மின்னோட்டவியல்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

மின்னோட்டவியல் பற்றி

நடுத்தரம் ~150 நிமிடப் படிப்பு

அலகு 1 ஓய்விலுள்ள மின்னூட்டங்களைப் பற்றியது. இந்த அலகில் மின்னூட்டங்கள் நகர்கின்றன. ஒரு கடத்தியின் குறுக்கே உள்ள மின்னழுத்த வேறுபாடு ஒரு மின்புலத்தை உருவாக்குகிறது. அந்தப் புலம் கட்டுறா எலக்ட்ரான்களைக் கம்பி வழியே தள்ளி நிலையான மின்னோட்டத்தைத் தருகிறது. குழல் விளக்கு முதல் கைபேசி மின்னேற்றி வரை வீட்டில் நீங்கள் பார்க்கும் ஒவ்வொரு சுற்றும் இந்தக் கருத்துகளின்படியே இயங்குகிறது.

பாடம் கம்பியின் உள்ளே தொடங்குகிறது. கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் தாறுமாறாக நகர்கின்றன. செலுத்தப்பட்ட புலம் அவற்றுக்கு ஒரு சிறிய சராசரி இழுப்புத் திசைவேகத்தைத் தருகிறது. இழுப்புத் திசைவேகம், இயக்க எண் ஆகியவற்றிலிருந்து மின்னோட்ட அடர்த்தியும், அதிலிருந்து ஓம் விதியின் நுண்ணிய வடிவம் \( \vec{J} = \sigma \vec{E} \) உம் கிடைக்கின்றன. மின்தடை தெரிந்த பிறகு முழுச் சுற்றுகளையும் கையாளலாம். கிர்க்காஃபின் இரண்டு விதிகள், ஒன்று மின்னூட்ட அழிவின்மையையும் மற்றொன்று ஆற்றல் அழிவின்மையையும் அடிப்படையாகக் கொண்டவை. எளிய தொடர், பக்க இணைப்புகளாகச் சுருக்க முடியாத வலைச்சுற்றுகளைத் தீர்க்க அவை உதவுகின்றன.

பாட நூல் வினாக்கள் பெரும்பாலும் தொகுபயன் மின்தடை, வீட்ஸ்டோன் சமனச்சுற்றின் சமன் நிலை, வெப்பநிலை மின்தடையில் ஏற்படுத்தும் விளைவு, மின்னழுத்தமானி அளவீடுகள் ஆகியவற்றைக் கேட்கின்றன. கணக்கு விடைகள் கிர்க்காஃப் சுற்று விதியில் குறியீட்டு மரபுகளைப் பெரிதும் பொறுத்தவை. எனவே இரண்டு சுற்றுவழிகள் கொண்ட சில சுற்றுகளைக் கவனமாகப் பயிற்சி செய்யுங்கள்.

நீங்கள் கற்பவை

• கடத்தியிலுள்ள எலக்ட்ரான்களின் இழுப்புத் திசைவேகத்தையும் இயக்க எண்ணையும் கணக்கிடுதல்.
• ஓம் விதியைப் பயன்படுத்தி எளிய சுற்றுகளில் மின்னோட்டம், மின்னழுத்தம் அல்லது மின்தடையைக் கண்டறிதல்.
• தொடர், பக்க இணைப்பு வலைச்சுற்றுகளில் தொகுபயன் மின்தடையையும் செலவாகும் மின்திறனையும் கண்டறிதல்.
• பல சுற்றுவழிகள் கொண்ட சுற்றுகளில் தெரியாத மின்னோட்டங்களையும் மின்னழுத்தங்களையும் காணக் கிர்க்காஃப் விதிகளைப் பயன்படுத்துதல்.
• மீட்டர் சமனச்சுற்றும் மின்னழுத்தமானியும் எப்படி இயங்குகின்றன, எதை அளக்கின்றன என்று விளக்குதல்.
• சீபெக், பெல்டியர், தாம்சன் விளைவுகளை வேறுபடுத்துதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• அலகு 1-ல் படித்த மின்னழுத்தமும் மின்னழுத்த வேறுபாடும்.
• அணுக்களின் அமைப்பும் உலோகங்களில் கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் என்ற கருத்தும்.
• இரண்டு அல்லது மூன்று ஒருங்கமை நேரியல் சமன்பாடுகளைத் தீர்த்தல்.

