યુટન (N) માં સ્થિતિવિદ્યુત બળનું પ્રતિનિધિત્વ કરે છે.
• $k$ સ્થિતિવિદ્યુત સ્થિરાંક છે, જે SI એકમોમાં લગભગ $8.988 × 10^9 N m^2/C^2$ બરાબર છે.
• $q_1$ અને $q_2$ કુલંબ (C) માં ચાર્જના પરિમાણ છે.
• r મીટર (m) માં ચાર્જ વચ્ચેનું અંતર છે.

ઉદાહરણો:

1. આકર્ષક બળ: બે ધનાત્મક ચાર્જ કરેલા કણો, $q_1 = +5$ μC અને $q_2 = +3$ μC, r = 2 મીટરના અંતરથી અલગ થયેલા છે તે ધ્યાનમાં લો. તેમની વચ્ચેના સ્થિતિવિદ્યુત બળની ગણતરી આ રીતે કરવામાં આવે છે:

$$F = (8.988 × 10^9 N m^2/C^2) \times \frac{(5 × 10^{-6} C) \times (3 × 10^{-6} C)}{(2 m)^2}$$ $$\Rightarrow F ≈ 6.74 × 10^{-3} N$$

બળ ધનાત્મક છે, જે બે ધનાત્મક ચાર્જ વચ્ચે આકર્ષક બળ દર્શાવે છે.

2. વિકર્ષક બળ: હવે, બે નકારાત્મક ચાર્જ કરેલા કણો, q1 = -4 μC અને q2 = -2 μC, r = 3 મીટરના અંતરથી અલગ થયેલા છે તે ધ્યાનમાં લો. તેમની વચ્ચેના સ્થિતિવિદ્યુત બળ છે:

$$F = (8.988 × 10^9 N m^2/C^2) \times \frac{(-4 × 10^{-6} C) \times (-2 × 10^{-6} C)}{(3 m)^2}$$ $$\Rightarrow F ≈ 2.22 × 10^{-3} N$$

બળ ધનાત્મક છે, જે બે નકારાત્મક ચાર્જ વચ્ચે વિકર્ષક બળ દર્શાવે છે.

3. પરીક્ષણ ચાર્જ પર બળ: કુલંબના નિયમનો ઉપયોગ ચાર્જ કરેલા પદાર્થની નજીક મૂકેલા પરીક્ષણ ચાર્જ દ્વારા અનુભવાતા બળને નક્કી કરવા માટે પણ થઈ શકે છે. ઉદાહરણ તરીકે, જો ધનાત્મક પરીક્ષણ ચાર્જ q0 પ્રથમ ઉદાહરણમાંથી ધનાત્મક ચ