విద్యుత్ & అయస్కాంతత్వం (Electricity & Magnetism)

విద్యుత్ అంటే ఆవేశాల (Charges) కదలిక. ఒక వస్తువులో ఎలక్ట్రాన్లు ఎక్కువైతే అది రుణావేశం, తక్కువైతే ధనావేశం పొందుతుంది. ఈ భావనలే విద్యుత్ శాస్త్రానికి పునాది.

• ఆవేశం (Charge): ప్రమాణం కూలూంబ్ (C). ఎలక్ట్రాన్ ఆవేశం ≈ 1.6 × 10⁻¹⁹ C (రుణం). ప్రోటాన్ ఆవేశం అంతే, ధనం. న్యూట్రాన్‌కు ఆవేశం లేదు.
• ఆకర్షణ, వికర్షణ:
  1. సజాతి ఆవేశాలు వికర్షిస్తాయి
  2. విజాతి ఆవేశాలు ఆకర్షిస్తాయి. కూలూంబ్ నియమం: F = k q₁q₂ / r².
• విద్యుత్ ప్రవాహం (Current): ఆవేశ ప్రవాహ రేటు, I = Q/t. ప్రమాణం ఆంపియర్ (A). కొలిచే పరికరం అమ్మీటర్, దీన్ని వలయంలో శ్రేణిలో కలుపుతారు.
• సంప్రదాయ దిశ: ధన టెర్మినల్ నుండి రుణ టెర్మినల్ వైపు
• ఎలక్ట్రాన్ల నిజమైన దిశ: రుణ నుండి ధన టెర్మినల్ వైపు
• విభవాంతరం (Potential difference): ప్రమాణ ఆవేశాన్ని ఒక బిందువు నుండి మరో బిందువుకు తరలించడానికి చేసే పని. V = W/Q. ప్రమాణం వోల్ట్. కొలిచే పరికరం వోల్ట్‌మీటర్, దీన్ని సమాంతరంగా కలుపుతారు.
• విద్యుత్ చలనశక్తి (EMF): ఘటం/బ్యాటరీ వలయంలో ప్రమాణ ఆవేశానికి అందించే శక్తి.
• వాహకాలు, నిరోధకాలు:
  1. వాహకాలు: లోహాలు, గ్రాఫైట్, ఆమ్లాలు/క్షారాల ద్రావణాలు
  2. నిరోధకాలు (అవాహకాలు): రబ్బరు, ప్లాస్టిక్, గాజు, చెక్క
  3. అర్థవాహకాలు (Semiconductors): సిలికాన్, జెర్మేనియం
• స్థిర విద్యుత్: గాజు కడ్డీని పట్టుతో రుద్దితే గాజు ధనావేశం పొందుతుంది. ఎబోనైట్‌ను ఉన్నితో రుద్దితే రుణావేశం పొందుతుంది.
• ఉరుములు, మెరుపులు:
  1. మేఘాల్లో ఆవేశం పేరుకుని ఏర్పడే విద్యుత్ విసర్జన. మెరుపు కడ్డీ (lightning conductor) భవనాలను రక్షిస్తుంది
  2. దీన్ని బెంజమిన్ ఫ్రాంక్లిన్ ఆవిష్కరించాడు.

తీగలో విద్యుత్ ప్రవాహాన్ని ఆ తీగ అడ్డుకునే ధర్మాన్ని నిరోధం (Resistance) అంటారు. జార్జ్ సైమన్ ఓమ్ 1827లో విభవాంతరం, ప్రవాహం, నిరోధాల సంబంధాన్ని కనుగొన్నాడు.

• ఓమ్ నియమం: ఉష్ణోగ్రత స్థిరంగా ఉంటే వాహకం గుండా ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం, దాని చివరల విభవాంతరానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది.
• V = IR
• నిరోధం (R): ప్రమాణం ఓమ్ (Ω). 1 Ω = 1 V/A.
• నిరోధం ఆధారపడే అంశాలు: R = ρ L / A
• తీగ పొడవు (L) ఎక్కువైతే నిరోధం ఎక్కువ
• మందం (A, అడ్డుకోత వైశాల్యం) ఎక్కువైతే నిరోధం తక్కువ
• పదార్థ స్వభావం (ρ – విశిష్ట నిరోధం), ఉష్ణోగ్రత
• లోహాల్లో ఉష్ణోగ్రత పెరిగితే నిరోధం పెరుగుతుంది
• విశిష్ట నిరోధం (Resistivity): ప్రమాణం ఓమ్–మీటర్.
• వెండికి అత్యల్పం (అత్యుత్తమ వాహకం), తర్వాత రాగి, బంగారం, అల్యూమినియం
• హీటర్ తీగలకు నిక్రోమ్ (Nichrome) వాడతారు, ఎందుకంటే విశిష్ట నిరోధం ఎక్కువ, ఎక్కువ ఉష్ణోగ్రత వద్ద కూడా ఆక్సీకరణం చెందదు
• బల్బ్ ఫిలమెంట్ టంగ్‌స్టన్ (అధిక ద్రవీభవన స్థానం)
• నిరోధాల సంధానం:
  1. శ్రేణి (Series): R = R₁ + R₂ + R₃; ప్రవాహం అన్నింటిలో సమానం
  2. సమాంతరం (Parallel): 1/R = 1/R₁ + 1/R₂ + ...; విభవాంతరం అన్నింటిలో సమానం; మొత్తం నిరోధం కంటే చిన్న నిరోధం కంటే తక్కువ
  3. ఇళ్లలో ఉపకరణాలను సమాంతరంగా కలుపుతారు
• అతి వాహకత (Superconductivity): చాలా తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద కొన్ని పదార్థాల నిరోధం సున్నా అవుతుంది.

