विद्युत धारा

Electric current
A simple electric circuit, where current is represented by the letter i. The relationship between the voltage (V), resistance (R), and current (I) is V=IR; this is known as Ohm's law.
सामान्य प्रतीक	I
Si   इकाई	ampere
अन्य मात्राओं से व्युत्पत्तियां	$I={V \over R},I={Q \over t}$
आयाम	${\mathsf {I}}$

विद्युत धारा, विद्युत चालकों या क्षेत्र के माध्यम से चलने वाले इलेक्ट्रॉन या आयन जैसे आवेशित कणों का एक प्रवाह है। इसे एक सतह के माध्यम से या एक नियंत्रण आयतन में विद्युत आवेश के प्रवाह की शुद्ध दर के रूप में मापा जाता है।  इन गतिमान कणों को आवेश वाहक कहा जाता है, जो चालकों पर आधारित कई प्रकार के कणों में से एक हो सकता है। एक तार के माध्यम से गतिमान इलेक्ट्रॉन ही प्रायः विद्युत परिपथों में आवेश वाहक का कार्य करते हैं। अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉन या छिद्र आवेश वाहक का कार्य करते हैं। एक विद्युत्-अपघट्य में आयन आवेश वाहक का कार्य करते हैं, जबकि प्लाज्मा (आयनित गैस) में आयन और इलेक्ट्रॉन आवेश वाहक के रूप में कार्य करते हैं।

विद्युत धारा का एसआई मात्रक एम्पियर है, जो विद्युत आवेश का एक सतह पर एक कूलॉम प्रति सेकंड की दर से प्रवाह है। एम्पियर (प्रतीक: A), एसआई पद्धति का मूल मात्रक है। विद्युत प्रवाह को अमीटर नामक उपकरण की सहायता से मापा जाता है।

विद्युत धाराएँ चुंबकीय क्षेत्र का निर्माण करती हैं, जिनका उपयोग मोटर, जनित्र, प्रेरकों और ट्रांसफार्मर में किया जाता है। साधारण चालकों में चुम्बकीय क्षेत्र जूल तापन का कारण बनता है, जो उद्दीप्त प्रकाश बल्बों में प्रकाश उत्पन्न करता है। समय-परिवर्तन धाराएँ विद्युत चुम्बकीय तरंगों का उत्सर्जन करती हैं, जिनका उपयोग दूरसंचार में सूचना प्रसारित करने के लिए किया जाता है।

प्रतीक

विद्युत् धारा का पारंपरिक प्रतीक I है, जिसकी उत्पत्ति फ्रांसीसी वाक्यांश इंटेन्सिटे डू कूरेंट (धारा तीव्रता) से हुई है। धारा तीव्रता को प्रायः केवल धारा के रूप में संदर्भित किया जाता है। प्रतीक I का उपयोग आंद्रे-मैरी एम्पियर द्वारा किया गया था, जिसके बाद एम्पियर के बल नियम (1820) को तैयार करने में विद्युत प्रवाह की इकाई को एम्पियर द्वारा निरूपित किया गया था। यह संकेतन फ्रांस से ग्रेट ब्रिटेन तक गया, जहाँ इसे मानक के रूप में निर्धारित कर दिया गया, हालांकि कम से कम एक पत्रिका ने वर्ष 1896 तक धारा के संकेत को C से I में परिवर्तित नहीं किया।

परम्परा

विद्युत परिपथ में आवेश वाहक, इलेक्ट्रॉन, पारंपरिक विद्युत प्रवाह की विपरीत दिशा में प्रवाहित होते हैं।

सर्किट आरेख में बैटरी के लिए इलेक्ट्रॉनिक प्रतीक ।

एक प्रवाहकीय सामग्री में, विद्युत प्रवाह का निर्माण करने वाले गतिमान आवेशित कणों को आवेश वाहक कहते हैं। अधिकांश विद्युत परिपथों में तार और अन्य संवाहक बनाने वाली धातुओं में परमाणुओं के धनावेशित परमाणु नाभिक एक निश्चित स्थिति में होते हैं, और ऋणावेशित इलेक्ट्रॉन आवेश वाहक होते हैं, जो धातु में भ्रमण के लिए स्वतंत्र होते हैं। आवेश वाहक, विशेष रूप से अर्धचालक जैसी अन्य सामग्रियों में धनात्मक या ऋणात्मक हो सकते हैं, जो प्रयुक्त मिश्रक (डोपेंट) पर निर्भर करता है। धनात्मक और ऋणात्मक दोनों आवेश वाहक एक ही समय में मौजूद हो सकते हैं, जैसा कि विद्युत रासायनिक सेल में विद्युत्-अपघट्य में होता है।

धनात्मक आवेशों का प्रवाह समान विद्युत धारा प्रदान करता है, और परिपथ में विपरीत दिशा में प्रवाहित ऋणात्मक आवेशों के समान ही प्रभाव डालता है। चूँकि विद्युत् धारा, धनात्मक या ऋणात्मक या दोनों आवेशों का प्रवाह हो सकता है, अतः विद्युत धारा की दिशा के लिए एक परिपाटी की आवश्यकता होती है जो आवेश वाहकों के प्रकार से मुक्त होती है। पारंपरिक धारा की दिशा को स्वेच्छा से धनात्मक आवेशों के प्रवाह की दिशा के रूप में परिभाषित किया जाता है। इसलिए इलेक्ट्रॉन (धातु के तारों और कई अन्य इलेक्ट्रॉनिक परिपथ घटकों में आवेश वाहक) जैसे ऋणावेशित वाहक, विद्युत परिपथ में पारंपरिक धारा प्रवाह की विपरीत दिशा में प्रवाहित होते हैं।

