ଅଧ୍ୟାୟ 2 ବିଦ୍ୟୁତ୍ ବିଭବ ଏବଂ ଧାରିତା
ଅଭ୍ୟାସ
2.1 ଦୁଇଟି ଚାର୍ଜ $5 \times 10^{-8} \mathrm{C}$ ଏବଂ $-3 \times 10^{-8} \mathrm{C}$ ପରସ୍ପରଠାରୁ $16 \mathrm{~cm}$ ଦୂରରେ ଅବସ୍ଥିତ। ଦୁଇଟି ଚାର୍ଜକୁ ଯୋଗକରୁଥିବା ରେଖା ଉପରେ କେଉଁ ବିନ୍ଦୁ(ଗୁଡ଼ିକ)ରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ ବିଭବ ଶୂନ୍ୟ ହେବ? ଅନନ୍ତରେ ବିଭବକୁ ଶୂନ୍ୟ ଧରି ନିଅନ୍ତୁ।
Show Answer
ଉତ୍ତର
ଦୁଇଟି ଚାର୍ଜ ଅଛି,
$q_{1}=5 \times 10^{-8} \mathrm{C}$
$q_{2}=-3 \times 10^{-8} \mathrm{C}$
ଦୁଇଟି ଚାର୍ଜ ମଧ୍ୟରେ ଦୂରତା, $d=16 \mathrm{~cm}=0.16 \mathrm{~m}$
ଦୁଇଟି ଚାର୍ଜକୁ ଯୋଗକରୁଥିବା ରେଖା ଉପରେ ଏକ ବିନ୍ଦୁ $\mathrm{P}$ ବିଚାର କର, ନିମ୍ନ ଚିତ୍ରରେ ଦର୍ଶାଇଥିବା ପରି।
$r=$ ଚାର୍ଜ $q_{1}$ ଠାରୁ ବିନ୍ଦୁ $\mathrm{P}$ ର ଦୂରତା
ମନେକର ବିନ୍ଦୁ $\mathrm{P}$ ରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ ବିଭବ $(V)$ ଶୂନ୍ୟ ଅଟେ।
ବିନ୍ଦୁ $\mathrm{P}$ ରେ ବିଭବ ହେଉଛି ଚାର୍ଜ $q_{1}$ ଏବଂ $q_{2}$ ଦ୍ୱାରା ସୃଷ୍ଟ ବିଭବର ସମଷ୍ଟି।
$\therefore V=\frac{q_{1}}{4 \pi \in_{0} r}+\frac{q_{2}}{4 \pi \in_{0}(d-r)}$
ଯେଉଁଠି,
$\in_{0}=$ ମୁକ୍ତ ଅବକାଶର ପାରମିଟିଭିଟି
$V=0$ ପାଇଁ, ସମୀକରଣ (i) ହ୍ରାସ ପାଇ
$$ \begin{aligned} & \frac{q_{1}}{4 \pi \in_{0} r}=-\frac{q_{2}}{4 \pi \in_{0}(d-r)} \\ & \frac{q_{1}}{r}=\frac{-q_{2}}{d-r} \\ & \frac{5 \times 10^{-8}}{r}=-\frac{\left(-3 \times 10^{-8}\right)}{(0.16-r)} \\ & \frac{0.16}{r}-1=\frac{3}{5} \\ & \frac{0.16}{r}=\frac{8}{5} \\ & \therefore r=0.1 \mathrm{~m}=10 \mathrm{~cm} \end{aligned} $$
ତେଣୁ, ଚାର୍ଜଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଧନାତ୍ମକ ଚାର୍ଜଠାରୁ $10 \mathrm{~cm}$ ଦୂରତାରେ ବିଭବ ଶୂନ୍ୟ ଅଟେ।
ଧରାଯାଉ ବିନ୍ଦୁ $\mathrm{P}$ ହେଉଛି ଦୁଇଟି ଚାର୍ଜର ବ୍ୟବସ୍ଥାର ବାହାରେ ଋଣାତ୍ମକ ଚାର୍ଜଠାରୁ $s$ ଦୂରତାରେ, ଯେଉଁଠାରେ ବିଭବ ଶୂନ୍ୟ, ନିମ୍ନ ଚିତ୍ରରେ ଦର୍ଶାଇଥିବା ପରି।
ଏହି ବିନ୍ୟାସ ପାଇଁ, ବିଭବ ଦିଆଯାଇଛି,
$$ \begin{equation*} V=\frac{q_{1}}{4 \pi \epsilon_{0} s}+\frac{q_{2}}{4 \pi \in_{0}(s-d)} \tag{ii} \end{equation*} $$