విద్యుత్ ప్రవహించినప్పుడు తీగ వేడెక్కుతుంది. ఈ ఉష్ణ ఫలితం హీటర్లు, ఇస్త్రీ పెట్టె, బల్బ్ వంటివాటి పనికి ఆధారం. అలాగే ప్రమాదాల నుండి రక్షణకు ఫ్యూజ్ వాడతారు.

• విద్యుత్ సామర్థ్యం: P = VI = I²R = V²/R. ప్రమాణం వాట్ (W).
• విద్యుత్ శక్తి: E = P × t. వాణిజ్య ప్రమాణం కిలోవాట్ గంట (kWh) = 1 యూనిట్.
• జౌల్ ఉష్ణ నియమం: H = I²Rt. ప్రవాహం రెట్టింపైతే ఉష్ణం నాలుగు రెట్లు.
• ఉష్ణ ఫలిత అనువర్తనాలు: ఎలక్ట్రిక్ హీటర్, ఇస్త్రీ పెట్టె, గీజర్, టోస్టర్, విద్యుత్ బల్బ్.
• బల్బ్:
  1. ఫిలమెంట్ తెల్లగా వెలుగుతుంది
  2. టంగ్‌స్టన్ (ద్రవీభవన స్థానం చాలా ఎక్కువ). బల్బ్‌లో జడవాయువులు (ఆర్గాన్, నైట్రోజన్) నింపుతారు. థామస్ ఎడిసన్ బల్బ్ అభివృద్ధికి ప్రసిద్ధుడు.
• ఫ్యూజ్ (Fuse): తక్కువ ద్రవీభవన స్థానం కలిగిన టిన్–సీసం మిశ్రమ లోహపు తీగ. వలయంలో ప్రవాహం ఎక్కువైతే ఫ్యూజ్ కరిగి వలయం తెగి ప్రమాదాన్ని నివారిస్తుంది. దీన్ని శ్రేణిలో కలుపుతారు.
• MCB (Miniature Circuit Breaker):
  1. ఆధునిక ఇళ్లలో ఫ్యూజ్‌కు బదులు వాడతారు
  2. ఓవర్‌లోడ్ అయినప్పుడు ఆటోమేటిక్‌గా తెగుతుంది, మళ్లీ ఆన్ చేయవచ్చు.
• షార్ట్ సర్క్యూట్: ధన, రుణ తీగలు నేరుగా తాకి నిరోధం చాలా తగ్గి ప్రవాహం విపరీతంగా పెరగడం.
• ఓవర్‌లోడింగ్: ఒకే సాకెట్‌లో చాలా ఉపకరణాలు కలపడం వల్ల ప్రవాహం అధికమవడం.
• ఇంటి విద్యుత్ తీగలు: ఎరుపు (ధన/ఫేజ్ లైవ్), నలుపు (తటస్థ/న్యూట్రల్), ఆకుపచ్చ (ఎర్త్) – సంప్రదాయ రంగు కోడ్. భారత్‌లో గృహ సరఫరా 220–240 V, 50 Hz AC.
• ఎర్తింగ్: లోహపు ఉపకరణాల బాడీని భూమికి కలపడం వల్ల విద్యుత్ షాక్ నుండి రక్షణ.

అయస్కాంతం (Magnet) ఇనుము, నికెల్, కోబాల్ట్ వంటి పదార్థాలను ఆకర్షిస్తుంది. భూమి కూడా ఒక పెద్ద అయస్కాంతం లాంటిది. దిక్సూచి ఈ ధర్మంపై పనిచేస్తుంది.

