సైన్స్ & టెక్నాలజీ (Science & Technology) / భౌతిక శాస్త్రం (Physics)

విద్యుత్ & అయస్కాంతత్వం (Electricity & Magnetism)

విద్యుత్ ఆవేశం, ప్రవాహం, ఓమ్ నియమం, నిరోధం, విద్యుత్ సామర్థ్యం, అయస్కాంతాలు, విద్యుదయస్కాంత ప్రేరణ, మోటార్, జనరేటర్, ట్రాన్స్‌ఫార్మర్ – సులభమైన తెలుగు నోట్స్.

6 notes 60 questions

Notes in this chapter

  1. 1విద్యుత్ ఆవేశం, ప్రవాహం & విభవాంతరం (Charge, Current and Potential Difference)Read notePractice 9
  2. 2ఓమ్ నియమం & నిరోధం (Ohm's Law and Resistance)Read notePractice 10
  3. 3విద్యుత్ సామర్థ్యం, ఉష్ణ ఫలితం & ఫ్యూజ్ (Electric Power, Heating Effect, Fuse)Read notePractice 10
  4. 4అయస్కాంతాలు & అయస్కాంత క్షేత్రం (Magnets and Magnetic Field)Read notePractice 10
  5. 5విద్యుదయస్కాంత ప్రేరణ, మోటార్ & జనరేటర్ (EM Induction, Motor, Generator)Read notePractice 12
  6. 6ఘటాలు, బ్యాటరీలు & విద్యుత్ భద్రత (Cells, Batteries and Safety)Read notePractice 9
By ExamBadi

1. విద్యుత్ ఆవేశం, ప్రవాహం & విభవాంతరం (Charge, Current and Potential Difference)

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

ముఖ్య విషయాలు

  • 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.

సులభమైన ఉదాహరణ

నీటి పైపులో నీటి ప్రవాహంలా తీగలో విద్యుత్ ప్రవహిస్తుంది. నీటి పీడనం విభవాంతరంలా, ప్రవాహం విద్యుత్ ప్రవాహంలా పనిచేస్తుంది.

2. ఓమ్ నియమం & నిరోధం (Ohm's Law and Resistance)

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

ముఖ్య విషయాలు

  • 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.

సులభమైన ఉదాహరణ

6 V బ్యాటరీకి 3 Ω నిరోధం కలిపితే ప్రవాహం I = V/R = 6/3 = 2 A.

3. విద్యుత్ సామర్థ్యం, ఉష్ణ ఫలితం & ఫ్యూజ్ (Electric Power, Heating Effect, Fuse)

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

ముఖ్య విషయాలు

  • 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.

సులభమైన ఉదాహరణ

1000 W ఇస్త్రీ పెట్టెను 2 గంటలు వాడితే 1 kW × 2 h = 2 యూనిట్లు ఖర్చవుతాయి.

4. అయస్కాంతాలు & అయస్కాంత క్షేత్రం (Magnets and Magnetic Field)

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

ముఖ్య విషయాలు

  • 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).

సులభమైన ఉదాహరణ

స్క్రాప్ యార్డులో పాత ఇనుప వస్తువులను ఎత్తడానికి భారీ విద్యుదయస్కాంత క్రేన్లు వాడతారు. కరెంటు ఆపగానే వస్తువులు వదిలేస్తాయి.

5. విద్యుదయస్కాంత ప్రేరణ, మోటార్ & జనరేటర్ (EM Induction, Motor, Generator)

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

ముఖ్య విషయాలు

  • 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)

సులభమైన ఉదాహరణ

సైకిల్ డైనమో చక్రం తిరిగినప్పుడు అయస్కాంతం కాయిల్ లోపల తిరగడం వల్ల ఏర్పడిన విద్యుత్‌తో లైట్ వెలుగుతుంది. సైకిల్ వేగం పెరిగితే లైట్ ఎక్కువ కాంతితో వెలుగుతుంది.

6. ఘటాలు, బ్యాటరీలు & విద్యుత్ భద్రత (Cells, Batteries and Safety)

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

ముఖ్య విషయాలు

  • 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.

సులభమైన ఉదాహరణ

టార్చ్‌లో రెండు 1.5 V సెల్స్ శ్రేణిలో వేస్తే మొత్తం 3 V వస్తుంది. ఒక్కో సెల్ పైభాగాన్ని తదుపరి సెల్ కింది భాగానికి తాకించడమే శ్రేణి సంధానం.