$V=0$ ପାଇଁ, ସମୀକରଣ (ii) ହ୍ରାସ ପାଇ
$$ \frac{q_{1}}{4 \pi \in_{0} s}=-\frac{q_{2}}{4 \pi \in_{0}(s-d)} $$
$\frac{q_{1}}{s}=\frac{-q_{2}}{s-d}$
$\frac{5 \times 10^{-8}}{s}=-\frac{\left(-3 \times 10^{-8}\right)}{(s-0.16)}$
$1-\frac{0.16}{s}=\frac{3}{5}$
$\frac{0.16}{s}=\frac{2}{5}$
$\therefore s=0.4 \mathrm{~m}=40 \mathrm{~cm}$
ତେଣୁ, ଚାର୍ଜଗୁଡ଼ିକର ବ୍ୟବସ୍ଥାର ବାହାରେ ଧନାତ୍ମକ ଚାର୍ଜଠାରୁ $40 \mathrm{~cm}$ ଦୂରତାରେ ବିଭବ ଶୂନ୍ୟ ଅଟେ।
2.2 ଏକ ନିୟମିତ ଷଡ୍ଭୁଜର ବାହୁ $10 \mathrm{~cm}$ ଏବଂ ପ୍ରତ୍ୟେକ ଶୀର୍ଷରେ $5 \mu \mathrm{C}$ ଚାର୍ଜ ଅଛି। ଷଡ୍ଭୁଜର କେନ୍ଦ୍ରରେ ବିଭବ ଗଣନା କର।
Show Answer
ଉତ୍ତର
ଦିଆଯାଇଥିବା ଚିତ୍ରଟି ଏକ ନିୟମିତ ଷଡ୍ଭୁଜର ଶୀର୍ଷଗୁଡ଼ିକରେ ଛଅଟି ସମାନ ପରିମାଣର ଚାର୍ଜ, $q$, ଦର୍ଶାଉଛି।
ଯେଉଁଠି,
ଚାର୍ଜ, $q=5 \mu \mathrm{C}=5 \times 10^{-6} \mathrm{C}$
ଷଡ୍ଭୁଜର ବାହୁ, $l=\mathrm{AB}=\mathrm{BC}=\mathrm{CD}=\mathrm{DE}=\mathrm{EF}=\mathrm{FA}=10 \mathrm{~cm}$
କେନ୍ଦ୍ର $\mathrm{O}, d=10 \mathrm{~cm}$ ଠାରୁ ପ୍ରତ୍ୟେକ ଶୀର୍ଷର ଦୂରତା
ବିନ୍ଦୁ $\mathrm{O}$ ରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ ବିଭବ,
$$ V=\frac{6 \times q}{4 \pi \epsilon_{0} d} $$
ଯେଉଁଠି,
$$ \in_{0}=\text { Permittivity of free space } $$
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}}=9 \times 10^{9} \mathrm{~N} \mathrm{C}^{-2} \mathrm{~m}^{-2} \\ & \therefore V=\frac{6 \times 9 \times 10^{9} \times 5 \times 10^{-6}}{0.1} \\ & \quad=2.7 \times 10^{6} \mathrm{~V} \end{aligned} $$
ତେଣୁ, ଷଡ୍ଭୁଜର କେନ୍ଦ୍ରରେ ବିଭବ ହେଉଛି $2.7 \times 10^{6} \mathrm{~V}$।
2.3 ଦୁଇଟି ଚାର୍ଜ $2 \mu \mathrm{C}$ ଏବଂ $-2 \mu \mathrm{C}$ କୁ ଯଥାକ୍ରମେ ବିନ୍ଦୁ $\mathrm{A}$ ଏବଂ $\mathrm{B} 6 \mathrm{~cm}$ ରେ ରଖାଯାଇଛି।
(କ) ବ୍ୟବସ୍ଥାର ଏକ ସମବିଭବ ପୃଷ୍ଠ ଚିହ୍ନିତ କର।
(ଖ) ଏହି ପୃଷ୍ଠର ପ୍ରତ୍ୟେକ ବିନ୍ଦୁରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ରର ଦିଗ କ’ଣ?
