Physics chapter 11: Current Electricity

চল বিদ্যুৎ

(Current Electricity)

ইলেকট্রিসিটি বা চলবিদ্যুৎ ছাড়া আজকাল এক মুহূর্তও আমাদের জীবন ঠিকভাবে চলতে পারে না। আমাদের চারপাশের সব ধরনের যন্ত্রপাতি বা সাজসরঞ্জাম চালানোর জন্য আমাদের ইলেকট্রিসিটির দরকার হয়। আগের অধ্যায়ে আমরা যে স্থির বিদ্যুতের কথা বলেছি,সেই স্থির বিদ্যুৎ বা চার্জগুলো যখন কোনো পরিবাহকের ভেতর দিয়ে প্রবাহিত হয় আমরা সেটাকেই চলবিদ্যুৎ বা ইলেকট্রিসিটি বলি। এই অধ্যায়ে এই চলবিদ্যুৎকে ব্যাখ্যা করার জন্য প্রয়োজনীয় রাশিগুলো বর্ণনা করব এবং যে নিয়মে চলবিদ্যুৎ প্রবাহিত হয় সেগুলো জেনে নেব। এই নিয়মগুলো ব্যবহার করে কীভাবে একটা সার্কিটে বিদ্যুৎপ্রবাহ বা বিভব পরিমাপ করা যায়, সেটিও এই অধ্যায়ে আলোচনা করা হবে।

Printed page 299

এ অধ্যায় শেষে আমরা –

• স্থির তড়িৎ হতে চল তড়িৎ সৃষ্টি প্রদর্শন করতে পারব।
• তড়িৎ প্রবাহের দিক এবং ইলেকট্রন প্রবাহের দিক ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িৎ যন্ত্র ও উপকরণের প্রতীক ব্যবহার করে বর্তনী অঙ্কন করতে পারব।
• পরিবাহী, অপরিবাহী ও অর্ধপরিবাহী ব্যাখ্যা করতে পারব।
• লেখচিত্রের সাহায্যে তড়িৎ প্রবাহ ও বিভব পার্থক্য—এই দুইয়ের মধ্যে সম্পর্ক স্থাপন করতে পারব।
• স্থির রোধ এবং পরিবর্তনশীল রোধ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িচ্চালক শক্তি এবং বিভব পার্থক্য ব্যাখ্যা করতে পারব।
• রোধের নির্ভরশীলতা ব্যাখ্যা করতে পারব।
• আপেক্ষিক রোধ ও পরিবাহকত্ব ব্যাখ্যা করতে পারব।
• শ্রেণি ও সমান্তরাল রোধের সংযোগ ব্যবহার করতে পারব।
• বর্তনীতে তুল্য রোধ ব্যবহার করতে পারব।
• তড়িৎ ক্ষমতার হিসাব করতে পারব।
• তড়িতের সিস্টেম লস এবং লোডশেডিং ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িতের নিরাপদ ও কার্যকর ব্যবহার বর্ণনা করতে পারব।
• বাসাবাড়িতে ব্যবহার উপযোগী বর্তনীর নকশা প্রণয়ন করে এর বিভিন্ন অংশে এসি উৎস এর ব্যবহার প্রদর্শন করতে পারব।
• তড়িতের নিরাপদ ও কার্যকর ব্যবহারের বিষয়ে সচেতনতা সৃষ্টি করতে পারব।
• তড়িৎ শক্তির অপচয় রোধ ও সংরক্ষণে সচেতনতা সৃষ্টির জন্য পোস্টার অঙ্কন করতে পারব।

Printed page 300

১১.১ বিদ্যুৎপ্রবাহ (Electric Current)

আমরা আগের অধ্যায়ে দেখেছি যে যদি দুটো ভিন্ন বস্তুর পটেনশিয়াল বা বিভবের মাঝে পার্থক্য থাকে তাহলে যেটার বেশি বিভব সেখান থেকে যেটার বিভব কম সেখানে চার্জ বা আধার্ন প্রবাহিত হয়। যতক্ষণ পর্যন্ত বিভব দুটো সমান না হচ্ছে চার্জের প্রবাহ হতেই থাকে। চার্জের এই প্রবাহ হচ্ছে তড়িৎ বা বিদ্যুতের প্রবাহ, আমরা যেটাকে সাধারণভাবে 'ইলেকট্রিসিটি' বলি, যেটা দিয়ে লাইট জ্বলে, ফ্যান ঘোরে, মোবাইল টেলিফোন চার্জ দেওয়া হয়।

