विद्युत एवं चुंबकत्व

सार्वजनिक अनुभाग पूर्वावलोकन

5.1 विद्युत परिपथ

ओम का नियम: V = IR (वोल्टेज = धारा × प्रतिरोध)।

प्रतिरोध (R) ओम (Ω) में — पदार्थ (प्रतिरोधकता ρ), लंबाई (l) और अनुप्रस्थ-काट क्षेत्रफल (A) पर निर्भर: R = ρl/A।

धातुएँ: तापमान के साथ प्रतिरोध बढ़ता है (धनात्मक तापमान गुणांक)।
अर्धचालक: तापमान के साथ प्रतिरोध घटता है।

श्रेणी और समानांतर परिपथ:

श्रेणी: समान धारा; R_total = R₁ + R₂ + R₃; वोल्टेज बँटता है।
समानांतर: समान वोल्टेज; 1/R_total = 1/R₁ + 1/R₂; धारा बँटती है।

घरेलू वायरिंग में समानांतर संयोजन होता है — ताकि प्रत्येक उपकरण को पूरा मेन वोल्टेज मिले और स्वतंत्र रूप से स्विच किया जा सके।

जूल का तापन प्रभाव: H = I²Rt (उत्पन्न ऊष्मा = धारा का वर्ग × प्रतिरोध × समय)।

अनुप्रयोग: इलेक्ट्रिक हीटर, इलेक्ट्रिक आयरन, तापदीप्त बल्ब, फ्यूज (फ्यूज तार तब पिघलता है जब I² सीमा से अधिक हो — परिपथ सुरक्षा)।

परिपथ में शक्ति: P = VI = I²R = V²/R (वाट में)।

5.2 चुंबकत्व और विद्युतचुंबकीय प्रेरण

धारावाही चालक पर चुंबकीय बल: F = BIL sinθ (B = क्षेत्र, I = धारा, L = लंबाई)। विद्युत मोटर का आधार — चुंबकीय क्षेत्र में धारा → बल → घूर्णन।

विद्युतचुंबकीय प्रेरण (फैराडे 1831): बंद लूप से गुजरने वाले चुंबकीय फ्लक्स में परिवर्तन से EMF प्रेरित होता है। परिवर्तन जितना तेज, EMF उतना अधिक।

फैराडे के नियम:

चुंबकीय फ्लक्स में परिवर्तन से EMF प्रेरित होता है।
प्रेरित EMF का परिमाण = चुंबकीय फ्लक्स के परिवर्तन की दर।

लेंज़ का नियम: प्रेरित धारा उस परिवर्तन का विरोध करती है जो उसे उत्पन्न करता है (विद्युतचुंबकीय प्रणालियों में ऊर्जा संरक्षण)।

EM प्रेरण के अनुप्रयोग:

AC जनरेटर (डायनामो): चुंबकीय क्षेत्र में घूमती कुंडली → बदलता फ्लक्स → AC वोल्टेज। विद्युत केंद्र, साइकिल डायनामो।
ट्रांसफार्मर: आपसी प्रेरण से AC वोल्टेज बदलता है। स्टेप-अप: वोल्टेज बढ़ाता है (लंबी दूरी पारेषण के लिए); स्टेप-डाउन: वोल्टेज घटाता है (घरेलू उपयोग के लिए)। V₁/V₂ = N₁/N₂ (फेरों का अनुपात)।
प्रेरण मोटर: अधिकांश औद्योगिक मोटरें — कोई ब्रश नहीं, कम रखरखाव, उच्च विश्वसनीयता।

5.3 अर्धचालक और बैंड सिद्धांत (PYQ 2016)

ऊर्जा बैंड सिद्धांत:

संयोजकता बैंड: संयोजकता इलेक्ट्रॉनों से भरा।
चालन बैंड: संयोजकता बैंड के ऊपर; यहाँ के इलेक्ट्रॉन मुक्त होते हैं।
बैंड गैप (Eg): बैंडों के बीच ऊर्जा का अंतर।

पदार्थ	बैंड गैप	चालकता
चालक (धातुएँ)	0 (बैंड ओवरलैप)	उच्च
अर्धचालक (Si, Ge)	~1 eV	मध्यम; तापमान के साथ बढ़ती है
विद्युत रोधी (काँच, रबड़)	> 3 eV	बहुत कम

अर्धचालकों का डोपिंग:

n-प्रकार: पंचसंयोजक अशुद्धि (फॉस्फोरस, आर्सेनिक) मिलाना → अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन (बहुसंख्यक वाहक: इलेक्ट्रॉन)।
p-प्रकार: त्रिसंयोजक अशुद्धि (बोरान, एल्युमीनियम) मिलाना → छिद्र निर्मित (बहुसंख्यक वाहक: छिद्र)।

p-n जंक्शन (डायोड): एकदिशीय धारा वाल्व।

अग्र अभिनति → धारा प्रवाहित होती है।
पश्च अभिनति → धारा अवरुद्ध।
अनुप्रयोग: दिष्टकारी (AC → DC), ट्रांज़िस्टर (प्रवर्धक, स्विच), LED, सौर सेल।

सौर सेल (फोटोवोल्टेइक): p-n जंक्शन में प्रकाश फोटोन अवशोषित होते हैं और इलेक्ट्रॉन निष्कासित करते हैं → धारा प्रवाहित होती है।

भारत की स्थापित सौर क्षमता = ~85 GW (फरवरी 2025)।
लक्ष्य: 2030 तक 500 GW नवीकरणीय।