Show Answer
ଉତ୍ତର
ପରିସ୍ଥିତିଟି ଦିଆଯାଇଥିବା ଚିତ୍ରରେ ଦର୍ଶାଯାଇଛି।
ଏକ ସମବିଭବ ପୃଷ୍ଠ ହେଉଛି ସେହି ସମତଳ ଯାହାର ପ୍ରତ୍ୟେକ ସ୍ଥାନରେ ସମୁଦାୟ ବିଭବ ଶୂନ୍ୟ। ଏହି ସମତଳଟି ରେଖା $\mathrm{AB}$ ପ୍ରତି ଲମ୍ବ। ସମତଳଟି ରେଖା $\mathrm{AB}$ ର ମଧ୍ୟବିନ୍ଦୁରେ ଅବସ୍ଥିତ କାରଣ ଚାର୍ଜଗୁଡ଼ିକର ପରିମାଣ ସମାନ।
ଏହି ପୃଷ୍ଠର ପ୍ରତ୍ୟେକ ବିନ୍ଦୁରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ରର ଦିଗ ହେଉଛି ସମତଳ ପ୍ରତି ଲମ୍ବ ଏବଂ $\mathrm{AB}$ ର ଦିଗରେ।
2.4 $12 \mathrm{~cm}$ ବ୍ୟାସାର୍ଦ୍ଧ ବିଶିଷ୍ଟ ଏକ ଗୋଲାକାର ଚାଳକର ପୃଷ୍ଠରେ $1.6 \times 10^{-7} \mathrm{C}$ ଚାର୍ଜ ସମତାପୂର୍ଣ୍ଣ ଭାବରେ ବିତରିତ ହୋଇଛି। ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ର କେତେ
(କ) ଗୋଲକ ଭିତରେ
(ଖ) ଗୋଲକର ଠିକ୍ ବାହାରେ
(ଗ) ଗୋଲକର କେନ୍ଦ୍ରଠାରୁ $18 \mathrm{~cm}$ ଦୂରରେ ଥିବା ଏକ ବିନ୍ଦୁରେ?
Show Answer
ଉତ୍ତର
ଗୋଲାକାର ଚାଳକର ବ୍ୟାସାର୍ଦ୍ଧ, $r=12 \mathrm{~cm}=0.12 \mathrm{~m}$
ଚାର୍ଜ ଚାଳକ ଉପରେ ସମତାପୂର୍ଣ୍ଣ ଭାବରେ ବିତରିତ, $q=1.6 \times 10^{-7} \mathrm{C}$
ଏକ ଗୋଲାକାର ଚାଳକ ଭିତରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ର ଶୂନ୍ୟ। ଏହା ଏପରି କାରଣ ଯଦି ଚାଳକ ଭିତରେ କ୍ଷେତ୍ର ଥାଏ, ତେବେ ଚାର୍ଜଗୁଡ଼ିକ ଏହାକୁ ଉଦାସୀନ କରିବାକୁ ଗତି କରିବେ।
ଚାଳକର ଠିକ୍ ବାହାରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ର $E$ ନିମ୍ନ ସମ୍ପର୍କ ଦ୍ୱାରା ଦିଆଯାଇଛି,
$$ E=\frac{q}{4 \pi \epsilon_{0} r^{2}} $$
ଯେଉଁଠି,
$$ \epsilon_{0}=\text { Permittivity of free space } $$
$\frac{1}{4 \pi \epsilon_{0}}=9 \times 10^{9} \mathrm{~N} \mathrm{~m}^{2} \mathrm{C}^{-2}$
$\therefore E=\frac{1.6 \times 10^{-7} \times 9 \times 10^{-9}}{(0.12)^{2}}$
$=10^{5} \mathrm{~N} \mathrm{C}^{-1}$
ତେଣୁ, ଗୋଲକର ଠିକ୍ ବାହାରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ର ହେଉଛି $10^{5} \mathrm{~N} \mathrm{C}^{-1}$।
ଗୋଲକର କେନ୍ଦ୍ରଠାରୁ $18 \mathrm{~m}$ ଦୂରରେ ଥିବା ଏକ ବିନ୍ଦୁରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ର $=E_{1}$
କେନ୍ଦ୍ରଠାରୁ ବିନ୍ଦୁର ଦୂରତା, $d=18 \mathrm{~cm}=0.18 \mathrm{~m}$
$$ \begin{aligned} E_{1} & =\frac{q}{4 \pi \in_{0} d^{2}} \\ & =\frac{9 \times 10^{9} \times 1.6 \times 10^{-7}}{\left(18 \times 10^{-2}\right)^{2}} \\ & =4.4 \times 10^{4} \mathrm{~N} / \mathrm{C} \end{aligned} $$