Figure: চিত্র ১১.০১ : চার্জ সংযুক্ত গোলক থেকে চার্জহীন গোলকে বিদ্যুৎ প্রবাহ।

লেবেল: A, B, A, B বর্ণনা: দুটি জোড়া গোলক, প্রতিটি জোড়ায় A ও B নামে দুটি গোলক ধাতব স্ট্যান্ডের ওপর বসানো। বাম দিকের জোড়ায় A গোলকে অনেক ধনাত্মক (+) চিহ্ন এবং A থেকে B-এর দিকে একটি তীর আছে, B গোলকে কোনো চিহ্ন নেই; দুটি গোলক একটি তার দিয়ে যুক্ত। ডান দিকের জোড়ায় A ও B উভয় গোলকে কিছু ধনাত্মক (+) চিহ্ন আছে এবং তারা একটি তার দিয়ে যুক্ত।

১১.১.১ তড়িৎ চালক শক্তি এবং বিভব পার্থক্য

একটা বিষয় নিশ্চয়ই বুঝতে পারছ, পটেনশিয়াল বা বিভব এর পার্থক্য থাকলেই শুধু বিদ্যুৎপ্রবাহ হয়, তাই আমরা যদি বিদ্যুৎপ্রবাহ অবিচ্ছিন্ন রাখতে চাই, তাহলে বিভবের পার্থক্যটাও বজায় রাখতে হবে, সেটাকে কমে সমান হয়ে যেতে দেওয়া যাবে না। যদি দুটো ধাতব গোলকের একটির মাঝে ধনাত্মক চার্জ দিয়ে সেখানে একটি বিভব তৈরি করে চার্জবিহীন অন্য গোলকটির সাথে একটা তার দিয়ে জুড়ে দিই (চিত্র ১১.০১), তাহলে বিদ্যুতের প্রবাহ শুরু হবার সাথে সাথে পটেনশিয়াল বা বিভব এর পার্থক্য কমতে থাকবে এবং মুহূর্তের মাঝে দুটি বিপরীত বিভব সমান হয়ে যাবে। একটি সমান্তরাল-পাত ধারক বা ক্যাপাসিটরের দুটো সমান্তরাল ধাতব পাতের উপর আধান বা চার্জ জমা রেখে বিভবের পার্থক্য তৈরি করা সম্ভব। ধারকের সেই দুটো পাত একটা তার দিয়ে জুড়ে দিলেও মুহূর্তের মাঝে পুরো চার্জ প্রবাহিত হয়ে তাদের বিভব সমান হয়ে যায়। কাজেই বুঝতেই পারছ আমরা যদি ব্যবহার করার মতো সার্বক্ষণিক বিদ্যুৎ চাই তাহলে অন্য কোনো পদ্ধতি দরকার যেটা এমন একটা পটেনশিয়াল বা বিভব পার্থক্য তৈরি করে দেবে যেন চার্জ প্রবাহিত হলেও তার পার্থক্য কমে না যায়।

Printed page 301

তোমরা সবাই সে রকম পদ্ধতি দেখেছ, এগুলো হচ্ছে ব্যাটারি এবং জেনারেটর। ব্যাটারির ভেতর রাসায়নিক বিক্রিয়া করে বিভবের পার্থক্য তৈরি করা হয়। সেখান থেকে চার্জ প্রবাহ করা হলে রাসায়নিক দ্রব্যগুলো খরচ হতে থাকে। যখন রাসায়নিক দ্রব্যগুলো শেষ হয়ে যায়, তখন ব্যাটারি সেল আর বিদ্যুৎ প্রবাহ করতে পারে না। আমরা সাধারণ যে ব্যাটারিগুলো দেখি, সেগুলোর দুই প্রান্তের যা Pole এর মধ্যে $1.5\ \text{V}$ বিভব পার্থক্য তেরী করে।

