Science chapter 9: Circuit and Current Electricity

এক নজরে

আধুনিক সভ্যতার সবচেয়ে গুরুত্বপূর্ণ ও অপরিহার্য শক্তির রূপ হলো বিদ্যুৎ শক্তি। আমাদের দৈনন্দিন জীবনযাত্রা, যোগাযোগ ব্যবস্থা, শিল্প-কারখানা, চিকিৎসাবিজ্ঞান এবং তথ্যপ্রযুক্তি—সবকিছুই বৈদ্যুতিক শক্তির ওপর প্রত্যক্ষভাবে নির্ভরশীল। পরমাণুর গঠনতত্ত্বে ইলেকট্রনের আচরণ থেকে শুরু করে চল বিদ্যুতের যাবতীয় নিয়মাবলি এই অধ্যায়ে পদ্ধতিগতভাবে ব্যাখ্যা করা হয়েছে।

পদার্থের পরমাণুর সর্ববহিস্থ কক্ষপথের দুর্বলভাবে আবদ্ধ ইলেকট্রনগুলোই হলো 'মুক্ত ইলেকট্রন', যা পরিবাহীর মধ্য দিয়ে গতিশীল হয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহ সৃষ্টি করে। বিদ্যুৎ প্রবাহ নিরবচ্ছিন্নভাবে বজায় রাখার মূল শর্ত হলো পরিবাহীর দুই প্রান্তে একটি স্থায়ী বৈদ্যুতিক বিভব পার্থক্য বজায় রাখা। ১৮২৬ সালে বিজ্ঞানী জর্জ সাইমন ওহম বিভব পার্থক্য, প্রবাহমাত্রা ও রোধের মধ্যকার সম্পর্ককে একটি সার্বজনীন সূত্রের রূপ দান করেন, যা 'ও'মের সূত্র' নামে পরিচিত। ব্যবহারিক জীবনে বিদ্যুৎশক্তিকে কাজে লাগানোর জন্য প্রয়োজন উপযুক্ত বর্তনী—যা শ্রেণি বা সমান্তরাল বিন্যাসে গঠিত হতে পারে। একই সাথে মূল্যবান যন্ত্রপাতি রক্ষা ও জানমালের সুরক্ষার জন্য ফিউজ ও চাবির ভূমিকা অপরিসীম।

এই অধ্যায়ে বিস্তারিতভাবে আলোচিত প্রধান বিষয়সমূহ:

1. ইলেকট্রন তত্ত্ব ও আধানের প্রবাহ: মুক্ত ইলেকট্রন, পরিবাহী পদার্থ এবং তড়িৎ প্রবাহের মূল ভিত্তি।
2. তড়িৎ বিভব ও বিভব পার্থক্য: অসীম থেকে একক আধান স্থানান্তর, বিভব পার্থক্যের ধারণা এবং তড়িৎ প্রবাহের সাথে পানির উচ্চতার পার্থক্যের সাদৃশ্য।
3. প্রচলিত বিদ্যুৎ প্রবাহ বনাম ইলেকট্রন প্রবাহ: ধনাত্মক আধানের প্রবাহের কাল্পনিক দিক বনাম ঋণাত্মক ইলেকট্রনের প্রকৃত চলন।
4. তড়িৎ প্রবাহের প্রকারভেদ: একমুখী প্রবাহ (DC) ও পর্যায়বৃত্ত পরিবর্তী প্রবাহ (AC); বিশ্বব্যাপী AC প্রবাহের শ্রেষ্ঠত্ব এবং বিভিন্ন দেশে এর কম্পাঙ্ক (বাংলাদেশ: ৫০ Hz, যুক্তরাষ্ট্র: ৬০ Hz)।
5. রোধ ও ও'মের সূত্র: পরিবাহীর পরমাণু-সংঘর্ষজনিত বাধা, ও'মের সূত্র ($I \propto V$ বা $I = \frac{V}{R}$), $V$-$I$ সমানুপাতিক লেখচিত্র এবং ওহমীয় পরিবাহী।
6. তড়িৎ বর্তনী ও সংযোগ পদ্ধতি: শ্রেণি সংযোগ (Series Circuit) এবং সমান্তরাল সংযোগ (Parallel Circuit); প্রবাহ বণ্টন, বিভব বণ্টন ও তুল্য রোধের আচরণ।
7. গৃহ বিদ্যুতায়ন: বাসাবাড়িতে শ্রেণি সংযোগের অকার্যকারিতা বনাম সমান্তরাল সংযোগের কার্যকারিতা ও নিরাপত্তা।
8. পরিমাপক যন্ত্রের সংযোগ কৌশল: গ্যালভানোমিটার, অ্যামিটার (শ্রেণি সংযোগ) এবং ভোল্টমিটার (সমান্তরাল সংযোগ)।
9. ফিউজ ও বৈদ্যুতিক নিরাপত্তা: টিন ও সীসার সংকর ধাতুর কম গলনাঙ্কবিশিষ্ট সরু তার, ফিউজের রেটিং (5A, 15A, 30A, 60A), অতিরিক্ত লোড ও শর্ট সার্কিট থেকে সুরক্ষার নীতি।
10. বিদ্যুতের কার্যকর ব্যবহার ও অপচয় রোধ: জাতীয় সক্ষমতা বৃদ্ধি, পরিবেশগত ভারসাম্য এবং দৈনন্দিন জীবনে বিদ্যুৎ সাশ্রয়ের প্রায়োগিক পদক্ষেপ।