संदर्भ दिशा

विद्युत् धारा, एक तार या परिपथ तत्व में दो दिशाओं में प्रवाहित हो सकती है। धारा को निरूपित करने के लिए एक चर $I$ को परिभाषित करते समय धनात्मक धारा का निरूपण करने वाली दिशा को सामान्यतः परिपथ योजनाबद्ध आरेख पर एक तीर द्वारा निर्दिष्ट किया जाना चाहिए।  इसे धारा $I$ की संदर्भ दिशा कहा जाता हैI परिपथ विश्लेषण करते समय एक विशिष्ट परिपथ तत्व के माध्यम से धारा की वास्तविक दिशा सामान्यतः विश्लेषण के पूरा हो जाने तक अज्ञात होती है। परिणामस्वरूप, धाराओं के संदर्भ निर्देश को प्रायः स्वैच्छिक रूप से निरूपित किया जाता है। जब परिपथ हल हो जाता है, तो धारा के लिए एक नकारात्मक मान का अर्थ है कि परिपथ तत्व के माध्यम से धारा की वास्तविक दिशा चयनित संदर्भ दिशा के विपरीत है।

ओम का नियम

Main article: ओम का नियम

ओम के नियम के अनुसार, एक चालक के माध्यम से दो बिंदुओं के बीच धारा, दोनों बिंदुओं के बीच विभवान्तर के समानुपातिक होती है। समानुपातिकता स्थिरांक, प्रतिरोध को निम्न सम्बन्ध का वर्णन करने वाले सामान्य गणितीय समीकरण की सहायता से परिभाषित किया जा सकता है:

$$I={\frac {V}{R}},$$

जहाँ I, चालक के माध्यम से प्रवाहित धारा (एम्पियर में), V, चालक में मापा गया विभवान्तर (वोल्ट में) और R, चालक का विद्युत प्रतिरोध (ओम में) है। अधिक विशेष रूप से ओम का नियम कहता है कि इस संबंध में R स्थिर है, जो कि धारा से स्वतंत्र है।

प्रत्यावर्ती और दिष्ट धारा

See also: धाराओं का विग्रह

प्रत्यावर्ती धारा (एसी) प्रणालियों में, विद्युत आवेश की गति दिशा को समय-समय पर पलट देती है। एसी विद्युत शक्ति का एक ऐसा रूप है जिसकी आपूर्ति सामान्यतः व्यवसायों और आवासों को की जाती है। ज्या तरंग,एसी शक्ति परिपथ का एक सामान्य तरंगरूप है, हालांकि कुछ अनुप्रयोग त्रिभुज तरंग या वर्ग तरंग जैसी वैकल्पिक तरंगों का उपयोग करते हैं। विद्युत्-तारों पर प्रवाहित ऑडियो और रेडियो आवृत्ति भी प्रत्यावर्ती धारा के उदाहरण हैं। एसी संकेतों पर एन्कोडेड सूचना की पुनर्प्राप्ति, इन अनुप्रयोगों में एक महत्वपूर्ण लक्ष्य है।

इसके विपरीत, दिष्ट धारा (डीसी) एक ऐसी प्रणाली को संदर्भित करती है, जिसमें विद्युत आवेश का संचलन केवल एक ही दिशा में होता है, अतः कभी-कभी इसे एकदिश प्रवाह भी कहा जाता है)। दिष्ट धारा का उत्पादन बैटरी, ताप-युग्म, सौर सेल और डायनमो जैसे कम्यूटेटर-प्रकार के विद्युत् यंत्रों जैसे स्रोतों द्वारा किया जाता है। एक संशोधक के माध्यम से प्रत्यावर्ती धारा को दिष्ट धारा में भी परिवर्तित किया जा सकता है। दिष्ट धारा तार जैसे चालक में प्रवाहित हो सकती है, लेकिन इसका प्रवाह अर्धचालकों, विसंवाहकों या यहाँ तक ​​​​कि एक इलेक्ट्रॉन या आयन बीम में निर्वात के माध्यम से भी हो सकता है। दिष्ट धारा का पुराना नाम विद्युत्-उत्पादक धारा था।

घटनाएँ

विद्युत प्रवाह के प्राकृतिक अवलोकन योग्य उदाहरणों में आकाशीय बिजली, स्थैतिक विद्युत निर्वहन और ध्रुवीय ज्योति का स्रोत, सौर हवा सम्मिलित हैं।