তোমাদের স্কুলে কিংবা বাসায় যে ইলেকট্রিসিটি সাপ্লাই আছে, সেখানে তোমরা সবাই দেখেছ সেটি ব্যবহার করার জন্য সব সময় দুটো পয়েন্ট থাকে। তার একটাতে থাকে কম পটেনশিয়াল বা বিভব অন্যটাতে বেশি। এই পার্থক্যটা বজায় রাখে জেনারেটর, যেটি ক্রমাগত পটেনশিয়াল পার্থক্য তৈরি করতে থাকে। একটা ব্যাটারি বা একটা জেনারেটরে ক্রমাগত বিদ্যুৎপ্রবাহের জন্য ক্রমাগত চার্জকে কম পটেনশিয়াল বা বিভব থেকে বেশি পটেনশিয়াল বা বিভবের স্থানে হাজির করে রাখতে হয় এবং এর জন্য শক্তির প্রয়োজন হয়। যদি কোনো ব্যাটারিতে $Q$ চার্জকে কম পটেনশিয়াল বা বিভবের প্রান্ত থেকে বেশি পটেনশিয়াল বা বিভবের প্রান্ত আনতে $W$ পরিমাণ কাজ করতে হয়, তাহলে এই ব্যাটারির দুই প্রান্তের বিভব পার্থক্যকে তড়িৎ চালক শক্তি বা ইএমএফ বলে:

$EMF = \dfrac{W}{Q}$

ব্যাটারি বা জেনারেটর, যেগুলো বিদ্যুৎ শক্তি সরবরাহ করে তার তড়িৎ চালক শক্তি বা ইএমএফ থাকে। যখন কোনো ব্যাটারি বা জেনারেটরকে কোনো সার্কিটে লাগানো হয়, তখন এই তড়িৎ চালক শক্তিই চার্জকে পুরো সার্কিটের ভেতর দিয়ে ঘুরিয়ে আনে। একটা ব্যাটারি যে পরিমাণ বিভব তৈরি করে সেটাই হচ্ছে তার তড়িৎ চালক শক্তি (Electromotive Force) বা ইএমএফ। ইংরেজিতে এটাকে বলা হচ্ছে ফোর্স বা 'বল' বাংলায় বলছি 'শক্তি'। কিন্তু প্রকৃত পক্ষে 'ইএমএফ' বা 'তড়িৎ চালক শক্তি' বলও নয় আবার শক্তিও নয়। তোমাদের আগে বলা হয়েছে পদার্থবিজ্ঞানে 'বল' 'শক্তি' এই বিষয়গুলো খুবই সুনির্দিষ্ট, ইচ্ছেমতো একটা শব্দের জায়গায় অন্য শব্দ ব্যবহার করা যাবে না। কিন্তু দুর্ভাগ্যক্রমে এখানে সেটি করা হয়ে গেছে। তোমাদের বিভ্রান্ত হওয়ার কোনো কারণ নেই কারণ যেহেতু একটা ব্যাটারি সেল বা জেনারেটর এর দুই প্রান্তে যে পরিমাণ বিভব পার্থক্য তৈরি করে সেটাই হচ্ছে তার ইএমএফ।

Figure: চিত্র ১১.০২ : একটি ব্যাটারি সেল দিয়ে পজিটিভ বা নেগেটিভ ভোল্টেজ দুটোই তৈরি করা সম্ভব।

লেবেল: +1.5 V, -1.5 V, (a), (b) বর্ণনা: দুটি পাশাপাশি ব্যাটারি সেলের চিত্র। (a) চিত্রে সেলটির উপরের প্রান্তে +1.5 V লেখা এবং একটি বৃত্ত দিয়ে চিহ্নিত টার্মিনাল আছে, নিচে ভূমি-সংকেত আছে। (b) চিত্রে সেলটির উপরের প্রান্তে -1.5 V লেখা এবং একটি বৃত্ত দিয়ে চিহ্নিত টার্মিনাল আছে, নিচে ভূমি-সংকেত আছে।

Printed page 302

আমরা আগেই বলেছি বিভবের মানটি গুরুত্বপূর্ণ নয়, তার পার্থক্যটুকু গুরুত্বপূর্ণ। তাই দেখবে অনেক সময় একটা ব্যাটারির এক মাথার পটেনশিয়ালের মান ভিন্ন করে ফেলা সম্ভব, কিন্তু পার্থক্যটা সব সময়ই সমান থাকবে।

উদাহরণ

প্রশ্ন: একটা ব্যাটারির দুই প্রান্তের বিভবের পার্থক্য $1.5\ \text{V}$ কিন্তু আসলে দুই প্রান্তের প্রকৃত বিভব কত? নেগেটিভটা শুন্য এবং পজিটিভটা $1.5\ \text{V}$ নাকি নেগেটিভটা $-1.5\ \text{V}$ এবং পজিটিভটা শূন্য?

