ചാപ്റ്റർ 3 നിലവിലെ വൈദ്യുതിയെക്കുറിച്ച്
പരിശീലനങ്ങൾ
3.1 ഒരു കാറിന്റെ സ്റ്റോറജ് ബാറ്ററിയുടെ എംപിഎഫ് $12 \mathrm{~V}$ ആണ്. ബാറ്ററിയുടെ ആന്തരിക വിപ്ലവം $0.4 \Omega$ എങ്കിൽ, ബാറ്ററിയിൽ നിന്ന് എത്ര പരമാവധി കാറ്റ് കയറാം?
Show Answer
ഉത്തരം
ബാറ്ററിയുടെ എംപിഎഫ്, $E=12 \mathrm{~V}$
ബാറ്ററിയുടെ ആന്തരിക വിപ്ലവം, $r=0.4 \Omega$
ബാറ്ററിൽ നിന്ന് കയറുന്ന പരമാവധി കാറ്റ് $=I$
ഓമിയുടെ നിയമത്തിനനുസരിച്ച്,
$$ \begin{aligned} E & =I r \\ I & =\frac{E}{r} \\ & =\frac{12}{0.4}=30 \mathrm{~A} \end{aligned} $$
നൽകിയിരിക്കുന്ന ബാറ്ററിൽ നിന്ന് കയറുന്ന പരമാവധി കാറ്റ് $30 \mathrm{~A}$.
3.2 എംപിഎഫ് $10 \mathrm{~V}$ ഉം ആന്തരിക വിപ്ലവം $3 \Omega$ ഉള്ള ഒരു ബാറ്ററി ഒരു റിസിസ്റ്റർ ഉപയോഗിച്ച് ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. ചക്രത്തിൽ കാറ്റ് $0.5 \mathrm{~A}$ ആണെങ്കിൽ, റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള വിപ്ലവം എത്രയാണ്? ചക്രം മുടിച്ചാൽ ബാറ്ററിയുടെ ടെർമിനൽ വോൾ്റേജ് എത്രയാണ്?
Show Answer
ഉത്തരം
ബാറ്ററിയുടെ എംപിഎഫ്, $E=10 \mathrm{~V}$
ബാറ്ററിയുടെ ആന്തരിക വിപ്ലവം, $r=3 \Omega$
ചക്രത്തിൽ ഉള്ള കാറ്റ്, $I=0.5 \mathrm{~A}$
റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള വിപ്ലവം $=R$
ഓമിയുടെ നിയമം ഉപയോഗിച്ച് കാറ്റിന്റെ ബന്ധം,
$I=\frac{E}{R+r}$
$R+r=\frac{E}{I}$
$=\frac{10}{0.5}=20 \Omega$
$\therefore R=20-3=17 \Omega$
റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള ടെർമിനൽ വോൾ്റേജ് $=V$
ഓമിയുടെ നിയമത്തിനനുസരിച്ച്,
$V=I R$
$=0.5 \times 17$
$=8.5 \mathrm{~V}$
അതായത്, റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള വിപ്ലവം $17 \Omega$ ആണ് എന്നും ടെർമിനൽ വോൾ്റേജ് $8.5 \mathrm{~V}$ ആണെന്നും.
3.3 പ്രാദേശിക താപനിലയിൽ $\left(27.0{ }^{\circ} \mathrm{C}\right)$ ആണെങ്കിൽ, ഒരു ഹീറ്റിംഗ് എലമെന്റിന്റെ വിപ്ലവം $100 \Omega$ ആണ്. ഹീറ്റിംഗ് എലമെന്റിന്റെ വിപ്ലവം $117 \Omega$ ആയി കണ്ടെത്തിയാൽ, റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള മാറ്റത്തിന്റെ താപനിലാനുപാതം $1.70 \times 10^{-4}{ }^{\circ} \mathrm{C}^{-1}$ നൽകിയിരിക്കുന്നതിനനുസരിച്ച് എലമെന്റിന്റെ താപനില എത്രയാണ്?