विद्युत प्रवाह की मानव निर्मित घटनाओं में चालन इलेक्ट्रॉनों का उपर्मुखी शक्ति लाइन जैसे धातु के तारों में प्रवाह, जो एक लंबी दूरी तक विद्युत शक्ति संचरण प्रदान करता है और विद्युत और इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के भीतर छोटे तार सम्मिलित हैं। कुंडल धाराएँ, बदलते चुंबकीय क्षेत्रों के संपर्क में आने वाले चालकों में प्रवाहित विद्युत धाराएँ होती हैं। इसी प्रकार, विशेष रूप से सतह में विद्युत धाराएँ विद्युत चुम्बकीय तरंगों के संपर्क में आने वाले चालकों से घटित होती हैं। रेडियो एंटीना के भीतर विद्युत धाराओं के सही विभव पर प्रवाहित होने पर रेडियो तरंगें उत्पन्न होती हैं।

इलेक्ट्रानिक्स में, विद्युत प्रवाह के अन्य रूपों में प्रतिरोधों के माध्यम से या निर्वात-नली में निर्वात के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह, बैटरी के अंदर आयनों का प्रवाह और धातुओं एवं अर्धचालकों के भीतर छिद्रों का प्रवाह सम्मिलित होता है।

तंत्रिका-कोशिका और तंत्रिकाओं में आयनों का प्रवाह, धारा का एक जैविक उदाहरण है, जो विचारों और संवेदी धारणाओं के लिए उत्तरदायी होता है।

मापन

विद्युत् धारा को अमीटर का उपयोग करके मापा जा सकता है।

विद्युत धारा को सीधे धारामापी से भी मापा जा सकता है, लेकिन इस विधि में विद्युत परिपथ का विच्छेदन करना पड़ता है, जो कभी-कभी असुविधाजनक होता है।

धारा से सम्बद्ध चुंबकीय क्षेत्र का पता लगाकर परिपथ को विच्छेदित किये बिना भी धारा को मापा जा सकता है। परिपथ स्तर पर उपकरण धारा-मापन के लिए विभिन्न धारा संवेदन तकनीकों का उपयोग करते हैं:

• पार्श्वपथ (शंट) प्रतिरोधक
• हॉल प्रभाव धारा संवेदक ट्रांसड्यूसर,
• ट्रांसफॉर्मर (हालांकि डीसी को नहीं मापा जा सकता)
• चुम्बकरोधी क्षेत्र संवेदक
• रोगोवस्की कुंडल
• धारा क्लैंप

प्रतिरोधक ताप

Main article: जूल तापन

जूल तापन, विद्युत् अपव्यय की एक प्रक्रिया है; इसे ओमीय तापन और प्रतिरोधक तापन के रूप में भी जाना जाता है जिसके द्वारा विद्युत प्रवाह के एक चालक के माध्यम से पारित होने से चालक की आंतरिक ऊर्जा,  ऊष्मागतिकी कार्य को ऊष्मा में परिवर्तित करते हुए बढ़ जाती है। इस घटना का अध्ययन सर्वप्रथम जेम्स प्रेस्कॉट जूल द्वारा वर्ष 1841 में किया गया था। जूल ने तार की एक लंबाई को जल के एक निश्चित द्रव्यमान में डुबाया और एक ज्ञात धारा के कारण हुई ताप वृद्धि को एक तार के माध्यम से 30 मिनट की अवधि के तक मापा। तार की लंबाई और धारा में परिवर्तन करके उन्होंने यह निष्कर्ष निकाला कि इससे उत्पन्न ऊष्मा, तार के विद्युत प्रतिरोध और धारा के वर्ग के गुणनफल के समानुपाती होती है।

$$P\propto I^{2}R.$$

इस संबंध को जूल के नियम के रूप में जाना जाता है।  बाद में ऊर्जा की एसआई इकाई को जूल नाम दिया गया और इसके निरूपण के लिए प्रतीक J को निर्धारित किया गया। सामर्थ्य की सामान्य रूप से ज्ञात एसआई इकाई, वाट (प्रतीक: W), एक जूल प्रति सेकंड के बराबर होती है।

विद्युत चुंबकत्व

विद्युत चुम्बक

Main article: विद्युत चुम्बक

परिनालिका में विद्युत धारा द्वारा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है।

विद्युत चुम्बक में तारों की एक कुण्डली चुम्बक की भाँति व्यवहार करती है जब उसमें से विद्युत धारा प्रवाहित होती है। धारा-प्रवाह को रोक देने पर कुंडली तत्काल अपना चुंबकत्व खो देती है। विद्युत धारा एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है। चुंबकीय क्षेत्र को तार के चारों ओर वृत्ताकार क्षेत्र रेखाओं के एक प्रतिरूप के रूप में देखा जा सकता है जो धारा के प्रवाहित होने तक स्थापित रहता है।

विद्युत-चुम्बकीय प्रेरण

Main article: विद्युत्-चुम्बकीय प्रेरण

Alternating electric current flows through the solenoid, producing a changing magnetic field. यह क्षेत्र विद्युत चुम्बकीय प्रेरण द्वारा वायर लूप में विद्युत प्रवाह का कारण बनता है।

चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग विद्युत धाराओं के निर्माण के लिए भी किया जा सकता है। जब एक बदलते चुंबकीय क्षेत्र को चालक पर प्रयुक्त किया जाता है, तो एक विद्युतवाहक बल (ईएमएफ) प्रेरित होता है,  जो एक पथ के उपयुक्त होने पर विद्युत प्रवाह प्रारंभ करता है।

