विजेची गोष्ट ११: विजेवरचे मुख्य कार्यकर्ते – अडवणारे(Resistor) , धारण करणारे(Capacitor) आणि विजेतील बदलाचे परिवर्तन चुंबकीय शक्तीमध्ये करणारे (Inductor)    

विक्रमाच्या राज्यातील मोठ्या नदीवर काही लहान लहान धरणे, बंधारे, कॅनॉल बांधून ते पाणी वाटेवरील गावोगावी पोहोचवण्यासाठी कसे वळवता येईल याची एक प्रतिकृती दरबारातील कुशल कारागिरांनी विक्रमासाठी बनवली होती. आजच्या दरबारात विक्रमाच्या कृषिमंत्र्यांनी आणि जलसंधारण मंत्र्यांनी या आराखड्याची माहिती या प्रतिकृतीच्या आधारे विक्रमाला आणि पूर्ण दरबाराला सादर केली. मोठ्या नदीच्या पात्राकडून पाणी एकीकडे वाळवताना कसे त्याच्या मध्ये बांध-भिंती घालायच्या, धरणाच्या मध्ये पाणी साठवण्यासाठी कशी रचना करायची, पाणी योग्य दिशेतच जाईल यासाठी प्रवाहाचे नियंत्रण कसे करायचे या सर्वच गोष्टींचा काथ्याकूट आणि गाढा अभ्यास मंत्र्यांनी चांगलाच केलेला दिसत होता. धरणांची भिंत किती उंच असावी इथपासून ते एका धरणातले पाणी पिण्यासाठी कमी पडू लागले तर शेजारच्या धरणातले अतिरिक्त पाणी तिकडे कसे वळवता येईल इथपर्यंत साऱ्याच गोष्टींचा तपशील मंत्रिमहोदयांनी सादर केला आणि सभेच्या प्रश्नांना समर्पक उत्तरे दिली. हे सर्व करताना चढ – उतारांचा आणि पर्यायाने गुरुत्वाकर्षणाचा परिणामकारक वापर करून पाणी कसे वाहून नेता येईल आणि गळती कमीतकमी कशी होईल याचाही सखोल विचार केलेला होता. या कामगिरी वर बेहद्द खुश होऊन राज दरबारात मंत्र्यांचा यथोचित सत्कार करून राजाने त्यांच्या तंत्र कुशलतेची दखलही घेतली. एकंदरीतच पाण्याचा शेतीसाठी, पिण्यासाठी करायचा असेल आणि नासाडी टाळायची असेल तर प्रवाह नियंत्रित करणे, ठिकठिकाणी थोडा अडवणे आणि त्या त्या ठिकाणाहून पुन्हा वाहवणे हे सर्व घटक किती महत्वाचे आहेत हे राजाला चांगलेच लक्षात आले होते आणि त्या विचारांच्या प्रवाहातच राजाची पावले वेताळाच्या भेटण्याच्या जागेकडे झपाझप पडत होती.

अर्थातच विक्रमाच्या विचारांच्या प्रवाहात वेताळाने सूर मारलाच आणि पाठीवर बसत तो विक्रमाला म्हणाला,” विक्रमा, प्रजाजनांच्या, मंत्र्यांच्या बुद्धी चातुर्याची, तंत्र कुशलतेची योग्य दखल कोणी घ्यावी तर तूच, बुद्धिमत्तेचा-कार्यक्षमतेचा  यथायोग्य सन्मान कोणी ठेवावा तर तुझ्यासारख्यानेच. बाकी जग तर दुसर्याने केलेल्या कामाचेही स्वतः लाच श्रेय मिळावे यासाठीच धडपड करताना दिसते, विज्ञानातही दुसऱ्यांनी केलेली संशोधने स्वतः च्या नावावर व्हावीत म्हणून अश्या बुद्धिवंतांना पगारी नोकर म्हणून ठेवणारे आणि त्यांची पेटंट्स स्वतःच्या नावावर करणारे वैज्ञानिकही कमी नाहीत. तर ते असो. पण मला सांग विक्रमा, जसे नदीचे पाणी वाहून शेताला देण्यासाठी असे काही ठिकाणी अडवता, नाले बांधता, शेततळी बांधता, धरणे बांधता आणि मग थोडे थोडे पण पुरेल इतके पाणी शेतांना आणि माणसांना पिण्यासाठी देण्याची व्यवस्था करता तशी वीज कशी वाटता? म्हणजे माझा मुख्य प्रश्न असा आहे की तुमची जी इलेक्ट्रॉनिक उपकरणे आहेत त्यांच्यात वीज वाहून नेल्यावर असे काही वीज तात्पुरती साठवणे, विजेचा प्रवाह कमी करून घेणे असे काही तुम्हाला करावे लागते का? तुमच्या या उपकरणांमध्ये जी सर्किट्स आहेत त्यांच्यात असे काम करणारे काही कार्यकर्ते असतात का? तुमच्या भाषेत असे या सर्किट्स मध्ये या कामासाठी काही घटक किंवा कंपोनंट्स असतात का?”