অধ্যায়ের পাঠবিন্যাস তালিকা

শিখনফল

(মূল বইয়ের পৃষ্ঠা ৮৯ থেকে হুবহু উদ্ধৃত)

এই অধ্যায় শেষে আমরা—

• তড়িৎ বা বৈদ্যুতিক বিভব ও বিভব পার্থক্যের ধারণা ব্যাখ্যা করতে পারব;
• তড়িৎ প্রবাহ এবং বিভব পার্থক্যের মধ্যকার সম্পর্ক লেখচিত্রের সাহায্যে ব্যাখ্যা করতে পারব;
• দুই প্রকারের বিদ্যুৎ প্রবাহ— এসি এবং ডিসি প্রবাহের ধারণা ব্যাখ্যা করতে পারব;
• তড়িৎ বর্তনীতে রোধ, ফিউজ এবং চাবির প্রয়োজনীয়তা ব্যাখ্যা করতে পারব;
• শ্রেণি ও সমান্তরাল বর্তনীতে তড়িৎ প্রবাহ এবং বিভব পার্থক্যের ভিন্নতা প্রদর্শন করতে পারব;
• তড়িৎ প্রবাহ এবং বিভব পার্থক্য পরিমাপে অ্যামিটার ও ভোল্টমিটারের সঠিক ব্যবহার করতে পারব;
• তড়িতের কার্যকর ব্যবহার এবং অপচয় রোধে নিজে সচেতন হব এবং অন্যদের সচেতন করব।

মূল আলোচনা

প্রাথমিক ভিত্তি: পরমাণুর গঠন ও বিদ্যুৎ প্রবাহ (পৃষ্ঠা ৮৯)

আধুনিক পরমাণু মডেল অনুসারে প্রতিটি পরমাণু তিনটি মৌলিক কণা নিয়ে গঠিত: প্রোটন, নিউট্রন এবং ইলেকট্রন। পরমাণুর কেন্দ্রে অবস্থিত নিউক্লিয়াসে ধনাত্মক আধানযুক্ত প্রোটন ও আধানহীন নিউট্রন অত্যন্ত শক্তিশালী সবল নিউক্লীয় বল দ্বারা আবদ্ধ থাকে। নিউক্লিয়াসের বাইরে বিভিন্ন সুনির্দিষ্ট শক্তিস্তরে ঋণাত্মক আধানযুক্ত ইলেকট্রনসমূহ আবর্তিত হয়।

কোনো কোনো পদার্থের (বিশেষ করে তামা, রূপা, অ্যালুমিনিয়াম, লোহা ইত্যাদি ধাতুর) পরমাণুর সর্ববহিস্থ শক্তিস্তরের ইলেকট্রনগুলোর ওপর নিউক্লিয়াসের আকর্ষণ বল অত্যন্ত দুর্বল থাকে। সামান্য শক্তি পেলেই এই ইলেকট্রনগুলো নিজ নিজ পরমাণু থেকে বিচ্ছিন্ন হয়ে ধাতব জালকের ভেতরে ইতস্তত স্বাধীনভাবে চলাফেরা করতে পারে। এ জাতীয় ইলেকট্রনগুলোকে মুক্ত ইলেকট্রন (Free Electrons) বলা হয়।

সংজ্ঞা — পরিবাহী (Conductor): যে সকল পদার্থের পরমাণুর সর্ববহিস্থ স্তরের ইলেকট্রনসমূহ নিউক্লিয়াসের সাথে দুর্বলভাবে যুক্ত থাকে এবং যাদের মধ্য দিয়ে ইলেকট্রন অত্যন্ত সহজে ও বাধাহীনভাবে চলাচল করতে পারে, তাদেরকে পরিবাহী পদার্থ বলে। উদাহরণ: তামা (Cu), রূপা (Ag), অ্যালুমিনিয়াম (Al) ইত্যাদি।