Show Answer
ഉത്തരം
പ്രാദേശിക താപനില, $T=27^{\circ} \mathrm{C}$
ഹീറ്റിംഗ് എലമെന്റിന്റെ വിപ്ലവം $T, R=100 \Omega$ ആയിരിക്കുന്നു
ഫിലമെന്റിന്റെ വർദ്ധിച്ച താപനില $T_{1}$ എന്നാകും
ഹീറ്റിംഗ് എലമെന്റിന്റെ വിപ്ലവം $T_{1}, R_{1}=117 \Omega$ ആയിരിക്കുന്നു
ഫിലമെന്റിന്റെ മാറ്റത്തിന്റെ താപനിലാനുപാതം,
$\alpha=1.70 \times 10^{-4 \circ} \mathrm{C}^{-1}$
$\alpha$ എന്ന ബന്ധത്തിലൂടെ നൽകിയിരിക്കുന്നു,
$\alpha=\frac{R_{1}-R}{R\left(T_{1}-T\right)}$
$T_{1}-T=\frac{R_{1}-R}{R \alpha}$
$T_{1}-27=\frac{117-100}{100\left(1.7 \times 10^{-4}\right)}$
$T_{1}-27=1000$
$T_{1}=1027^{\circ} \mathrm{C}$
അതായത്, $1027^{\circ} \mathrm{C}$ താപനിലയിൽ എലമെന്റിന്റെ വിപ്ലവം $117 \Omega$ ആണ്.
3.4 ഒരു വായുവിൽ ഒരു ലെൻഘ്റ്റ് $15 \mathrm{~m}$ ഉം യഥാർത്ഥ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ പ്രാദേശികമായി $6.0 \times 10^{-7} \mathrm{~m}^{2}$ ഉള്ള ഒരു വായുവിൽ ഒരു ചെറിയ കാറ്റ് കയറ്റപ്പെടുന്നു. അതിന്റെ വിപ്ലവം $5.0 \Omega$ എന്ന് കണ്ടെത്തിയിരിക്കുന്നു. പരീക്ഷണത്തിന്റെ താപനിലയിൽ മാറ്റത്തിന്റെ വിപ്ലവം എത്രയാണ്?
Show Answer
ഉത്തരം
വായുവിന്റെ ലെൻഘ്റ്റ്, $l=15 \mathrm{~m}$
വായുവിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ പ്രാദേശികമായ വലുപ്പം, $a=6.0 \times 10^{-7} \mathrm{~m}^{2}$
വായുവിന്റെ മാറ്റത്തിന്റെ വിപ്ലവം, $R=5.0 \Omega$
വായുവിന്റെ മാറ്റത്തിന്റെ വിപ്ലവം $=\rho$
വിപ്ലവം മാറ്റത്തിന്റെ വിപ്ലവത്തിനൊപ്പം ബന്ധപ്പെടുന്നു
$$ \begin{aligned} R & =\rho \frac{l}{A} \\ \rho & =\frac{R A}{l} \\ & =\frac{5 \times 6 \times 10^{-7}}{15}=2 \times 10^{-7} \Omega \mathrm{m} \end{aligned} $$
അതായത്, മാറ്റത്തിന്റെ വിപ്ലവം $2 \times 10^{-7} \Omega \mathrm{m}$ ആണ്.
3.5 ഒരു വെള്ളി വായുവിന്റെ വിപ്ലവം $2.1 \Omega$ ആണ് $27.5^{\circ} \mathrm{C}$ താപനിലയിൽ, വിപ്ലവം $2.7 \Omega$ ആണ് $100{ }^{\circ} \mathrm{C}$ താപനിലയിൽ. വെള്ളിയുടെ മാറ്റത്തിന്റെ താപനിലാനുപാതം കണ്ടെത്തുക.
Show Answer
ഉത്തരം
താപനില, $T_{1}=27.5^{\circ} \mathrm{C}$
വെള്ളി വായുവിന്റെ വിപ്ലവം $T_{1}, R_{1}=2.1 \Omega$ ആയിരിക്കുന്നു
താപനില, $T_{2}=100^{\circ} \mathrm{C}$
വെള്ളി വായുവിന്റെ വിപ്ലവം $T_{2}, R_{2}=2.7 \Omega$ ആയിരിക്കുന്നു
വെള്ളിയുടെ താപനിലാനുപാതം $=\alpha$
താപനിലയും വിപ്ലവത്തെയും ബന്ധപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന ബന്ധം,
$$ \begin{aligned} \alpha & =\frac{R_{2}-R_{1}}{R_{1}\left(T_{2}-T_{1}\right)} \\ & =\frac{2.7-2.1}{2.1(100-27.5)}=0.0039^{\circ} \mathrm{C}^{-1} \end{aligned} $$
അതായത്, വെള്ളിയുടെ താപനിലാനുപാതം $0.0039^{\circ} \mathrm{C}^{-1}$ ആണ്.