ତେଣୁ, ଗୋଲକର କେନ୍ଦ୍ରଠାରୁ $18 \mathrm{~cm}$ ଦୂରରେ ଥିବା ଏକ ବିନ୍ଦୁରେ ବିଦ୍ୟୁତ୍ କ୍ଷେତ୍ର ହେଉଛି
$4.4 \times 10^{4} \mathrm{~N} / \mathrm{C}$
2.5 ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ବାୟୁ ଥିବା ଏକ ସମାନ୍ତର ପ୍ଲେଟ କ୍ୟାପାସିଟରର ଧାରିତା $8 \mathrm{pF}\left(1 \mathrm{pF}=10^{-12} \mathrm{~F}\right)$। ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଦୂରତା ଅଧା କମିଗଲେ ଏବଂ ସେଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଥିବା ସ୍ଥାନ ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ ଧ୍ରୁବଣାଙ୍କ 6 ବିଶିଷ୍ଟ ଏକ ପଦାର୍ଥରେ ପୂର୍ଣ୍ଣ ହେଲେ ଧାରିତା କେତେ ହେବ?
Show Answer
କ୍ୟାପାସିଟରର ସମାନ୍ତର ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଧାରିତା, $\mathrm{C}=8 \mathrm{pF}$
ପ୍ରାରମ୍ଭରେ, ସମାନ୍ତର ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଦୂରତା ଥିଲା $d$ ଏବଂ ଏହା ବାୟୁରେ ପୂର୍ଣ୍ଣ ଥିଲା। ବାୟୁର ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ ଧ୍ରୁବଣାଙ୍କ, $k=1$
ଧାରିତା, $C$, ସୂତ୍ର ଦ୍ୱାରା ଦିଆଯାଇଛି,
$$ \begin{align*} C & =\frac{k \in_{0} A}{d} \\ & =\frac{\in_{0} A}{d} \tag{i} \end{align*} $$
ଯେଉଁଠି,
$A=$ ପ୍ରତ୍ୟେକ ପ୍ଲେଟର କ୍ଷେତ୍ରଫଳ
$$ \epsilon_{0}=\text { Permittivity of free space } $$
ଯଦି ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଦୂରତା ଅଧା ହ୍ରାସ ପାଏ, ତେବେ ନୂତନ ଦୂରତା, $d=\frac{d}{2}$
ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ପୂର୍ଣ୍ଣ ହୋଇଥିବା ପଦାର୍ଥର ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ ଧ୍ରୁବଣାଙ୍କ, $k^{\prime}=6$
ତେଣୁ, କ୍ୟାପାସିଟରର ଧାରିତା ହୁଏ
$$ \begin{equation*} C^{\prime}=\frac{k^{\prime} \in_{0} A}{d^{\prime}}=\frac{6 \in_{0} A}{\frac{d}{2}} \tag{ii} \end{equation*} $$
ସମୀକରଣ (i) ଏବଂ (ii) ର ଅନୁପାତ ନେଲେ, ଆମେ ପାଇବା
$$ \begin{aligned} C^{\prime} & =2 \times 6 C \\ & =12 C \\ & =12 \times 8=96 \mathrm{pF} \end{aligned} $$
ତେଣୁ, ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଧାରିତା ହେଉଛି $96 \mathrm{pF}$।
2.6 ପ୍ରତ୍ୟେକର ଧାରିତା $9 \mathrm{pF}$ ଥିବା ତିନୋଟି କ୍ୟାପାସିଟର ଶ୍ରେଣୀ ସଂଯୋଗରେ ଯୋଡ଼ା ହୋଇଛି।
(କ) ସଂଯୋଗର ସମୁଦାୟ ଧାରିତା କେତେ?