সংজ্ঞা — অপরিবাহী বা অন্তরক (Insulator): যে সকল পদার্থের পরমাণুর সর্ববহিস্থ স্তরের ইলেকট্রনসমূহ নিউক্লিয়াসের সাথে দৃঢ়ভাবে আবদ্ধ থাকে এবং যাদের মধ্য দিয়ে মুক্ত ইলেকট্রন চলাচল করতে পারে না, তাদেরকে অপরিবাহী বা অন্তরক বলে। উদাহরণ: রাবার, কাচ, প্লাস্টিক, চিনামাটি, শুকনো কাঠ ইত্যাদি।

বিদ্যুৎ প্রবাহ হলো মূলত পরিবাহীর অভ্যন্তরীণ মুক্ত ইলেকট্রনসমূহের সুশৃঙ্খল ও নির্দেশিত প্রবাহ। তবে পরিবাহীর ভেতর মুক্ত ইলেকট্রন এলোমেলোভাবে ঘুরে বেড়ালেই বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয় না; তাদের একটি নির্দিষ্ট অভিমুখে প্রবাহিত করার জন্য পরিবাহীর দুই প্রান্তে একটি বল বা চাপের পার্থক্য সৃষ্টি করতে হয়, যা বৈদ্যুতিক ভাষায় বিভব পার্থক্য নামে পরিচিত।

পাঠ ১: তড়িৎ বিভব এবং তড়িৎ প্রবাহ (পৃষ্ঠা ৮৯–৯০)

১. তড়িৎ বিভব (Electric Potential)

দুটি ভিন্ন ধাতব বস্তুকে পরিবাহী তার দ্বারা সংযুক্ত করলে তাদের মধ্যে ইলেকট্রন বা আধান প্রবাহিত হবে কি না, এবং প্রবাহ কোন দিক থেকে কোন দিকে ঘটবে, তা বস্তু দুটির আধানের পরিমাণের ওপর নির্ভর করে না; বরং তা নির্ভর করে বস্তু দুটির একটি বিশেষ বৈদ্যুতিক অবস্থার ওপর। এই অবস্থাকে তড়িৎ বিভব বলে।

তাপমাত্রার পার্থক্যের কারণে যেমন তাপ এক বস্তু থেকে অন্য বস্তুতে প্রবাহিত হয়, কিংবা পানির উচ্চতার পার্থক্যের কারণে যেমন পানি উচ্চ তল থেকে নিম্ন তলে প্রবাহিত হয়, ঠিক তেমনই বিভবের পার্থক্যের কারণে পরিবাহীতে আধান প্রবাহিত হয়।

সংজ্ঞা — তড়িৎ বিভব (Electric Potential): অসীম দূরত্ব থেকে একটি একক ধনাত্মক আধান বা চার্জকে সমবেগে গতিশীল করে কোনো আধানযুক্ত বা চার্জিত বস্তুর তড়িৎ ক্ষেত্রের কোনো বিন্দুতে আনতে যে পরিমাণ কাজ সম্পন্ন করতে হয়, তাকে ঐ বিন্দুর তড়িৎ বিভব বলে।

গাণিতিকভাবে, অসীম দূরত্ব থেকে $Q$ পরিমাণ ধনাত্মক আধানকে তড়িৎ ক্ষেত্রের কোনো বিন্দুতে আনতে যদি $W$ পরিমাণ কাজ করতে হয়, তবে ঐ বিন্দুর তড়িৎ বিভব $V$ হবে: $V = \frac{W}{Q}$

তড়িৎ বিভবের আন্তর্জাতিক একক হলো ভোল্ট (Volt), যাকে $V$ প্রতীক দ্বারা প্রকাশ করা হয় ($1\text{ V} = 1\text{ J/C}$)।

২. তড়িৎ বিভব পার্থক্য (Potential Difference)

একটি পরিবাহী তারের মধ্য দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হওয়ার জন্য তার দুই প্রান্তের মধ্যে বিভবের ব্যবধান থাকা আবশ্যক।

সংজ্ঞা — তড়িৎ বিভব পার্থক্য (Potential Difference): প্রতি একক ধনাত্মক আধানকে তড়িৎ ক্ষেত্রের এক বিন্দু থেকে অন্য বিন্দুতে সমবেগে স্থানান্তর করতে সম্পন্ন কাজের পরিমাণকে ঐ বিন্দু দুইটির তড়িৎ বিভব পার্থক্য বলে।

যদি $A$ ও $B$ বিন্দুর বিভব যথাক্রমে $V_A$ ও $V_B$ হয় এবং $V_A > V_B$ হয়, তবে বিন্দুদ্বয়ের বিভব পার্থক্য: $V = V_A - V_B$