“वा वा वेताळा, प्रश्न विचारावा तर तूच विचारावा आणि हो, तू म्हणतोस तशा पद्धतीच्या कामांसाठी सर्व इलेक्ट्रॉनिक उपकरणांमध्ये काही विजेवर चालणारे कार्यकर्ते किंवा passive electronic components असतात. ते मुख्य कार्यकर्ते म्हणजे विजेच्या प्रवाहाला विरोध करून तो नियंत्रित करणारे अर्थात विदुयत रोधक किंवा Resistors. दुसरे म्हणजे त्या विद्युत मंडलामध्ये किंवा सर्किटमध्ये  विजेचा प्रवाह चालू आहे तो पर्यंत तो साठवून ठेवणारे किंवा धरून ठेवणारे संधारक किंवा Capacitors. तिसरे म्हणजे विद्युतदाब(voltage) कायम आहे तो पर्यंत एखाद्या वाहकासारखेच (conductor) वागणारे पण त्यात काही बदल घडताच प्रतिकार करणारे आणि त्या प्रतिकारासाठी फॅरेडेच्या नियमानुसार स्वतःच विद्युत दाब निर्माण करणारे विद्युत परिवर्तक किंवा Inductors. हे त्रिकुट इलेकट्रोनिक सर्किट तयार करताना फार मोलाचे योगदान देते. त्यांच्या योग्य निवडीतून त्या विद्युत मंडलासाठी  किंवा सर्किट साठी मिळणारी वीज कमी जास्त करता येते, काही काळासाठी साठवता येते आणि विद्युतदाबात बदल करून, फॅरेडेच्या नियमानुसार इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझमचा वापर करून, काही विशिष्ट कामे करून घ्यायची असतील तर तीही करून घेता येतात. “

“विक्रमा, हे फारच मोघम किंवा अगम्य वाटतंय रे. जरा माणसांना समजणाऱ्या भाषेत सांग आपलं माझ्यासारख्या वेताळालाही समजेल अश्या भाषेत सांग. हो आणि या तीन कार्यकर्त्यांविषयी अधिक विस्ताराने सांग मला. मग या तिघांचा वापर करून तयार केलेल्या एखाद्या साध्या, सोप्या विजेच्या सर्किट ची माहिती दे उदाहरण म्हणून.. “