रेडियो तरंगें

Main article: रेडियो तरंगें

Further information: रेडियो-आवृत्ति धारा

एक उपयुक्त आकार के चालक (एंटीना) में रेडियो आवृत्ति पर विद्युत प्रवाहित होने पर रेडियो तरंगें उत्पन्न हो सकती हैं। ये प्रकाश की गति से चलती हैं और दूरस्थ चालकों में विद्युत धाराएँ उत्पन्न कर सकती हैं।

विभिन्न मीडिया में चालन तंत्र

Main articles: Electrical conductivity and Charge transport mechanisms

धात्विक ठोसों में, विद्युत आवेश निम्न से उच्च विद्युत क्षमता की ओर इलेक्ट्रॉनों के माध्यम से प्रवाहित होता है। अन्य मीडिया में, आवेशित वस्तुओं की कोई भी धारा (आयन, उदाहरण के लिए) एक विद्युत प्रवाह का निर्माण कर सकती है। चार्ज वाहक के प्रकार से स्वतंत्र धारा की परिभाषा प्रदान करने के लिए, पारंपरिक धारा को सकारात्मक चार्ज प्रवाह के समान दिशा में आगे बढ़ने के रूप में परिभाषित किया गया है। इसलिए, धातुओं में जहां आवेश वाहक (इलेक्ट्रॉन) ऋणात्मक होते हैं, पारंपरिक धारा समग्र इलेक्ट्रॉन गति के विपरीत दिशा में होती है। कंडक्टरों में जहां चार्ज वाहक सकारात्मक होते हैं, पारंपरिक धारा उसी दिशा में होती है जैसे चार्ज वाहक।

निर्वात में, आयनों या इलेक्ट्रॉनों का एक पुंज बन सकता है। अन्य प्रवाहकीय सामग्रियों में, विद्युत प्रवाह एक ही समय में धनात्मक और ऋणात्मक रूप से आवेशित दोनों कणों के प्रवाह के कारण होता है। अभी भी अन्य में, करंट पूरी तरह से प्रोटॉन कंडक्टर के कारण होता है। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रोलाइट्स में विद्युत धाराएं सकारात्मक और नकारात्मक रूप से चार्ज किए गए आयनों के प्रवाह हैं। एक सामान्य लेड-एसिड विद्युत रसायन सेल में, विद्युत धाराएं एक दिशा में बहने वाले सकारात्मक हाइड्रोनियम आयनों और दूसरी दिशा में बहने वाले नकारात्मक सल्फेट आयनों से बनी होती हैं। विद्युत स्पार्क या प्लाज्मा भौतिकी में विद्युत धाराएं इलेक्ट्रॉनों के साथ-साथ सकारात्मक और नकारात्मक आयनों का प्रवाह हैं। बर्फ में और कुछ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स में, विद्युत प्रवाह पूरी तरह से बहने वाले आयनों से बना होता है।

धातु

एक धातु में, प्रत्येक परमाणु में कुछ बाहरी इलेक्ट्रॉन अलग-अलग अणुओं से बंधे नहीं होते हैं क्योंकि वे आणविक ठोस में होते हैं, या पूर्ण बैंड में होते हैं क्योंकि वे इन्सुलेट सामग्री में होते हैं, लेकिन धातु # परिभाषा के भीतर जाने के लिए स्वतंत्र होते हैं। ये चालन इलेक्ट्रॉन करंट ले जाने वाले चार्ज कैरियर के रूप में काम कर सकते हैं। धातुएं विशेष रूप से प्रवाहकीय होती हैं क्योंकि इनमें से कई मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं। कोई बाहरी विद्युत क्षेत्र लागू नहीं होने से, ये इलेक्ट्रॉन तापीय ऊर्जा के कारण बेतरतीब ढंग से घूमते हैं, लेकिन औसतन, धातु के भीतर शून्य शुद्ध धारा होती है। कमरे के तापमान पर, इन यादृच्छिक गतियों की औसत गति 10 . है⁶ मीटर प्रति सेकंड। एक सतह को देखते हुए जिसके माध्यम से एक धातु का तार गुजरता है, इलेक्ट्रॉन दोनों दिशाओं में सतह पर समान दर से चलते हैं। जैसा कि जॉर्ज गामो ने अपनी लोकप्रिय विज्ञान पुस्तक, वन, टू, थ्री...इन्फिनिटी (1947) में लिखा है, धात्विक पदार्थ अन्य सभी सामग्रियों से इस तथ्य से भिन्न होते हैं कि उनके परमाणुओं के बाहरी कोश शिथिल रूप से बंधे होते हैं, और अक्सर एक उनके इलेक्ट्रॉन मुक्त हो जाते हैं। इस प्रकार एक धातु का आंतरिक भाग बड़ी संख्या में अनासक्त इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है जो विस्थापित व्यक्तियों की भीड़ की तरह लक्ष्यहीन रूप से यात्रा करते हैं। जब एक धातु के तार को उसके विपरीत सिरों पर विद्युत बल लगाया जाता है, तो ये मुक्त इलेक्ट्रॉन बल की दिशा में भागते हैं, इस प्रकार जिसे हम विद्युत प्रवाह कहते हैं, का निर्माण करते हैं।