3.6 ഒരു $230 \mathrm{~V}$ വോൾ്റേജ് സ്വറിലൂടെ ബന്ധിപ്പിച്ച ഒരു ഹീറ്റിംഗ് എലമെന്റിൽ നിന്ന് ആദ്യം 3.2 A എന്ന കാറ്റ് കയറുന്നു, എന്നാൽ ചില സെക്കൻഡുകൾ കഴിഞ്ഞ് ഒരു സ്റ്റെഡി മൂല്യം $2.8 \mathrm{~A}$ എത്രയായി സ്റ്റേറ്റസ് ചെയ്യുന്നു. പ്രാദേശിക താപനില $27.0 ^{\circ} \mathrm{C}$ ആണെങ്കിൽ, ഹീറ്റിംഗ് എലമെന്റിന്റെ സ്റ്റെഡി താപനില എത്രയാണ്? ബാധകമായ താപനില പരിധിയിൽ നിന്ന് നിക്ഷേപത്തിന്റെ താപനിലാനുപാതം $1.70 \times 10 ^{-4}{ }^{\circ} \mathrm{C} ^{-1}$ ആണ്.
Show Answer
ഉത്തരം
വോൾ്റേജ് സ്വറിന്റെ വോൾ്റേജ്, $V=230 \mathrm{~V}$
ആദ്യത്തെ കാറ്റ്, $I_{1}=3.2 \mathrm{~A}$
ആദ്യത്തെ വിപ്ലവം $=R_{1}$, ഇത് ബന്ധപ്പെടുന്ന ബന്ധത്തിലൂടെ നൽകിയിരിക്കുന്നു,
$$ \begin{aligned} R_{1} & =\frac{V}{I} \\ & =\frac{230}{3.2}=71.87 \Omega \end{aligned} $$
സ്റ്റെഡി സ്റ്റേറ്റ് മൂല്യം, $I_{2}=2.8 \mathrm{~A}$
സ്റ്റെഡി സ്റ്റേറ്റിൽ വിപ്ലവം $=R_{2}$, ഇത് നൽകിയിരിക്കുന്നു
$R_{2}=\frac{230}{2.8}=82.14 \Omega$
നിക്ഷേപത്തിന്റെ താപനിലാനുപാതം, $\alpha=1.70 \times 10^{-4}{ }^{\circ} \mathrm{C}^{-1}$
നിക്ഷേപത്തിന്റെ ആദ്യത്തെ താപനില, $T_{1}=27.0^{\circ} \mathrm{C}$
നിക്ഷേപം എത്ര താപനിലിൽ എത്തുന്നു $=T_{2}$
$T_{2}$ എന്ന ബന്ധത്തിലൂടെ ലഭ്യമാക്കാം $\alpha$,
$\alpha=\frac{R_{2}-R_{1}}{R_{1}\left(T_{2}-T_{1}\right)}$
$T_{2}-27^{\circ} \mathrm{C}=\frac{82.14-71.87}{71.87 \times 1.7 \times 10^{-4}}=840.5$
അതായത്, ഹീറ്റിംഗ് എലമെന്റിന്റെ സ്റ്റെഡി താപനില $867.5^{\circ} \mathrm{C}$.
3.7 ചിത്രം 3.20 പ്രദർശിപ്പിച്ചിരിക്കുന്ന നെറ്റ്വർക്കിൽ ഓരോ ശാഖയിൽവീണ്ടുള്ള കാറ്റ് കണ്ടെത്തുക:
ചിത്രം 3.20
Show Answer
ഉള്ളടക്കം ലഭ്യമല്ല
3.8 ഒരു സ്റ്റോറജ് ബാറ്ററിയുടെ എംപിഎഫ് $8.0 \mathrm{~V}$ ഉം ആന്തരിക വിപ്ലവം $0.5 \Omega$ ഉള്ള ഒരു ബാറ്ററി ഒരു $120 \mathrm{~V}$ ഡിസി സ്വറിലൂടെ ചാർജ് ചെയ്യുന്നു, അതിന് ഒരു ശാഖാ റിസിസ്റ്റർ $15.5 \Omega$ ഉപയോഗിച്ച് ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. ചാർജിംഗിനിടയിൽ ബാറ്ററിയുടെ ടെർമിനൽ വോൾ്റേജ് എത്രയാണ്? ചാർജിംഗ് ചക്രത്തിൽ ശാഖാ റിസിസ്റ്റർ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നതിന്റെ ലക്ഷ്യം എന്താണ്?