மின்னோட்டவியல் — விரிவான விளக்கம்

இந்தப் பாடத்தில் என்ன உள்ளது

மின்னோட்டமும் இழுப்புத் திசைவேகமும்

மின்னூட்டம் பாயும் வீதமே மின்னோட்டம், \( I = \frac{dq}{dt} \). புலம் இல்லாதபோது உலோகத்திலுள்ள கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் தாறுமாறாக நகர்கின்றன. நிகர ஓட்டம் இருப்பதில்லை. புலம் செலுத்தப்பட்டதும் அவை புலத்துக்கு எதிர்த் திசையில் ஒரு சிறிய சராசரித் திசைவேகத்தைப் பெறுகின்றன. இதுவே இழுப்புத் திசைவேகம் (Drift velocity). ஓரலகு மின்புலத்துக்கான இழுப்புத் திசைவேகம் இயக்க எண் (Mobility). மின்னோட்டம் இழுப்புத் திசைவேகத்துடன் \( I = neAv_d \) என்று தொடர்புடையது.

ஓம் விதியும் மின்தடை எண்ணும்

ஓம் விதியின் நுண்ணிய வடிவம் மின்னோட்ட அடர்த்தியை மின்புலத்துடன் தொடர்புபடுத்துகிறது. \( l \) நீளமும் \( A \) பரப்பும் கொண்ட கம்பிக்கு இது நமக்குப் பழக்கமான \( V = IR \) ஆகிறது, இதில் \( R = \rho \frac{l}{A} \). மின்தடை கடத்தியின் வடிவத்தைப் பொறுத்தது. மின்தடை எண் பொருளையும் அதன் வெப்பநிலையையும் மட்டுமே பொறுத்தது. கார்பன் மின்தடையாக்கிகளுக்குப் பயன்படும் வண்ணக் குறியீடும் இந்த அலகில் உள்ளது.

வெப்ப விளைவும் மின்திறனும்

எலக்ட்ரான்கள் இழுப்படையும்போது அணிக்கோவையில் அதிரும் அயனிகளுடன் மோதி ஆற்றலை வெப்பமாக இழக்கின்றன. உருவாகும் வெப்பத்தை ஜூல் விதி \( H = I^2Rt \) என்று தருகிறது. மின்திறன் \( P = VI \). மின் சூடேற்றிகள், இஸ்திரிப் பெட்டிகள், மின் உருகிகள் ஆகியவை பாடநூலில் உள்ள பயன்பாடுகள்.

மின்தடையாக்கிகள், மின்கலங்களின் இணைப்புகள்

தொடர் இணைப்பிலுள்ள மின்தடையாக்கிகள் வழியே ஒரே மின்னோட்டம் பாய்கிறது. அவற்றின் மின்தடைகள் கூடுகின்றன. பக்க இணைப்பிலுள்ள மின்தடையாக்கிகளின் குறுக்கே ஒரே மின்னழுத்த வேறுபாடு இருக்கும். அவற்றின் மின்தடைகளின் தலைகீழிகள் கூடுகின்றன. மின்கலங்களும் இதே இரண்டு வழிகளில் இணைக்கப்படுகின்றன: அதிக மின்னியக்கு விசைக்குத் தொடராகவும், அதிக மின்னோட்டம் தரப் பக்கமாகவும். ஒவ்வொரு மின்கலத்துக்கும் அக மின்தடை உண்டு. எனவே அது மின்னோட்டம் தரும்போது அதன் முனை மின்னழுத்தம் மின்னியக்கு விசையை விடக் குறைவு.

கிர்க்காஃப் விதிகள்

ஒரு சந்தியில் சந்திக்கும் மின்னோட்டங்களின் குறியியல் கூட்டுத்தொகை சுழி என்று மின்னோட்ட விதி (சந்தி விதி) கூறுகிறது. இது மின்னூட்ட அழிவின்மையிலிருந்து வருகிறது. எந்த மூடிய சுற்றுவழியிலும் மின்னழுத்த வேறுபாடுகளின் குறியியல் கூட்டுத்தொகை சுழி என்று மின்னழுத்த விதி (சுற்று விதி) கூறுகிறது. இது ஆற்றல் அழிவின்மையிலிருந்து வருகிறது. இவை இரண்டும் சேர்ந்து, ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட மின்கலங்கள் உள்ள சுற்றுகள் உட்பட எந்த வலைச்சுற்றையும் தீர்க்கும்.