“हो नक्की. तर या तिघांमधल्या सर्वात कळायला आणि समजायला सोप्या अशा विद्युत रोधकांची अर्थातच Resistors ची माहिती सर्वात आधी घेऊया. हे विद्युतरोधक म्हणजे विजेच्या कणांना म्हणजेच इलेक्ट्रॉन्स ना काही प्रमाणात जाऊ देणारे आणि काही प्रमाणात अटकाव करणारे असे असतात. म्हणजे बॅटरीने इलेकट्रॉन्स ची गंगा सोडल्यावर त्या गंगेतल्या काही पाण्याला अडवणारे आणि राहिलेले पाणी पुढे सोडणारे घटक. एखाद्या इलेक्ट्रिक सर्किट मध्ये किती प्रमाणात विजेची धारा हवी आहे त्यावर किती वीज अडवायची आणि किती पुढे सोडून द्यायची हे ठरतं. प्रत्येक इलेक्ट्रॉनिक वस्तूसाठी किती वीज आवश्यक आहे हे आधी ठरलेलं असतं आणि त्या नुसारच किती वीज अडवायची हे ठरतं. या विद्युत रोधांमुळे कोणत्याही उपकरणाचे जास्तीच्या विजेपासून आणि त्यामुळे होणाऱ्या नुकसानापासून संरक्षण होते. तसं पाहायला गेलं तर कोणताच पदार्थ हा पूर्ण पणे एकूणेक सर्वच इलेक्ट्रॉन्स ना अडवून ठेवतो असंही नाही. म्हणजे शुद्ध वीजरोधक (pure insulator)असं काही नसतं. त्याचप्रमाणे कोणताच पदार्थ हा पूर्णपणे सर्वच इलेकट्रॉन्स ना पुढे पाठवून देतो असंही नसतं. म्हणजे शुद्ध वीजवाहक (pure conductor) असंही काही नसतं. जगातले सर्वच नैसर्गिक रित्या मिळणारे पदार्थ हे या दोन्ही टोकांमध्ये कुठेतरी असतात. आपल्याला किती वीज हवी आहे. किती इलेकट्रोन्स वाहत ठेवले म्हणजे आपले काम होणार आहे यावर कुठला वीजरोधक बसवायचा हे ठरतं. असो. “

(source: wikimedia commons)

“वा वा विक्रमा,थोडक्यात माहिती दिलीस ते बरं केलंस पण हा विद्युतरोध मोजण्याचे एकक किंवा युनिट कोणते आणि त्याचा तुमच्या त्या विद्युतदाबाशी आणि त्या विजेच्या धारेशी संबंध काय?”

“हो, हा विद्युतरोध ओहम(Ohm) या एककामध्ये मोजतात. एखाद्या सर्किट मधील विजेचा दाब (Voltage or V ) आणि तिथे वाहणारी विद्युत धारा (Current  or I ) यांचे जे प्रमाण त्यालाच त्या सर्किट मध्ये होणारा विद्युतरोध (Resistance or R ) असं म्हणू शकतो.

R = V / I . “

“बर बर, ठीक आहे. आता अजून गणितात घुसू नकोस. आता त्या विजेला धरून ठेवणाऱ्या कार्यकर्त्या विषयी म्हणजे कॅपॅसिटर विषयी सांग पाहू.”

“हो. सोप्या शब्दात सांगायचे झाल्यास कॅपॅसिटर म्हणजे विद्युत मंडलामध्ये विद्युत धारा वाहत असताना त्यात बांध-बंधारे घालून ती तात्पुरती साठवून ठेवणारे कार्यकर्ते. बॅटरीतून जशी वीज वाहू लागते तसे ते जागे होतात आणि वीज साठवायला सुरुवात करतात. बॅटरीतून वीज वाहणे बंद झाले की संधारक आपले साठलेले इलेक्ट्रॉन्स मोकळे करून काही काळ वीज प्रवाह सुरु ठेवतात आणि मग पूर्ण रिकामे होतात. झोपून जातात. अर्थात पाण्यात बांध घालण्यापेक्षा कपॅसिटर च्या साहाय्याने विजेच्या धारेत बांध घालण्याची पद्धत वेगळी असते. यासाठी विद्युतवाहक पदार्थांच्या दोन  विटा जवळजवळ ठेवून त्यांच्यामध्ये एक दुर्वाहकाचे (किंवा पोकळी आणि आजकाल die-electric पदार्थांचे) सिमेंट भरले जाते. त्यामुळे होते काय की एका विटेजवळ वाहून येणारे इलेकट्रॉन्स साठून राहायला सुरुवात होते आणि साहजिकच दुसऱ्या विटेजवळचे कमी होऊन धनभार साठून राहायला सुरुवात होते. बॅटरीचे जेवढे वोल्टेज आहे किंवा विद्युत्पातळी आहे तेवढी गाठेपर्यंत हा इलेकट्रॉन्स चा प्रवाह सुरु राहतो. बॅटरी एवढी पातळी कपॅसिटर च्या दोन विटांच्या दरम्यान तयार झाली की कपॅसिटर चार्ज झाला असे आपण म्हणतो. ”