(ଖ) ସଂଯୋଗକୁ ଏକ $120 \mathrm{~V}$ ସରବରାହ ସହିତ ଯୋଡ଼ିଲେ ପ୍ରତ୍ୟେକ କ୍ୟାପାସିଟର ପାର୍ଶ୍ୱରେ ବିଭବ ପାର୍ଥକ୍ୟ କେତେ?
Show Answer
ଉତ୍ତର
ତିନୋଟି କ୍ୟାପାସିଟରର ପ୍ରତ୍ୟେକର ଧାରିତା, $C=9 \mathrm{pF}$
କ୍ୟାପାସିଟରଗୁଡ଼ିକର ସଂଯୋଗର ସମତୁଲ୍ୟ ଧାରିତା $\left(C^{\prime}\right)$ ସମ୍ପର୍କ ଦ୍ୱାରା ଦିଆଯାଇଛି,
$$ \begin{aligned} \frac{1}{C^{\prime}} & =\frac{1}{C}+\frac{1}{C}+\frac{1}{C} \\ & =\frac{1}{9}+\frac{1}{9}+\frac{1}{9}=\frac{3}{9}=\frac{1}{3} \end{aligned} $$
$\therefore C^{\prime}=3 \mu \mathrm{F}$
ତେଣୁ, ସଂଯୋଗର ସମୁଦାୟ ଧାରିତା ହେଉଛି $3 \mu \mathrm{F}$।
ସରବରାହ ଭୋଲ୍ଟେଜ, $V=100 \mathrm{~V}$
ପ୍ରତ୍ୟେକ କ୍ୟାପାସିଟର ପାର୍ଶ୍ୱରେ ବିଭବ ପାର୍ଥକ୍ୟ $\left(V^{\prime}\right)$ ସରବରାହ ଭୋଲ୍ଟେଜର ଏକ ତୃତୀୟାଂଶ ସହ ସମାନ।
$$ \therefore V^{\prime}=\frac{V}{3}=\frac{120}{3}=40 \mathrm{~V} $$
ତେଣୁ, ପ୍ରତ୍ୟେକ କ୍ୟାପାସିଟର ପାର୍ଶ୍ୱରେ ବିଭବ ପାର୍ଥକ୍ୟ ହେଉଛି $40 \mathrm{~V}$।
2.7 $2 \mathrm{pF}, 3 \mathrm{pF}$ ଏବଂ $4 \mathrm{pF}$ ଧାରିତା ବିଶିଷ୍ଟ ତିନୋଟି କ୍ୟାପାସିଟର ସମାନ୍ତର ସଂଯୋଗରେ ଯୋଡ଼ା ହୋଇଛି।
(କ) ସଂଯୋଗର ସମୁଦାୟ ଧାରିତା କେତେ?