வீட்ஸ்டோன் சமனச்சுற்று, மீட்டர் சமனச்சுற்று, மின்னழுத்தமானி

கால்வனாமீட்டர் வழியே மின்னோட்டம் பாயாதபோது வீட்ஸ்டோன் சமனச்சுற்று சமநிலையில் உள்ளது. அப்போது \( \frac{P}{Q} = \frac{R}{S} \). மீட்டர் சமனச்சுற்று ஒரு மீட்டர் நீளக் கம்பியைக் கொண்டு இதே கருத்தைப் பயன்படுத்தித் தெரியாத மின்தடையைக் கண்டறிகிறது. மின்னழுத்தமானி (Potentiometer) மின்கலங்களின் மின்னியக்கு விசைகளை ஒப்பிடுகிறது, அக மின்தடையை அளக்கிறது. சமன் நீளத்தில் சோதிக்கப்படும் மின்கலத்திலிருந்து அது மின்னோட்டம் எடுப்பதில்லை. அதனால்தான் வோல்ட்மீட்டரை விடத் துல்லியமாக மின்னியக்கு விசையை அளக்கிறது.

வெப்பமின் விளைவுகள்

சீபெக் விளைவில், இரண்டு வேறுபட்ட உலோகங்களால் ஆன வெப்ப மின்னிரட்டையின் இரண்டு சந்திகளையும் வெவ்வேறு வெப்பநிலைகளில் வைக்கும்போது மின்னியக்கு விசை உருவாகிறது. பெல்டியர் விளைவு இதன் மறுதலை: இரண்டு வேறுபட்ட உலோகங்களின் சந்தி வழியே மின்னோட்டம் செல்லும்போது, மின்னோட்டத்தின் திசையைப் பொறுத்து அந்தச் சந்தியில் வெப்பம் உட்கவரப்படுகிறது அல்லது வெளியிடப்படுகிறது. முனைகள் வெவ்வேறு வெப்பநிலைகளில் உள்ள ஒரே கடத்தி வழியே மின்னோட்டம் பாயும்போது வெப்பம் உட்கவரப்படுவது அல்லது வெளியிடப்படுவது தாம்சன் விளைவு. வெப்ப மின்னிரட்டைகள், வெப்பமின் இயற்றிகள், வெப்பமின் குளிர்விப்பான்கள் ஆகியவை இந்த விளைவுகளை அடிப்படையாகக் கொண்டவை.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• மின்தடையையும் மின்தடை எண்ணையும் ஒன்றாகக் கருதுதல். மின்தடை எண் பொருளின் பண்பு. மின்தடை நீளத்தையும் பரப்பையும் சேர்த்துப் பொறுத்தது.
• சுற்று விதியில் குறியீட்டு மரபுகளைக் கலத்தல். சமன்பாடுகளை எழுதும் முன் ஒவ்வொரு சுற்றுவழிக்கும் ஒவ்வொரு மின்னோட்டத்துக்கும் ஒரு திசையை முடிவு செய்து, அதையே பின்பற்றுங்கள்.
• மின்கலத்தின் முனை மின்னழுத்தத்தை அதன் மின்னியக்கு விசைக்குச் சமம் என்று எடுத்தல். மின்கலம் மின்னோட்டம் தரும்போது அதன் அக மின்தடையின் குறுக்கே ஏற்படும் இறக்கத்தால் முனை மின்னழுத்தம் குறைகிறது.
• வண்ணக் குறியீட்டைத் தவறான வரிசையில் படித்தல். முதல் இரண்டு பட்டைகள் இலக்கங்கள், மூன்றாவது பெருக்கி, நான்காவது பொறுதி அளவு.
• எல்லாச் சாதனங்களுக்கும் ஓம் விதி பொருந்தும் என்று கருதுதல். டயோடுகள் போன்ற ஓம் விதிக்கு உட்படாத சாதனங்களுக்கு V-I வரைபடம் நேர்கோடாக இருக்காது.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

இழுப்புத் திசைவேகம் இவ்வளவு சிறியது என்றால், சாவியை இயக்கியவுடன் விளக்கு ஏன் உடனே ஒளிர்கிறது?