(source: wikimedia commons)

“पण विक्रमा, या कपॅसिटर च्या विटांमध्ये प्रवाह वाहतो का? कपॅसिटरच्या आतच वाहतो का ? मग त्यांच्यात ही हवा किंवा पोकळी किंवा काय ते सिमेंट कशाला पाहिजे die -electric पदार्थांचं?”

“वा..मस्त प्रश्न.. हे लक्षात ठेव की कपॅसिटर म्हणजे बॅटरी नाही. कपॅसिटर च्या एका विटेमध्ये जास्त वीजवाहक क्षमता असते म्हणजे जास्त सुट्टे इलेकट्रॉन्स असतात. दुसऱ्या विटेमध्ये तुलनेने कमी सुट्टे इलेकट्रॉन्स असतात. त्यामुळे वीज वाहू लागली की दोन विटांमध्ये कमी अधिक सुट्टे इलेक्ट्रोन्स असल्याने आपोआपच त्यांच्या विद्युत पातळी मध्ये फरक पडतो. पण जर या दोन विटा एकमेकाला चिकटल्या तर त्यांच्यात थेटच वीज वाहील, राहिलेल्या सर्किट मध्ये ती जाणे अपेक्षित आहे. म्हणून त्या दोन विटांमध्ये वीज वाहून न नेणारे सिमेंट घालतात. त्यामुळे कपॅसिटर च्या दोन विटांमध्ये वीज वाहत नाही.”

“म्हणजे विक्रमा, कपॅसिटरच्या दोन प्लेट वेगेवेगळ्या मटेरियल च्या बनलेल्या असतात? ”

“नाही नाही..सहसा एकाच वाहक (Conductor)  मटेरियल च्या बनलेल्या असतात फक्त एक आकाराने मोठी असते आणि दुसरी लहान असते. आकाराने मोठ्या प्लेट मध्ये जास्त इलेक्ट्रॉन असतात आणि लहान प्लेट मध्ये कमी इलेक्ट्रॉन असतात. त्यामुळे या दोन विटांच्या दरम्यानच्या विजेच्या पातळीतील फरकामुळे विद्युत आकर्षण तयार होते. या दोन विटांच्या दरम्यान वीज वाहू नये म्हणूनच त्यांच्या मध्ये पूर्वी दुर्वाहकांचे (Insulators) चे सिमेंट भरले जाई, कधी त्यांच्या दरम्यान पोकळ जागा ठेवली जाई. या मुळे मग कपॅसिटर च्या वरच्या  टोकातून इलेकट्रॉन्स हे सर्किट मध्ये जातात आणि पूर्ण प्रवास करून कपॅसिटरच्या खालच्या  टोकाकडे त्यांचा प्रवास संपतो. आजकाल वापरल्या जाणाऱ्या die-electric पदार्थांमुळे कपॅसिटर च्या खालच्या टोकाकडे या पदार्थातले इलेक्ट्रॉन जातात आणि विजेची पातळी अजून घटवतात. कपॅसिटरच्या वरच्या टोकाकडचे इलेक्ट्रॉन या मटेरियलच्या धनप्रभाराकडे जातात आणि तिथली विजेची पातळी अजून वाढवतात. शिवाय या पदार्थांमध्ये वीज वाहत नाही त्यामुळे कपॅसिटर ची दोन्ही टोके एकमेकांपासून अलिप्त ठेवली जातात. त्यांच्यात वीज वाहणार नाही याची काळजी घेतली जाते. ”

“पण मग विक्रमा, एखादा कपॅसिटर किती वीज धरून ठेवेल हे कशावरून ठरते?”