जब एक धातु के तार को एक डायरेक्ट करंट वोल्टेज स्रोत जैसे बैटरी (बिजली) के दो टर्मिनलों से जोड़ा जाता है, तो स्रोत कंडक्टर के पार एक विद्युत क्षेत्र रखता है। जिस क्षण संपर्क किया जाता है, कंडक्टर के मुक्त इलेक्ट्रॉनों को इस क्षेत्र के प्रभाव में सकारात्मक (विद्युत ध्रुवीयता) टर्मिनल की ओर जाने के लिए मजबूर किया जाता है। इसलिए मुक्त इलेक्ट्रॉन एक विशिष्ट ठोस चालक में आवेश वाहक होते हैं।

एक सतह के माध्यम से चार्ज के एक स्थिर प्रवाह के लिए, धारा I (एम्पीयर में) की गणना निम्नलिखित समीकरण के साथ की जा सकती है:

$$I={Q \over t}\,,$$

जहाँ Q एक समय t में सतह के माध्यम से स्थानांतरित विद्युत आवेश है। यदि Q और t को क्रमशः कूलम्ब और सेकंड में मापा जाता है, तो I एम्पीयर में होता है।

अधिक सामान्यतः, विद्युत धारा को उस दर के रूप में दर्शाया जा सकता है जिस पर किसी दी गई सतह से आवेश प्रवाहित होता है:

$$I={\frac {\mathrm {d} Q}{\mathrm {d} t}}\,.$$

इलेक्ट्रोलाइट्स

Main article: Conductivity (electrolytic)

एक स्थिर विद्युत क्षेत्र में एक प्रोटॉन कंडक्टर।

इलेक्ट्रोलाइट्स में विद्युत धाराएं विद्युत आवेशित कणों (आयनों) का प्रवाह होती हैं। उदाहरण के लिए, यदि सोडियम के विलयन के आर-पार एक विद्युत क्षेत्र रखा जाता है⁺ और क्लोरीन ^- (और स्थितियां सही हैं) सोडियम आयन ऋणात्मक इलेक्ट्रोड (कैथोड) की ओर बढ़ते हैं, जबकि क्लोराइड आयन धनात्मक इलेक्ट्रोड (एनोड) की ओर बढ़ते हैं। दोनों इलेक्ट्रोड सतहों पर प्रतिक्रियाएं होती हैं, प्रत्येक आयन को बेअसर करती हैं।

पानी-बर्फ और कुछ ठोस इलेक्ट्रोलाइट्स जिन्हें प्रोटॉन कंडक्टर कहा जाता है, में सकारात्मक हाइड्रोजन आयन (प्रोटॉन) होते हैं जो मोबाइल होते हैं। इन सामग्रियों में, विद्युत धाराएं चलती प्रोटॉन से बनी होती हैं, जो धातुओं में गतिमान इलेक्ट्रॉनों के विपरीत होती हैं।

कुछ इलेक्ट्रोलाइट मिश्रणों में, चमकीले रंग के आयन गतिमान विद्युत आवेश होते हैं। रंग की धीमी प्रगति धारा को दृश्यमान बनाती है।

गैस ों और प्लाज्मा

ब्रेकडाउन क्षेत्र के नीचे हवा और अन्य सामान्य गैसों में, विद्युत चालन का प्रमुख स्रोत रेडियोधर्मी गैसों, पराबैंगनी प्रकाश या ब्रह्मांडीय किरणों द्वारा उत्पादित अपेक्षाकृत कुछ मोबाइल आयनों के माध्यम से होता है। चूंकि विद्युत चालकता कम है, गैसें डाइलेक्ट्रिक्स या विद्युत इन्सुलेशन हैं। हालांकि, एक बार जब लागू विद्युत क्षेत्र ढांकता हुआ टूटने के मूल्य तक पहुंच जाता है, तो मुक्त इलेक्ट्रॉनों को विद्युत क्षेत्र द्वारा पर्याप्त रूप से त्वरित किया जाता है ताकि हिमस्खलन टूटने की प्रक्रिया में टकराकर, और आयनीकरण, तटस्थ गैस परमाणुओं या अणु ओं को अतिरिक्त मुक्त इलेक्ट्रॉनों का निर्माण किया जा सके। टूटने की प्रक्रिया एक प्लाज्मा (भौतिकी) बनाती है जिसमें इसे विद्युत चालक बनाने के लिए पर्याप्त मोबाइल इलेक्ट्रॉन और सकारात्मक आयन होते हैं। इस प्रक्रिया में, यह एक प्रकाश उत्सर्जक प्रवाहकीय पथ बनाता है, जैसे स्थिरविद्युत निर्वाह , इलेक्ट्रिक आर्क या लाइटनिंग।

प्लाज़्मा (भौतिकी) पदार्थ की वह अवस्था है जहाँ गैस के कुछ इलेक्ट्रॉनों को उनके अणुओं या परमाणुओं से अलग या आयनित किया जाता है। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, एक प्लाज्मा उच्च तापमान, या एक उच्च विद्युत या वैकल्पिक चुंबकीय क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा बनाया जा सकता है। अपने कम द्रव्यमान के कारण, एक प्लाज्मा में इलेक्ट्रॉन भारी धनात्मक आयनों की तुलना में विद्युत क्षेत्र की प्रतिक्रिया में अधिक तेज़ी से गति करते हैं, और इसलिए धारा के थोक को ले जाते हैं। मुक्त आयन नए रासायनिक यौगिक बनाने के लिए पुनर्संयोजन करते हैं (उदाहरण के लिए, वायुमंडलीय ऑक्सीजन को एकल ऑक्सीजन में तोड़ना [O .]₂ → 2O], जो फिर ओजोन बनाने के लिए पुनर्संयोजन करता है [O₃]).