• ధ్రువాలు:
  1. ప్రతి అయస్కాంతానికి ఉత్తర ధ్రువం, దక్షిణ ధ్రువం ఉంటాయి. సజాతి ధ్రువాలు వికర్షిస్తాయి, విజాతి ధ్రువాలు ఆకర్షిస్తాయి. ధ్రువాలను వేరు చేయలేం
  2. అయస్కాంతాన్ని విరగ్గొడితే ప్రతి ముక్కకూ రెండు ధ్రువాలు వస్తాయి.
• అయస్కాంత పదార్థాలు:
  1. ఫెర్రో అయస్కాంతాలు: ఇనుము, నికెల్, కోబాల్ట్ (బలంగా ఆకర్షిస్తాయి)
  2. పారా అయస్కాంతాలు: అల్యూమినియం, ప్లాటినం (బలహీనంగా ఆకర్షిస్తాయి)
  3. డయా అయస్కాంతాలు: రాగి, బంగారం, నీరు, బిస్మత్ (బలహీనంగా వికర్షిస్తాయి)
• అయస్కాంత క్షేత్రం (Magnetic field):
  1. అయస్కాంతం చుట్టూ దాని ప్రభావం ఉండే ప్రాంతం. క్షేత్ర రేఖలు ఉత్తర ధ్రువం నుండి బయటకు వచ్చి దక్షిణ ధ్రువంలోకి వెళ్తాయి
  2. అవి ఒకదానినొకటి ఖండించుకోవు. క్షేత్ర తీవ్రత ప్రమాణం టెస్లా (T).
• భూమి అయస్కాంతత్వం: భూమి భౌగోళిక ఉత్తర దిశ దగ్గర ఉన్న అయస్కాంత ధ్రువం నిజానికి అయస్కాంత దక్షిణ ధ్రువం. అందుకే దిక్సూచి ఉత్తర ధ్రువం భూమి ఉత్తరం వైపు చూపుతుంది.
• శాశ్వత, తాత్కాలిక అయస్కాంతాలు: ఉక్కుతో శాశ్వత అయస్కాంతాలు, మెత్తని ఇనుముతో తాత్కాలిక అయస్కాంతాలు (విద్యుదయస్కాంతాలు) తయారవుతాయి.
• ఓర్స్టెడ్ ప్రయోగం (1820): విద్యుత్ ప్రవహించే తీగ దగ్గర దిక్సూచి ముల్లు కదలడం గమనించి, విద్యుత్ ప్రవాహం అయస్కాంత క్షేత్రం ఏర్పరుస్తుందని హాన్స్ క్రిస్టియన్ ఓర్స్టెడ్ కనుగొన్నాడు.
• విద్యుదయస్కాంతం (Electromagnet): మెత్తని ఇనుప కడ్డీ చుట్టూ తీగ చుట్టి కరెంటు పంపితే ఏర్పడుతుంది. విద్యుత్ గంట, క్రేన్లు, MRI మిషన్లు, హార్డ్ డిస్క్‌లలో వాడతారు.
• ఫ్లెమింగ్ ఎడమచేతి నియమం: అయస్కాంత క్షేత్రంలో విద్యుత్ ప్రవహించే తీగపై బలం దిశను తెలుపుతుంది (మోటార్ సూత్రం).

అయస్కాంత క్షేత్రంలో మార్పు ద్వారా విద్యుత్ పుట్టించవచ్చని మైకేల్ ఫారడే కనుగొన్నాడు. ఈ ఆవిష్కరణతోనే విద్యుత్ ఉత్పత్తి కేంద్రాలు, ఆధునిక విద్యుత్ పరికరాలు సాధ్యమయ్యాయి.