“वेताळा, एखाद्या कपॅसिटरची धारण क्षमता ही त्या विजेच्या सर्किट मध्ये वाहणारी विद्युतधारा (Current as I), त्या कपॅसिटर च्या प्लेट मध्ये असणारे अंतर (Distance as d) आणि त्या मध्ये भरलेल्या मटेरियल च्या वाहक क्षमतेवर(Permittivity as  ε ) अवलंबून असते. वाहक क्षमता जास्त तेवढी धारण क्षमता जास्त. वाहणारी विद्युतधारा जास्त तेवढी  धारण क्षमता जास्त. दोन विटांमधील अंतर जेवढे कमी तेवढी  धारण क्षमता जास्त. कपॅसिटर च्या प्लेटमधलं किंवा विटांमधलं अंतर जेवढं जास्त तेवढी धारण  क्षमता कमी. गणिती स्वरूपात सांगायचं झालं तर धारण क्षमता(C)= वाहक क्षमता(ε)x विद्युतधारा(I)/  अंतर(d) म्हणजेच

कपॅसिटरच्या संधारण क्षमतेचे मोजमाप फॅराड(Farad) मध्ये होते.”

“बर बर ठीक ठीक, वीज संधारण खात्याची भरपूर माहिती दिलीस पण आता पुढं चला. हा तो तुमचा परिवर्तक का Inductor काय करतो ते सांग आता मला. नुसतं वेटोळे घालून पडलेला नाग असावा एखादा! एखादा अजगरच जणू तुमच्या वीज मंडळात पडलाय असं वाटतं. काय काम असतं रे असल्या नागमोडी स्वभावाच्या लोकांचं तुमच्या वीजमंडळात?”

“हो हो सांगतो. परिवर्तक किंवा Inductor यांना वेटोळे असतात ते खरंच आहे. विजेच्या मंडळात किंवा सर्किट मध्ये वीज वाहत असताना त्यांच्या मधूनसुद्धा ती विजेची धार वाहते. एखाद्या सरळ साध्या विजेच्या वायर सारखेच ते वागतात. पण काही कारणाने जर त्यांच्यात वाहणारी वीज कमी जास्त झाली तर ही परिवर्तक मंडळी किंवा Inductors फणाच काढतात. ”

“विक्रमा, फणा बिणा काय बोलतोयस? नीट सांग रे.. ”

“परिवर्तकांचं वागणं तसंच असतं. हे लोखंड, स्टील यांसारख्या इलेकट्रोमॅग्नेटिक किंवा विजेमुळे मोठ्या प्रमाणात चुंबकत्व संचारणाऱ्या मटेरियल चे बनलेले असतात. त्यांच्या तारेचे जेवढे वेटोळे जास्त तेवढं संचारणारं चुंबकत्व अधिक ताकदीचं असतं. जेव्हा एखाद्या बॅटरीकडून विजेच्या सर्किट मध्ये वीज पुरवली जात असते तेव्हा यांच्या वेटोळ्यांमधून ती जात असते. अचानक बॅटरी बंद पडली तर यांच्या अंगात मॅग्नेटिझमची ताकद संचारते आणि संचारलेले मॅग्नेटिझम पुन्हा वीज निर्माण करते. हे सर्व घडते ते अगदी फॅरेडेच्या नियमानुसार. फॅरेडेचा नियम सांगतो की वीज मंडलातील वीज अचानक कमी किंवा जास्त झाली तर त्या विद्युत्पातळीतील बदलामुळे तिथे चुंबकत्व निर्माण होते. हीच गोष्ट मंडलातील चुंबकीय शक्तीलाही लागू पडते. अचानक चुंबकीय क्षेत्रात बदल झाला, चुंबकीय शक्ती कमी जास्त झाली तर तो बदल त्या मंडलामध्ये वीज निर्माण करण्यास कारणीभूत होतो. आपल्या परिवर्तकाच्या बाबतीत हेच घडतं. बॅटरी बंद झाली की विद्युत पातळी अचानक घटते आणि या परिवर्तकांमध्ये चुंबकत्व संचारते. असं झालं की तो असतो तिथल्या चुंबकीय शक्ती मध्ये झालेला बदल. मग त्या बदलामुळे पुन्हा तिथे वीज संचारते. जो पर्यंत शक्य आहे तोपर्यंत आणि तितक्या प्रमाणात हा परिवर्तक अशी निर्माण झालेली वीज पुरवतो आणि त्या मांडलामध्ये विजेची पातळी राखायला मदत करतो. पण हे सर्व काम विजेची पातळी खाली वर होत असेल तोवरच असते. वीज स्थिरपणे वाहत असली तर आपला परिवर्तक निवांत गप्प पडलेला असतो. आलेली वीज पुढे पाठवत असतो. जरा कुठे काही वीज खाली वर झाली तर हा पठ्ठ्या जागा झालाच समजा.. ”