वैक्यूम

चूंकि एक खाली स्थान में कोई आवेशित कण नहीं होता है, यह सामान्य रूप से एक आदर्श इन्सुलेटर के रूप में व्यवहार करता है। हालांकि, धातु इलेक्ट्रोड सतह क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन या थर्मोनिक उत्सर्जन के माध्यम से मुक्त इलेक्ट्रॉनों या आयनों को इंजेक्ट करके निर्वात के क्षेत्र को प्रवाहकीय बनने का कारण बन सकती है। ऊष्मीय उत्सर्जन तब होता है जब तापीय ऊर्जा धातु के कार्य कार्य से अधिक हो जाती है, जबकि क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन तब होता है जब धातु की सतह पर विद्युत क्षेत्र क्वांटम टनलिंग का कारण बनने के लिए पर्याप्त होता है, जिसके परिणामस्वरूप धातु से मुक्त इलेक्ट्रॉनों को निर्वात में निकाल दिया जाता है। . बाहरी रूप से गर्म इलेक्ट्रोड का उपयोग अक्सर एक इलेक्ट्रॉन बादल उत्पन्न करने के लिए किया जाता है जैसे कि विद्युत फिलामेंट या अप्रत्यक्ष रूप से वैक्यूम ट्यूब के गर्म कैथोड में। जब छोटे तापदीप्त क्रिट्रोन (कैथोड स्पॉट या एनोड स्पॉट कहा जाता है) बनते हैं, तो ठंडा कैथोड स्वचालित रूप से थर्मिओनिक उत्सर्जन के माध्यम से इलेक्ट्रॉन बादलों का उत्पादन कर सकता है। ये इलेक्ट्रोड सतह के गरमागरम क्षेत्र हैं जो स्थानीयकृत उच्च धारा द्वारा बनाए जाते हैं। इन क्षेत्रों को क्षेत्र इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन द्वारा शुरू किया जा सकता है, लेकिन एक बार वैक्यूम चाप बनने के बाद स्थानीयकृत थर्मोनिक उत्सर्जन द्वारा बनाए रखा जाता है। ये छोटे इलेक्ट्रॉन उत्सर्जक क्षेत्र उच्च विद्युत क्षेत्र के अधीन धातु की सतह पर काफी तेजी से, यहां तक ​​कि विस्फोटक रूप से भी बना सकते हैं। वैक्यूम ट्यूब और क्रिट्रॉन वैक्यूम चालकता पर आधारित कुछ इलेक्ट्रॉनिक स्विचिंग और एम्पलीफाइंग डिवाइस हैं।

अतिचालकता

Main article: Superconductivity

अतिचालकता बिल्कुल शून्य विद्युत प्रतिरोध और चालकता और कुछ सामग्रियों में होने वाले चुंबकीय क्षेत्रों के निष्कासन की एक घटना है जब क्रायोजेनिक्स एक विशेषता महत्वपूर्ण बिंदु (ऊष्मप्रवैगिकी) के नीचे होता है। इसकी खोज 8 अप्रैल, 1911 को प्रमुख में हेइक कामेरलिंग ओन्नेस ने की थी। लौह चुम्बकत्व और परमाणु वर्णक्रमीय रेखा ओं की तरह, अतिचालकता एक क्वांटम यांत्रिकी घटना है। यह मेइस्नर प्रभाव की विशेषता है, सुपरकंडक्टर के आंतरिक भाग से चुंबकीय क्षेत्र की पूर्ण अस्वीकृति के रूप में यह सुपरकंडक्टिंग राज्य में संक्रमण करता है। मीस्नर प्रभाव की घटना इंगित करती है कि अतिचालकता को केवल शास्त्रीय भौतिकी में पूर्ण चालक के आदर्शीकरण के रूप में नहीं समझा जा सकता है।

अर्धचालक

Main article: Semiconductor

एक अर्धचालक में कभी-कभी सकारात्मक इलेक्ट्रॉन छिद्र के प्रवाह के कारण धारा के बारे में सोचना उपयोगी होता है (मोबाइल धनात्मक आवेश वाहक जो ऐसे स्थान होते हैं जहां अर्धचालक क्रिस्टल में एक वैलेंस इलेक्ट्रॉन गायब होता है)। पी-टाइप सेमीकंडक्टर में यही स्थिति है। एक अर्धचालक में विद्युत चालकता और एक इन्सुलेटर (विद्युत) के बीच परिमाण में विद्युत चालकता मध्यवर्ती होती है। इसका मतलब है कि चालकता मोटे तौर पर 10 . की सीमा में है^-2 से 10 . तक⁴ सीमेंस (इकाई) प्रति सेंटीमीटर (S⋅cm .)^-1)।