(ଖ) ସଂଯୋଗକୁ ଏକ $100 \mathrm{~V}$ ସରବରାହ ସହିତ ଯୋଡ଼ିଲେ ପ୍ରତ୍ୟେକ କ୍ୟାପାସିଟର ଉପରେ ଚାର୍ଜ ନିର୍ଣ୍ଣୟ କର।
Show Answer
ଉତ୍ତର
ଦିଆଯାଇଥିବା କ୍ୟାପାସିଟରଗୁଡ଼ିକର ଧାରିତା
$$ \begin{aligned} & C_{1}=2 \mathrm{pF} \\ & C_{2}=3 \mathrm{pF} \\ & C_{3}=4 \mathrm{pF} \end{aligned} $$
କ୍ୟାପାସିଟରଗୁଡ଼ିକର ସମାନ୍ତର ସଂଯୋଗ ପାଇଁ, ସମତୁଲ୍ୟ କ୍ୟାପାସିଟର $C^{\prime}$ ବୀଜଗାଣିତିକ ସମଷ୍ଟି ଦ୍ୱାରା ଦିଆଯାଇଛି,
$$ C^{\prime}=2+3+4=9 \mathrm{pF} $$
ତେଣୁ, ସଂଯୋଗର ସମୁଦାୟ ଧାରିତା ହେଉଛି $9 \mathrm{pF}$।
ସରବରାହ ଭୋଲ୍ଟେଜ, $V=100 \mathrm{~V}$
ତିନୋଟି କ୍ୟାପାସିଟର ମାଧ୍ୟମରେ ଭୋଲ୍ଟେଜ ସମାନ $=V=100 \mathrm{~V}$
ଧାରିତା $C$ ଏବଂ ବିଭବ ପାର୍ଥକ୍ୟ $V$ ବିଶିଷ୍ଟ ଏକ କ୍ୟାପାସିଟର ଉପରେ ଚାର୍ଜ ସମ୍ପର୍କ ଦ୍ୱାରା ଦିଆଯାଇଛି,
$q=V C \ldots$ (i)
$\mathrm{C}=2 \mathrm{pF}$ ପାଇଁ,
ଚାର୍ଜ $=V C=100 \times 2=200 \mathrm{pC}=2 \times 10^{-10} \mathrm{C}$
$\mathrm{C}=3 \mathrm{pF}$ ପାଇଁ,
ଚାର୍ଜ $=V C=100 \times 3=300 \mathrm{pC}=3 \times 10^{-10} \mathrm{C}$
$\mathrm{C}=4 \mathrm{pF}$ ପାଇଁ,
ଚାର୍ଜ $=V C=100 \times 4=200 \mathrm{pC}=4 \times 10^{-10} \mathrm{C}$
2.8 ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ବାୟୁ ଥିବା ଏକ ସମାନ୍ତର ପ୍ଲେଟ କ୍ୟାପାସିଟରରେ, ପ୍ରତ୍ୟେକ ପ୍ଲେଟର କ୍ଷେତ୍ରଫଳ $6 \times 10^{-3} \mathrm{~m}^{2}$ ଏବଂ ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଦୂରତା $3 \mathrm{~mm}$। କ୍ୟାପାସିଟରର ଧାରିତା ଗଣନା କର। ଯଦି ଏହି କ୍ୟାପାସିଟରକୁ ଏକ $100 \mathrm{~V}$ ସରବରାହ ସହିତ ଯୋଡ଼ାଯାଏ, ତେବେ କ୍ୟାପାସିଟରର ପ୍ରତ୍ୟେକ ପ୍ଲେଟ ଉପରେ ଚାର୍ଜ କେତେ?