(source: wikimedia commons)

“बर ठीक आहे पण एखाद्या अशा परिवर्तकाची क्षमता मोजायची कशी?”

” हे बघ वेताळा. आपल्या विजेच्या सर्किट मध्ये विजेची पातळी(V) आपण ठेवलेल्या परिवर्तकाच्याInductor च्या कॉईल मध्ये गेली. म्हणजे कॉईल च्या  N इतक्या वेटोळ्यांमध्ये खाली वर झाली. यामुळे चुंबकीय क्षेत्र तयार झाले ते  Φ इतके आणि त्याच्या परिणामामुळे विजेची धार वाहिली I इतकी. तर एखाद्या परिवर्तकाची अशी विद्युत परिवर्तन करण्याची क्षमता L मोजायची झाल्यास ती पुढील सूत्राने मोजतात

 L = N Φ/I ..

म्हणजे परिवर्तकाच्या तारेचे वेटोळे जेवढे जास्त तेवढी परिवर्तन क्षमता जास्त, चुंबकीय शक्ती जेवढी जास्त प्रभावशाली तेवढी परिवर्तन क्षमता जास्त आणि वीज जेवढी कमी वाहील तेवढी परिवर्तन क्षमता जास्त.. अर्थातच तार जेवढी बारीक तेवढी त्यातून वीज कमी वाहते आणि तार जाड असेल तर जास्त वाहते. म्हणजे विद्युत परिवर्तन जास्त हवे असेल तर कॉईल साठी पातळ तारच वापरणे गरजेचे.. परिवर्तन क्षमतेचे मोजमाप हे हेन्री(Henry as H) मध्ये करतात. ”

“काय पण तुमचे ते कार्यकर्ते! आडवणार, धरून ठेवणार,फणा काढणार कायहे असले तुमचे कंपोनंन्टस.. एक सरळ वागेल तर शपथ.. मी खरेतर तुला या कंपोनंट्स पासून तयार केलेल्या एखाद्या कामाच्या सर्किट बद्दल पण विचारलं होतं. पण तू आपलं तो किती अडवतो ते कशात मोजायचं तो किती वीज धरून ठेवतो ते कशात मोजायचं आणि हा फणा काढणारा परिवर्तक किती परिवर्तन करू शकतो याचीच आपली नेहमीची माहिती देत बसलास. अशा अवली कंपोनंट्स ना घेऊन एखादे सर्किट कसं बनवायचं आणि तिथे ते काय करतात हे नाहीच सांगितलंस. जाऊदे. पण पुढच्या वेळी येताना अशा या कंपोनंन्टस पासून इलेकट्रो मॅग्नेटिक लहरी कशा तयार करतात असली काहीतरी माहिती दे.. पण आता सृष्टीमध्ये सर्वत्र स्वतः जळून इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक लहरी सर्वत्र पोहोचवणारा आपला अतिभव्य कार्यकर्ता सूर्य तो यायची वेळ होत आलीय तेव्हा आता मला निघायला हवं. तुमच्या त्या विजेवरच्या कार्यकर्यांसारखा मी आळशी नाही.. असो येतो मी विक्रमा.. हाs हाss हाsss “

(क्रमश 🙂

मुखपृष्ठ

विजेच्या गोष्टी