$Q$ পরিমাণ আধানকে $B$ বিন্দু থেকে $A$ বিন্দুতে আনতে কৃতকাজ $W$ হলে: $V = \frac{W}{Q} \implies W = V \times Q$

Important বিভব পার্থক্যের তাৎপর্য: দুটি ধাতব বস্তুর মধ্যে যতক্ষণ পর্যন্ত বিভব পার্থক্য বিদ্যমান থাকে, ততক্ষণ পর্যন্ত তাদের মধ্যে ইলেকট্রনের প্রবাহ বা তড়িৎ প্রবাহ চলতে থাকে। যদি পরিবাহী তারের দুই প্রান্তের বিভব একই হয়ে যায় ($V_A = V_B$), তবে বিভব পার্থক্য শূন্য ($V = 0$) হয়ে যাবে এবং সাথে সাথে তড়িৎ প্রবাহ চিরতরে বন্ধ হয়ে যাবে। কোনো তড়িৎ কোষ বা ব্যাটারির মূল কাজ হলো রাসায়নিক বিক্রিয়ার মাধ্যমে বর্তনীর দুই প্রান্তে একটি নিরবচ্ছিন্ন বিভব পার্থক্য বজায় রাখা।

৩. তড়িৎ প্রবাহ (Electric Current)

পরিবাহীর মধ্য দিয়ে আধানের সামগ্রিক স্থানান্তরই হলো তড়িৎ প্রবাহ।

সংজ্ঞা — তড়িৎ প্রবাহ (Electric Current): কোনো পরিবাহীর যেকোনো প্রস্থচ্ছেদের মধ্য দিয়ে একক সময়ে যে পরিমাণ আধান প্রবাহিত হয়, তাকে তড়িৎ প্রবাহ বলে।

যদি কোনো পরিবাহীর প্রস্থচ্ছেদের মধ্য দিয়ে $t$ সময়ে $Q$ পরিমাণ আধান প্রবাহিত হয়, তবে পরিবাহীর তড়িৎ প্রবাহ $I$ হবে: $I = \frac{Q}{t}$

• তড়িৎ প্রবাহের একক: তড়িৎ প্রবাহের আন্তর্জাতিক একক হলো অ্যাম্পিয়ার (Ampere), একে ইংরেজি বর্ণ $A$ দ্বারা প্রকাশ করা হয়।
• ১ অ্যাম্পিয়ারের সংজ্ঞা: কোনো পরিবাহীর যেকোনো প্রস্থচ্ছেদের মধ্য দিয়ে প্রতি সেকেন্ডে ($1\text{ s}$) যদি এক কুলম্ব ($1\text{ C}$) আধান প্রবাহিত হয়, তবে ঐ পরিবাহীর মধ্য দিয়ে প্রবাহিত তড়িৎ প্রবাহকে ১ অ্যাম্পিয়ার ($1\text{ A}$) বলে। $1\text{ A} = \frac{1\text{ C}}{1\text{ s}} = 1\text{ C}\cdot\text{s}^{-1}$

ছোট মানের তড়িৎ প্রবাহ পরিমাপের জন্য ব্যবহৃত অন্যান্য একক:

• মিলিঅ্যাম্পিয়ার ($\text{mA}$): $1\text{ mA} = 10^{-3}\text{ A} = \frac{1}{1000}\text{ A}$
• মাইক্রোঅ্যাম্পিয়ার ($\mu\text{A}$): $1\mu\text{A} = 10^{-6}\text{ A} = \frac{1}{1000000}\text{ A}$

৪. প্রচলিত তড়িৎ প্রবাহ বনাম ইলেকট্রন প্রবাহের দিক

তড়িৎ প্রবাহের আবিষ্কারের প্রাথমিক যুগে বিজ্ঞানীদের ধারণা ছিল যে, ধনাত্মক আধান উচ্চ বিভব থেকে নিম্ন বিভবের দিকে প্রবাহিত হয়। এই ঐতিহাসিক ধারণার ওপর ভিত্তি করে বিদ্যুৎ প্রবাহের যে দিক নির্ধারণ করা হয়েছে, তাকে প্রচলিত বিদ্যুৎ প্রবাহের দিক (Conventional Current) বলা হয়।

পরবর্তীতে আধুনিক ইলেকট্রন তত্ত্ব আবিষ্কৃত হওয়ার পর প্রমাণিত হয় যে, ধাতব পরিবাহীতে প্রকৃতপক্ষে ধনাত্মক আধান চলাচল করতে পারে না; বরং পরমাণু থেকে মুক্ত ঋণাত্মক আধানযুক্ত ইলেকট্রনসমূহ নিম্ন বিভব (বা ঋণাত্মক প্রান্ত) থেকে উচ্চ বিভবের (বা ধনাত্মক প্রান্ত) দিকে ধাবিত হয়।