Show Answer
ଉତ୍ତର
ସମାନ୍ତର ପ୍ଲେଟ କ୍ୟାପାସିଟରର ପ୍ରତ୍ୟେକ ପ୍ଲେଟର କ୍ଷେତ୍ରଫଳ, $A=6 \times 10^{-3} \mathrm{~m}^{2}$
ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଦୂରତା, $d=3 \mathrm{~mm}=3 \times 10^{-3} \mathrm{~m}$
ସରବରାହ ଭୋଲ୍ଟେଜ, $V=100 \mathrm{~V}$
ଏକ ସମାନ୍ତର ପ୍ଲେଟ କ୍ୟାପାସିଟରର ଧାରିତା $C$ ଦିଆଯାଇଛି,
$C=\frac{\in_{0} A}{d}$
ଯେଉଁଠି,
$$ \epsilon_{0}=\text { Permittivity of free space } $$
$=8.854 \times 10^{-12} \mathrm{~N}^{-1} \mathrm{~m}^{-2} \mathrm{C}^{-2}$
$$ \begin{aligned} \therefore C & =\frac{8.854 \times 10^{-12} \times 6 \times 10^{-3}}{3 \times 10^{-3}} \\ & =17.71 \times 10^{-12} \mathrm{~F} \\ & =17.71 \mathrm{pF} \end{aligned} $$
ବିଭବ $V$ ଚାର୍ଜ $q$ ଏବଂ ଧାରିତା $C$ ସହ ସମ୍ପର୍କିତ
$$ \begin{aligned} & V=\frac{q}{C} \\ & \therefore q=V C \\ & =100 \times 17.71 \times 10^{-12} \\ & =1.771 \times 10^{-9} \mathrm{C} \end{aligned} $$
ତେଣୁ, କ୍ୟାପାସିଟରର ଧାରିତା ହେଉଛି $17.71 \mathrm{pF}$ ଏବଂ ପ୍ରତ୍ୟେକ ପ୍ଲେଟ ଉପରେ ଚାର୍ଜ ହେଉଛି $1.771 \times$ $10^{-9} \mathrm{C}$।
2.9 ବ୍ୟାଖ୍ୟା କର ଯଦି ଅଭ୍ୟାସ 2.8 ରେ ଦିଆଯାଇଥିବା କ୍ୟାପାସିଟରରେ, ଏକ $3 \mathrm{~mm}$ ମୋଟା ମାଇକା ଶିଟ (ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ ଧ୍ରୁବଣାଙ୍କ $=6$) ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ମଧ୍ୟରେ ଭର୍ତ୍ତି କରାଯାଏ,
(କ) ଯେତେବେଳେ ଭୋଲ୍ଟେଜ ସରବରାହ ସଂଯୁକ୍ତ ରହିଥାଏ।
(ଖ) ସରବରାହ ବିଚ୍ଛିନ୍ନ ହେବା ପରେ।
Show Answer
ଉତ୍ତର
ମାଇକା ଶିଟର ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ ଧ୍ରୁବଣାଙ୍କ, $k=6$
ପ୍ରାରମ୍ଭିକ ଧାରିତା, $C=1.771 \times 10^{-11} \mathrm{~F}$
ନୂତନ ଧାରିତା, $C^{\prime}=k C=6 \times 1.771 \times 10^{-11}=106 \mathrm{pF}$
ସରବରାହ ଭୋଲ୍ଟେଜ, $V=100 \mathrm{~V}$
ନୂତନ ଚାର୍ଜ, $q^{\prime}=C^{\prime} V=6 \times 1.771 \times 10^{-9}=1.06 \times 10^{-8} \mathrm{C}$
ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ପାର୍ଶ୍ୱରେ ବିଭବ $100 \mathrm{~V}$ ରହେ।
ଡାଇଇଲେକ୍ଟ୍ରିକ୍ ଧ୍ରୁବଣାଙ୍କ, $k=6$
ପ୍ରାରମ୍ଭିକ ଧାରିତା, $C=1.771 \times 10^{-11} \mathrm{~F}$
ନୂତନ ଧାରିତା, $C^{\prime}=k C=6 \times 1.771 \times 10^{-11}=106 \mathrm{pF}$
ଯଦି ସରବରାହ ଭୋଲ୍ଟେଜ ଅପସାରିତ କରାଯାଏ, ତେବେ ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକରେ ଥିବା ଚାର୍ଜର ପରିମାଣ ଉପରେ କୌଣସି ପ୍ରଭାବ ପଡ଼ିବ ନାହିଁ।
ଚାର୍ଜ $=1.771 \times 10^{-9} \mathrm{C}$
ପ୍ଲେଟଗୁଡ଼ିକ ପାର୍ଶ୍ୱରେ ବିଭବ ଦିଆଯାଇଛି,
$$ \begin{aligned} \therefore V^{\prime} & =\frac{q}{C^{\prime}} \\ & =\frac{1.771 \times 10^{-9}}{106 \times 10^{-12}} \\ & =16.7 \mathrm{~V} \end{aligned} $$
2.10 ଏକ $12 \mathrm{pF}$ କ୍ୟାପାସିଟରକୁ ଏକ $50 \mathrm{~V}$ ବ୍ୟାଟେରୀ ସହିତ ଯୋଡ଼ାଯାଇଛି। କ୍ୟାପାସିଟରରେ କେତେ ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତି ସଂଚିତ ହୋଇଛି?