क्लासिक क्रिस्टलीय अर्धचालकों में, इलेक्ट्रॉनों में केवल कुछ बैंड (यानी ऊर्जा के स्तर की सीमा) के भीतर ही ऊर्जा हो सकती है। ऊर्जावान रूप से, ये बैंड जमीनी अवस्था की ऊर्जा के बीच स्थित होते हैं, वह अवस्था जिसमें इलेक्ट्रॉन पदार्थ के परमाणु नाभिक से कसकर बंधे होते हैं, और मुक्त इलेक्ट्रॉन ऊर्जा, बाद में एक इलेक्ट्रॉन के लिए पूरी तरह से बचने के लिए आवश्यक ऊर्जा का वर्णन करता है। सामग्री। ऊर्जा बैंड प्रत्येक इलेक्ट्रॉनों के कई असतत क्वांटम राज्यों के अनुरूप होते हैं, और कम ऊर्जा वाले अधिकांश राज्यों (नाभिक के करीब) पर कब्जा कर लिया जाता है, एक विशेष बैंड तक जिसे संयोजी बंध कहा जाता है। सेमीकंडक्टर्स और इंसुलेटर धातुओं से अलग होते हैं क्योंकि किसी भी धातु में वैलेंस बैंड सामान्य परिचालन स्थितियों के तहत लगभग इलेक्ट्रॉनों से भरा होता है, जबकि उनमें से बहुत कम (सेमीकंडक्टर) या वस्तुतः कोई भी (इन्सुलेटर) कंडक्शन बैंड में उपलब्ध नहीं होता है, बैंड तुरंत ऊपर वैलेंस बैंड।

संयोजकता बैंड से चालन बैंड तक अर्धचालक में रोमांचक इलेक्ट्रॉनों की आसानी बैंड के बीच ऊर्जा अंतराल पर निर्भर करती है। इस ऊर्जा बैंड अंतराल का आकार अर्धचालकों और विद्युत इन्सुलेशन के बीच एक मनमानी विभाजन रेखा (लगभग 4 इलेक्ट्रॉनवोल्ट ) के रूप में कार्य करता है।

सहसंयोजक बंधों के साथ, एक इलेक्ट्रॉन एक पड़ोसी बंधन में कूदकर चलता है। पाउली अपवर्जन सिद्धांत की आवश्यकता है कि इलेक्ट्रॉन को उस बंधन की उच्च विरोधी बंधन अवस्था में उठा लिया जाए। स्थानीयकृत राज्यों के लिए, उदाहरण के लिए एक आयाम में – वह एक नैनोवायर में है, प्रत्येक ऊर्जा के लिए एक अवस्था होती है जिसमें एक दिशा में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है और दूसरी अवस्था में इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह होता है। एक शुद्ध धारा के प्रवाह के लिए, एक दिशा के लिए दूसरी दिशा की तुलना में अधिक राज्यों पर कब्जा किया जाना चाहिए। ऐसा होने के लिए, ऊर्जा की आवश्यकता होती है, क्योंकि अर्धचालक में अगले उच्च राज्य बैंड गैप से ऊपर होते हैं। अक्सर इसे इस प्रकार कहा जाता है: पूर्ण बैंड विद्युत चालकता में योगदान नहीं करते हैं। हालांकि, जैसे ही अर्धचालक का तापमान पूर्ण शून्य से ऊपर उठता है, अर्धचालक में जाली कंपन पर और कंडक्शन बैंड में रोमांचक इलेक्ट्रॉनों पर खर्च करने के लिए अधिक ऊर्जा होती है। चालन बैंड में धारा-वाहक इलेक्ट्रॉनों को मुक्त इलेक्ट्रॉनों के रूप में जाना जाता है, हालांकि उन्हें अक्सर इलेक्ट्रॉन कहा जाता है यदि यह संदर्भ में स्पष्ट है।

धारा घनत्व और ओम का नियम

Main article: धारा घनत्व

धारा घनत्व, वह दर है जिस पर आवेश एक चुने हुए इकाई क्षेत्र से होकर गुजरता है।  इसे एक सदिश के रूप में परिभाषित किया गया है जिसका परिमाण प्रति इकाई अनुप्रस्थ-काट के क्षेत्रफल में प्रवाहित धारा है।  जैसा कि संदर्भ दिशा में चर्चा की गई है, कि इसकी दिशा स्वैच्छिक होती है। परंपरागत रूप से, यदि गतिमान आवेश धनात्मक होते हैं, तो धारा घनत्व का चिह्न आवेशों के वेग के चिह्न के समान ही होता है। ऋणात्मक आवेशों के लिए, धारा घनत्व का चिन्ह आवेशों के वेग के विपरीत होता है।  एसआई इकाइयों में धारा घनत्व (प्रतीक: j) को एम्पियर प्रति वर्ग मीटर की एसआई मूल इकाइयों में व्यक्त किया जाता है।