উত্তর: দুটোই সত্য হতে পারে। যদি $11.02a$ চিত্রের মতো হয় তাহলে নেগেটিভটা শূন্য এবং পজিটিভটা $1.5\ \text{V}$। যদি $11.02b$ চিত্রের মতো হয় তাহলে পজিটিভটা শূন্য এবং নেগেটিভটা $-1.5\ \text{V}$।

Figure: চিত্র ১১.০৩ : দুটি ব্যাটারি সেল দিয়ে বিভিন্ন পজিটিভ বা নেগেটিভ ভোল্টেজ তৈরি করা।

লেবেল: $1.5\ \text{V}$, $3\ \text{V}$, $+1.5\ \text{V}$, $-3\ \text{V}$, $-1.5\ \text{V}$ বর্ণনা: চারটি আলাদা সার্কিট দেখানো হয়েছে, প্রতিটিতে ব্যাটারি সেল সাজানো এবং উপরের টার্মিনালে ভোল্টেজ লেখা। প্রথমটিতে দুটি সেল সমান্তরালে, দ্বিতীয়টিতে তিনটি সেল শ্রেণিতে, তৃতীয়টিতে সেলগুলোর একটি অংশ উল্টো করে সাজানো, এবং চতুর্থটিতে সেল শ্রেণিতে সাজানো; নিচের টার্মিনালে শূন্য বা $-1.5\ \text{V}$ লেখা।

প্রশ্ন: দুটি $1.5\ \text{V}$ ভোল্টের ব্যাটারি দিয়ে $1.5\ \text{V}$, $3.0\ \text{V}$, $\pm 1.5\ \text{V}$, $-3.0\ \text{V}$ তৈরি করো।

উত্তর: ১১.০৩ চিত্রটিতে করে দেখানো হয়েছে।

ধারক বা Capacitor-কে কি ব্যাটারি হিসেবে ব্যবহার করা সম্ভব?

১১.১.২ পরিবাহী, অপরিবাহী এবং অর্ধপরিবাহী পদার্থ

পরিবাহী পদার্থ: আমরা যদি পদার্থের গঠনটা ভালো করে বুঝে থাকি, তাহলে একটা বিষয় খুব ভালো করে জেনেছি। কঠিন পদার্থে তার অণু-পরমাণু শক্ত করে নিজের জায়গায় বসে থাকে। তাপমাত্রা বাড়লে তারা নিজের জায়গায় কাঁপাকাঁপি করতে পারে কিন্তু সেখান থেকে সরে অন্য জায়গায় চলে যায় না। তোমাদের রসায়ন বইয়ে তোমরা যখন ধাতব বন্ধন পড়েছ সেখানে দেখেছ, ধাতব পরমাণুর কিছু ইলেকট্রন প্রায় মুক্ত অবস্থায় থাকে এবং সেগুলো এক জায়গা থেকে অন্য জায়গায় যেতে পারে। সেজন্য আমরা সেগুলোকে বলি পরিবাহী পদার্থ। সোনা, রুপা, তামা, অ্যালুমিনিয়াম এগুলো সুপরিবাহী

Printed page 303

পদার্থ। পরিবাহী পদার্থ দিয়ে চার্জকে স্থানান্তর করা যায়, তবে সব সময় মনে রাখতে হবে এই স্থানান্তর হয় ইলেকট্রন দিয়ে, বিদ্যুতের প্রবাহ হয় ইলেকট্রন দিয়ে, নেগেটিভ চার্জের ইলেকট্রন।

অপরিবাহী পদার্থ: যে পদার্থের ভেতর তড়িৎ বা বিদ্যুৎ পরিবহনের জন্য কোনো মুক্ত ইলেকট্রন নেই সেই পদার্থগুলো হচ্ছে বিদ্যুৎ অপরিবাহী বা অন্তরক পদার্থ। প্লাস্টিক, রাবার, কাঠ, কাচ এগুলো হচ্ছে অপরিবাহী পদার্থের উদাহরণ। মূলত অধাতুগুলো বিদ্যুৎ অপরিবাহী হয়।

অর্ধপরিবাহী পদার্থ: কিছু কিছু পদার্থের বিদ্যুৎ পরিবহন ক্ষমতা সাধারণ তাপমাত্রায় পরিবাহী এবং অপরিবাহী পদার্থের মাঝামাঝি, তবে তাপমাত্রা বাড়ালে পরিবহন ক্ষমতা বেড়ে যায়। এই ধরনের পদার্থকে অর্ধপরিবাহী বা সেমিকন্ডাক্টর বলে। সিলিকন বা জার্মেনিয়াম সেমিকন্ডাক্টরের উদাহরণ। এই বইয়ের শেষ অধ্যায়ে সেমিকন্ডাক্টর নিয়ে সংক্ষিপ্ত আলোচনা করা হয়েছে।