• ఫారడే విద్యుదయస్కాంత ప్రేరణ (1831): ఒక కాయిల్ గుండా వెళ్లే అయస్కాంత అభివాహం మారినప్పుడు, ఆ కాయిల్‌లో విద్యుత్ చలనశక్తి (EMF) ప్రేరితమవుతుంది.
• లెంజ్ నియమం: ప్రేరిత విద్యుత్ దిశ, దానికి కారణమైన మార్పును వ్యతిరేకించే దిశలో ఉంటుంది (శక్తి నిత్యత్వానికి అనుగుణం).
• ఫ్లెమింగ్ కుడిచేతి నియమం: ప్రేరిత విద్యుత్ ప్రవాహ దిశను తెలుపుతుంది (జనరేటర్ సూత్రం).
• విద్యుత్ మోటార్ (Electric motor): విద్యుత్ శక్తిని యాంత్రిక శక్తిగా మారుస్తుంది. సూత్రం: అయస్కాంత క్షేత్రంలో విద్యుత్ ప్రవహించే తీగపై బలం పనిచేయడం. ఫ్యాన్లు, మిక్సీలు, వాషింగ్ మెషీన్లలో వాడతారు.
• విద్యుత్ జనరేటర్/డైనమో: యాంత్రిక శక్తిని విద్యుత్ శక్తిగా మారుస్తుంది. సూత్రం: విద్యుదయస్కాంత ప్రేరణ.
• AC జనరేటర్‌లో స్లిప్ రింగులు
• DC జనరేటర్‌లో కమ్యూటేటర్ వాడతారు
• పవన, జల, ఉష్ణ, అణు విద్యుత్ కేంద్రాలన్నింటిలో టర్బైన్లు జనరేటర్లను తిప్పుతాయి
• ప్రత్యామ్నాయ ప్రవాహం (AC), ఏకముఖ ప్రవాహం (DC):
  1. AC: దిశ ఆవర్తనంగా మారుతుంది; భారత్‌లో 50 Hz (సెకనుకు 50 చక్రాలు)
  2. DC: దిశ మారదు; బ్యాటరీలు, సోలార్ సెల్స్
  3. AC దూర ప్రసారానికి అనుకూలం (ట్రాన్స్‌ఫార్మర్లతో వోల్టేజీ మార్చవచ్చు)
• ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ (Transformer):
  1. AC వోల్టేజీని పెంచడానికి లేదా తగ్గించడానికి వాడతారు
  2. విద్యుదయస్కాంత ప్రేరణ సూత్రంపై పనిచేస్తుంది
  3. DC పై పనిచేయదు.
• స్టెప్-అప్: వోల్టేజీ పెంచుతుంది (ప్రసార కేంద్రాల వద్ద)
• స్టెప్-డౌన్: వోల్టేజీ తగ్గిస్తుంది (ఇళ్లకు సరఫరా చేసే ముందు)

రసాయన శక్తిని విద్యుత్తుగా మార్చే పరికరాలను ఘటాలు (Cells) అంటారు. రోజువారీ జీవితంలో టార్చ్ లైట్లు, మొబైల్స్, వాహనాల్లో వీటిని వాడతాం. వీటి గురించి పరీక్షల్లో ప్రశ్నలు వస్తాయి.

• ప్రాథమిక ఘటాలు (Primary cells):
  1. రీఛార్జ్ చేయలేం
  2. ఒకసారి వాడాక పారవేయాలి. ఉదా: డ్రై సెల్ (లెక్లాంచే ఘటం), టార్చ్ బ్యాటరీలు.
• ద్వితీయ ఘటాలు (Secondary cells): రీఛార్జ్ చేయవచ్చు. ఉదా: సీసం–ఆమ్ల బ్యాటరీ (వాహనాల్లో), లిథియం-అయాన్ బ్యాటరీ (మొబైల్, ల్యాప్‌టాప్, ఎలక్ట్రిక్ వాహనాలు).
• సీసం–ఆమ్ల బ్యాటరీ:
  1. సల్ఫ్యూరిక్ ఆమ్లం ఎలక్ట్రోలైట్
  2. ఒక్కో సెల్ సుమారు 2 V
  3. కారు బ్యాటరీ 12 V (6 సెల్స్).
• ఘటాల సంధానం:
  1. శ్రేణిలో కలిపితే మొత్తం వోల్టేజీ పెరుగుతుంది
  2. సమాంతరంగా కలిపితే వోల్టేజీ అదే, ఎక్కువ కాలం పనిచేస్తుంది.
• వోల్టాయిక్ ఘటం:
  1. అలెస్సాండ్రో వోల్టా కనుగొన్నాడు
  2. వోల్ట్ ప్రమాణం ఆయన పేరుతోనే.
• ఇంధన ఘటం (Fuel cell):
  1. హైడ్రోజన్ + ఆక్సిజన్ నుండి నేరుగా విద్యుత్ ఉత్పత్తి
  2. ఉప ఉత్పత్తి నీరు మాత్రమే
  3. కాలుష్యం లేదు.
• సౌర ఘటం (Solar cell):
  1. కాంతి శక్తిని విద్యుత్తుగా మారుస్తుంది
  2. సాధారణంగా సిలికాన్‌తో తయారవుతుంది.
• విద్యుత్ షాక్ భద్రత:
  1. తడి చేతులతో స్విచ్‌లు తాకకూడదు
  2. ఎర్తింగ్, MCB, ఫ్యూజ్ తప్పనిసరి
  3. రబ్బరు చెప్పులు, అవాహక చేతి తొడుగులు వాడాలి
  4. ఉరుములప్పుడు చెట్ల కింద, బహిరంగ ప్రదేశాల్లో ఉండకూడదు
• విద్యుత్ ప్రవాహం కాంతి వేగంతో కాదు: తీగలో ఎలక్ట్రాన్లు నెమ్మదిగా (డ్రిఫ్ట్ వేగం) కదులుతాయి, కానీ విద్యుత్ సంకేతం దాదాపు కాంతి వేగంతో వ్యాపిస్తుంది.