धारा घनत्व, धातु जैसे रैखिक पदार्थों में कम आवृत्तियों के तहत चालक की सतह पर एक समान होता है। ऐसी स्थितियों में, ओम का नियम कहता है कि प्रवाहित धारा, उस धातु (आदर्श) प्रतिरोधक (या अन्य ओमीय उपकरण) के दोनों सिरों (पार) के बीच विभवान्तर के समानुपाती होती है:

$$I={V \over R}\,,$$

जहां $I$ धारा है, जिसे एम्पियर में मापा जाता है; $V$ विभवान्तर है, जिसे वोल्ट में मापा जाता है; और $R$ प्रतिरोध है, जिसे ओम में मापा जाता है। विशेष रूप से उच्च आवृत्तियों पर प्रत्यावर्ती धाराओं के लिए, त्वचा के प्रभाव के कारण धारा सतह के पास उच्च घनत्व के साथ चालक के अनुप्रस्थ-काट में असमान रूप से फैलती है, इस प्रकार स्पष्ट प्रतिरोध में वृद्धि होती है।

प्रवाह गति

एक चालक के भीतर चल रहे आवेशित कण गैस के कणों (अधिक सटीक रूप से, एक फर्मी गैस) की भाँति लगातार यादृच्छिक दिशाओं में चलते हैं। आवेश का शुद्ध प्रवाह बनाने के लिए, कणों को भी एक औसत प्रवाह दर के साथ चलना चाहिए। अधिकांश धातुओं में इलेक्ट्रॉन, आवेश वाहक होते हैं, जो एक अनिश्चित पथ का अनुसरण करते हैं, और एक परमाणु से दूसरे परमाणु तक छलांग लगाते हैं, परन्तु सामान्यतः विद्युत क्षेत्र की विपरीत दिशा में प्रवाहित हैं। इनकी प्रवाह गति की गणना निम्न समीकरण से की जा सकती है:

$$I=nAvQ\,,$$

जहाँ,

• $I$ विद्युत धारा है
• $n$ प्रति इकाई आयतन में आवेशित कणों की संख्या या आवेश वाहक घनत्व है
• $A$ चालक के अनुप्रस्थ-काट का क्षेत्रफल है
• $v$ प्रवाह वेग है, और
• $Q$ प्रत्येक कण पर आवेश है।

सामान्यतः, ठोस पदार्थों में विद्युत आवेश धीरे-धीरे प्रवाहित होते हैं। उदाहरण के लिए, 0.5 मिमी अनुप्रस्थ-काट वाले तांबे के तार में, 5 एम्पियर की धारा प्रवाहित करने पर, इलेक्ट्रॉनों का प्रवाह वेग एक मिलीमीटर प्रति सेकंड के क्रम का होता है। एक अन्य उदाहरण लेने के लिए, कैथोड किरण नली के अंदर के समीप-निर्वात में इलेक्ट्रॉन, प्रकाश की गति के दसवें हिस्से के समान गति से लगभग-सीधी रेखाओं में चलते हैं।

कोई भी त्वरित विद्युत आवेश, और इस प्रकार कोई भी परिवर्तित विद्युत प्रवाह, एक विद्युत चुंबकत्व को उत्पन्न करता है, जो चालक की सतह के बाहर अति तीव्र गति से फैलता है। यह गति सामान्यतः प्रकाश की गति का एक महत्वपूर्ण अंश है, जैसा कि मैक्सवेल के समीकरणों से प्राप्त किया जा सकता है, और इसलिए यह इलेक्ट्रॉनों के प्रवाह वेग से कई गुना तीव्र होती है। उदाहरण के लिए, एसी विद्युत लाइनों में विद्युत चुम्बकीय ऊर्जा की तरंगें तारों के मध्य स्थान के माध्यम से फैलती हैं, और एक स्रोत से दूरस्थ विद्युत लोड तक चलती हैं, भले ही तारों में इलेक्ट्रॉन केवल थोड़ी दूरी पर ही आगे-पीछे होते हैं।

मुक्त स्थान में विद्युत चुम्बकीय तरंग की गति और प्रकाश की गति के अनुपात को वेग कारक कहा जाता है, जो चालक के विद्युत चुम्बकीय गुणों और उसके आसपास की विसंवाहन सामग्री एवं उनकी आकृति और आकार पर निर्भर करता है।

इन तीन वेगों के परिमाणों (प्रकृति नहीं) को गैसों से जुड़े तीन समान वेगों के साथ अनुरूपता द्वारा चित्रित किया जा सकता है। (हाइड्रोलिक अनुरूपता भी देखें।)

• आवेश वाहकों का निम्न अपवाह वेग वायु गति (हवा) के अनुरूप होता है।
• विद्युत चुम्बकीय तरंगों की उच्च गति साधारण तौर पर गैस में ध्वनि की गति के समान होती है (ध्वनि तरंगें वायु के माध्यम से बड़े पैमाने पर गति जैसे संवहन की तुलना में बहुत तेजी से चलती हैं)
• आवेशों की यादृच्छिक गति (बेतरतीब ढंग से कंपन करने वाले गैस कणों का तापीय वेग) ऊष्मा के अनुरूप होती है।

यह भी देखें

• वर्तमान घनत्व
• विद्युत का झटका
• विद्युत माप
• इलेक्ट्रिकल इंजीनियरिंग का इतिहास
• मात्राओं की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली
• एसआई विद्युत चुंबकत्व इकाइयाँ
• एकल चरण विद्युत शक्ति
• स्थैतिक बिजली
• तीन चरण विद्युत शक्ति
• दो चरण विद्युत शक्ति

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