இழுப்புத் திசைவேகம் \( 10^{-4} \) m s-1 வரிசையில் உள்ளது, அதாவது வினாடிக்கு ஒரு மில்லிமீட்டரின் ஒரு பகுதி. ஆனால் மின்புலம் கம்பி முழுவதும் ஏறக்குறைய உடனடியாக, ஏறக்குறைய ஒளியின் வேகத்தில் உருவாகிறது. எனவே கம்பி முழுவதுமுள்ள எலக்ட்ரான்கள் ஒரே நேரத்தில் இழுப்படையத் தொடங்குகின்றன. சாவியிலிருந்து எலக்ட்ரான்கள் நகர்ந்து வரும் வரை விளக்கு காத்திருப்பதில்லை.

வெப்பநிலை கூடும்போது உலோகத்தின் மின்தடை ஏன் கூடுகிறது?

அதிக வெப்பநிலையில் அணிக்கோவையிலுள்ள அயனிகள் பெரிய வீச்சுடன் அதிர்கின்றன. கட்டுறா எலக்ட்ரான்கள் அவற்றுடன் அடிக்கடி மோதுகின்றன. எனவே மோதல்களுக்கு இடையிலான சராசரி நேரம் குறைகிறது. இது மின்தடை எண்ணை உயர்த்துகிறது. அதனால்தான் உலோகங்களுக்கு நேர் மின்தடை வெப்பநிலை எண் உள்ளது.

தொடர், பக்க இணைப்புச் சமன்பாடுகளுக்குப் பதிலாகக் கிர்க்காஃப் விதிகளை எப்போது பயன்படுத்த வேண்டும்?

ஒரு சுற்றை ஒரே தொகுபயன் மின்தடையாகச் சுருக்க முடிந்தால், தொடர், பக்க இணைப்பு விதிகளும் ஓம் விதியும் போதும். பல சுற்றுவழிகள், ஒன்றுக்கு மேற்பட்ட மின்கலங்கள், அல்லது தொடரிலும் பக்கத்திலும் இல்லாத கிளைகள் இருந்தால், ஒவ்வொரு கிளை மின்னோட்டத்தையும் காணக் கிர்க்காஃப் விதிகளைப் பயன்படுத்துங்கள்.

மின்னோட்டம் எடுக்காமல் மின்னழுத்தமானி எப்படி மின்னியக்கு விசையை அளக்கிறது?

மின்னழுத்தமானிக் கம்பியின் ஒரு நீளத்தின் குறுக்கே உள்ள மின்னழுத்த வேறுபாடு மின்கலத்தின் மின்னியக்கு விசைக்குச் சமமாகும் வரை தொடுசாவியை நகர்த்துகிறீர்கள். இந்தச் சமன் புள்ளியில் கால்வனாமீட்டர் விலகல் காட்டுவதில்லை. எனவே மின்கலம் வழியே மின்னோட்டம் பாய்வதில்லை. மின்னோட்டம் இல்லாததால் அதன் அக மின்தடையின் குறுக்கே இறக்கம் இல்லை. அளவீடு உண்மையான மின்னியக்கு விசையைத் தருகிறது.

மின்கலத்தின் அக மின்தடை என்றால் என்ன?

மின்கலத்தின் உள்ளேயுள்ள மின்பகுளியும் மின்வாய்களும் தரும் மின்தடை இது. மின்கலம் I மின்னோட்டம் தரும்போது அதன் உள்ளே Ir மின்னழுத்தம் இழக்கப்படுகிறது. எனவே முனை மின்னழுத்தம் V = E - Ir.

சீபெக் விளைவு எங்கே பயன்படுகிறது?

இரண்டு சந்திகளுக்கு இடையே உருவாகும் மின்னியக்கு விசையிலிருந்து வெப்பநிலையை அளக்கும் வெப்ப மின்னிரட்டையின் தத்துவம் இதுவே. சாதாரண பாதரச வெப்பநிலைமானியைப் பயன்படுத்த முடியாத உலைகளில் உள்ள உயர் வெப்பநிலைகளை வெப்ப மின்னிரட்டைகள் அளக்க முடியும். வெப்பமின் இயற்றிகளிலும் இதே விளைவு பயன்படுகிறது.