Show Answer
ଉତ୍ତର
ଧାରିତା ବିଶିଷ୍ଟ କ୍ୟାପାସିଟର, $C=12 \mathrm{pF}=12 \times 10^{-12} \mathrm{~F}$
ବିଭବ ପାର୍ଥକ୍ୟ, $V=50 \mathrm{~V}$
କ୍ୟାପାସିଟରରେ ସଂଚିତ ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତି ସମ୍ପର୍କ ଦ୍ୱାରା ଦିଆଯାଇଛି,
$$ \begin{aligned} E & =\frac{1}{2} C V^{2} \\ & =\frac{1}{2} \times 12 \times 10^{-12} \times(50)^{2} \\ & =1.5 \times 10^{-8} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
ତେଣୁ, କ୍ୟାପାସିଟରରେ ସଂଚିତ ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତି ହେଉଛି $1.5 \times 10^{-8} \mathrm{~J}$।
2.11 ଏକ $600 \mathrm{pF}$ କ୍ୟାପାସିଟରକୁ ଏକ $200 \mathrm{~V}$ ସରବରାହ ଦ୍ୱାରା ଚାର୍ଜ କରାଯାଇଛି। ଏହାକୁ ତା’ପରେ ସରବରାହରୁ ବିଚ୍ଛିନ୍ନ କରାଯାଇ ଅନ୍ୟ ଏକ ଅଚାର୍ଜିତ $600 \mathrm{pF}$ କ୍ୟାପାସିଟର ସହିତ ଯୋଡ଼ାଯାଇଛି। ଏହି ପ୍ରକ୍ରିୟାରେ କେତେ ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତି ହରାଯାଇଛି?
Show Answer
ଉତ୍ତର
କ୍ୟାପାସିଟରର ଧାରିତା, $C=600 \mathrm{pF}$
ବିଭବ ପାର୍ଥକ୍ୟ, $V=200 \mathrm{~V}$
କ୍ୟାପାସିଟରରେ ସଂଚିତ ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତି ଦିଆଯାଇଛି,
$$ \begin{aligned} E & =\frac{1}{2} C V^{2} \\ & =\frac{1}{2} \times\left(600 \times 10^{-12}\right) \times(200)^{2} \\ & =1.2 \times 10^{-5} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
ଯଦି ସରବରାହ କ୍ୟାପାସିଟରରୁ ବିଚ୍ଛିନ୍ନ କରାଯାଏ ଏବଂ ଏହାକୁ ଧାରିତା $C=600$ $\mathrm{pF}$ ବିଶିଷ୍ଟ ଅନ୍ୟ ଏକ କ୍ୟାପାସିଟର ସହିତ ଯୋଡ଼ାଯାଏ, ତେବେ ସଂଯୋଗର ସମତୁଲ୍ୟ ଧାରିତା $(C)$ ଦିଆଯାଇଛି,
$$ \begin{aligned} & \frac{1}{C^{\prime}}=\frac{1}{C}+\frac{1}{C} \\ & \quad=\frac{1}{600}+\frac{1}{600}=\frac{2}{600}=\frac{1}{300} \\ & \therefore C^{\prime}=300 \mathrm{pF} \end{aligned} $$
ନୂତନ ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତି ଗଣନା କରାଯାଇପାରେ
$$ \begin{aligned} E^{\prime} & =\frac{1}{2} \times C^{\prime} \times V^{2} \\ & =\frac{1}{2} \times 300 \times(200)^{2} \\ & =0.6 \times 10^{-5} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତିର କ୍ଷତି $=E-E^{\prime}$
$$ \begin{aligned} & =1.2 \times 10^{-5}-0.6 \times 10^{-5} \\ & =0.6 \times 10^{-5} \\ & =6 \times 10^{-6} \mathrm{~J} \end{aligned} $$
ତେଣୁ, ପ୍ରକ୍ରିୟାରେ ହରାଯାଇଥିବା ସ୍ଥିରବିଦ୍ୟୁତ ଶକ୍ତି ହେଉଛି $6 \times 10^{-6} \mathrm{~J}$।