Show Answer
ഉത്തരം
സ്റ്റോറജ് ബാറ്ററിയുടെ എംപിഎഫ്, $E=8.0 \mathrm{~V}$
ബാറ്ററിയുടെ ആന്തരിക വിപ്ലവം, $r=0.5 \Omega$
ഡിസി സ്വറ വോൾ്റേജ്, $V=120 \mathrm{~V}$
റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള വിപ്ലവം, $R=15.5 \Omega$
ചക്രത്തിൽ യഥാർത്ഥ വോൾ്റേജ് $=V^{1}$
$R$ സ്റ്റോറജ് ബാറ്ററിയുടെ ശാഖയിൽ ബന്ധിപ്പിച്ചിരിക്കുന്നു. അതിനാൽ, ഇത് എഴുതാം
$V^{1}=V-E$
$V^{1}=120-8=112 \mathrm{~V}$
ചക്രത്തിൽ കയറുന്ന കാറ്റ് $=I$, ഇത് ബന്ധപ്പെടുന്ന ബന്ധത്തിലൂടെ നൽകിയിരിക്കുന്നു,
$$ \begin{aligned} I & =\frac{V^{1}}{R+r} \\ & =\frac{112}{15.5+5}=\frac{112}{16}=7 \mathrm{~A} \end{aligned} $$
റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള വോൾ്റേജ് പ്രാദേശികമായി, $I R=7 \times 15.5=108.5 \mathrm{~V}$
ഡിസി സ്വറ വോൾ്റേജ് $=$ ടെർമിനൽ വോൾ്റേജ് ബാറ്ററിയും റിസിസ്റ്റർ ഉള്ള വോൾ്റേജ് ഉം ഉള്ളതാണ്
ടെർമിനൽ വോൾ്റേജ് ബാറ്ററി $=120-108.5=11.5 \mathrm{~V}$
ചാർജിംഗ് ചക്രത്തിൽ ഒരു ശാഖാ റിസിസ്റ്റർ ബാഹ്യ ഉറവിലെ നിന്ന് കയറുന്ന കാറ്റ് പരിമിതപ്പെടുത്തുന്നു. അതിന്റെ അസാധ്യതയിൽ കാറ്റ് വളരെ ഉയർന്ന മൂല്യമായി വരും. ഇത് വളരെ അപകടകരമാണ്.
3.9 ഉദാഹരണം 3.1 ലെ ഒരു വെള്ളി ചലനത്തിൽ ഒരു പൊതു ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത $8.5 \times 10^{28} \mathrm{~m}^{-3}$ ആണെന്ന് കണക്കാക്കിയിരിക്കുന്നു. ഒരു വായുവിൽ ഒരു ഇലക്ട്രോൺ ഒരു അതിൽ നിന്ന് മറ്റൊന്നിലേക്ക് എത്തുന്നതിന് എത്ര സമയം എടുക്കുന്നു? വായുവിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ പ്രാദേശികമായി $2.0 \times 10^{-6} \mathrm{~m}^{2}$ ഉള്ളതാണ്, അത് ഒരു കാറ്റ് $3.0 \mathrm{~A}$ കയറ്റുന്നു.
Show Answer
ഉത്തരം
ഒരു വെള്ളി ചലനത്തിൽ ഒരു പൊതു ഇലക്ട്രോൺ സാന്ദ്രത, $n=8.5 \times 10^{28} \mathrm{~m}^{-3}$ ലെൻഘ്റ്റ്, $l=3.0 \mathrm{~m}$
വായുവിന്റെ ക്രോസ്-സെക്ഷൻ പ്രാദേശികമായ വലുപ്പം, $A=2.0 \times 10^{-6} \mathrm{~m}^{2}$
വായുവിൽ കയറുന്ന കാറ്റ്, $I=3.0 \mathrm{~A}$, ഇത് ബന്ധപ്പെടുന്ന ബന്ധത്തിലൂടെ നൽകിയിരിക്കുന്നു,
$I=n A \mathrm{e} V_{\mathrm{d}}$
ഇവിടെ,
$\mathrm{e}=$ ഇലക്ട്രിക് ചാർജ് $=1.6 \times 10^{-19} \mathrm{C}$
$V_{\mathrm{d}}=$ ഡ്രിഫ്റ്റ് വെലോസിറ്റി $=\frac{\text { Length of the wire }(l)}{\text { Time taken to cover } l(t)}$
$I=n A \mathrm{e} \frac{l}{t}$
$t=\frac{n A \mathrm{e} l}{I}$
$=\frac{3 \times 8.5 \times 10^{28} \times 2 \times 10^{-6} \times 1.6 \times 10^{-19}}{3.0}$
$=2.7 \times 10^{4} \mathrm{~s}$
അതായത്, ഒരു ഇലക്ട്രോൺ ഒരു വായുവിന്റെ ഒരിക്കൽ അതിന്റെ മറുവശത്തേക്ക് എത്തുന്നതിന് എത്ര സമയം എടുക്കുന്നു $2.7 \times 10^{4} \mathrm{~s}$.