बिहार बोर्ड कक्षा 12 भौतिक विज्ञान अध्याय 7 प्रत्यावर्ती धारा लघु उत्तरीय प्रश्न
लघु उत्तरीय प्रश्न
1. प्रत्यावर्ती धारा क्या है ? इसके तात्कालिक मान को लिखें।
उत्तर: प्रत्यावर्ती धारा वह धारा है जिसका मान और दिशा समय के साथ आवर्त रूप में बदलते रहते हैं। यह धारा दिष्टधारा से भिन्न होती है क्योंकि दिष्टधारा की दिशा नहीं बदलती है जबकि प्रत्यावर्ती धारा की दिशा आवर्त रूप से बदलती रहती है।
इसके तात्कालिक मान का समीकरण
I0 = I0 sin ωt से निरूपित किया जाता है।
जहाँ I0 = शिखर मान
I = तात्कालिक मान है।
Q.2. प्रत्यावर्ती धारा के एक पूर्ण चक्कर के लिए Iav = 0 इसे साबित करें।
उत्तर: प्रत्यावर्ती धारा के पूर्ण चक्कर के लिए औसत मान
Iav = 0Tdq0Tdt
Iav = 0TL.dtT
Iav = 0TI0sint.dtT
Iav = I0T -cos t T0
Iav = I0T cos2T.T -COS 0
Iav = - I021-1
Iav = 0
3. चोक कुण्डली क्या है ? क्यों इसे प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में धारा को सीमित करने के लिए प्राथमिकता दी जाती है ? इसकी क्या उपयोगिताएँ हैं ?
उत्तर: चोक कण्डली – उच्च प्रेरकत्व तथा नगण्य प्रतिरोध के कुण्डली को चोक कुण्डली कहा जाता है, जिसका व्यवहार बिना किसी विद्युत ऊर्जा के नष्ट किये ही किसी धारा की शक्ति को कम करने के लिए किया जाता है क्योंकि इससे शक्ति का उपयोग शून्य के बराबर होता है ।
शून्य शक्ति के उपयोग का कारण है कि चोक कुण्डली के लिए धारा तथा वोल्टता के बीच कला कोण 2 (90°) होता है।
चोक कुण्डली के शक्ति गुणांक, cos = RR2 + 2L2 है। कम आवृत्ति के प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में चोक कुण्डली का व्यवहार किया जाता है, जिसका क्रोड नरम लोहे का बना होता है। कुण्डली प्रेरकत्व, L का मान अधिक है तथा आवृत्ति के बहुत कम होने के कारण प्रतिघात (Lω) का मान बहुत अधिक है। अधिक आवृत्ति के प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में चोक कुण्डली का व्यवहार केवल वायु क्रोड में होता है, क्योंकि आवृत्ति के अधिक होने से प्रेरकत्व L का मान कम है तथा प्रतिघात (Lω) अधिक है। यह मरकरी ट्यूब, लैम्प तथा रेडियो परिपथ में व्यवहार किया जाता है।
Q.4. वाटहीन धारा से आप क्या समझते हैं ?
उत्तर: वाटहीन धारा – हम जानते हैं कि प्रत्यावर्ती धारा परिपथ के औसत शक्ति Pav= Evlv cosφ जहाँ φ विद्युत वाहक बल तथा धारा के वर्ग–माध्य-मूल मान के बीच कला कोण है।
माना कि Evlv से φ कला कोण द्वारा चित्रानुसार आगे है। यह माना जा सकता है कि lvsinφ तथा lvcosφ दो अवयवों के सदिश योग lv है। इस प्रत्येक अवयव के कारण व्यय शक्ति की निम्न प्रकार गणना की जा सकती है।
(i) Ev तथा lvcosφ के बीच के कला कोण का शून्य के बराबर होने पर lvcosφ अवयव के कारण परिपथ में व्यय औसत शक्ति,
P’av = Ev(lvcosφ) cos 0° = Evlvcosφ
(ii) Ev तथा lvcosφ के बीच कला कोण का π/2 के बराबर होने पर, lvcosφ अवयव के कारण परिपथ में व्यय औसत शक्ति, P'av = Ev (lvcosφ) cosπ/2 = 0 (शून्य)।
इस प्रकार प्रत्यावर्ती परिपथ के lvcosφ अवयव के कारण ही प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में औसत शक्ति व्यय होती है और प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में lvcosφ अवयव का कोई भागीदारी शक्ति के व्यय में नहीं होती है। lvcosφ अवयव के शक्ति के व्यय में भागीदारी नहीं होने के कारण उसे प्रत्यावत्ती धारा का वाटहीन अवयव या प्रत्यावर्ती धारा का वाटहीन धारा कहते हैं,
5. ट्रांसफॉर्मर का क्रोड परतदार क्यों होता है ?
उत्तर: ट्रांसफॉर्मर का क्रोड परतदार होता है, क्योंकि क्रोड में लौह क्षय होता है। भँवर धाराओं के प्रेरित होने से ट्रांसफॉर्मर के क्रोड में विद्युत शक्ति की हानि होती है, जिसे लौह क्षय कहा जाता है। क्रोड को परतदार होने स लौह क्षय का मान कूम जाता है, इसलिए क्रोड परतदार होता है।
6. प्रेरणिक प्रतिघात क्या होता है ?
उत्तर: किसी प्रेरक द्वारा परिपथ में प्रत्यावर्ती धारा प्रवाह में प्रभावी पतिरोध को प्रेरणिक या प्रेरक प्रतिघात कहते है।
7. ट्रांसफार्मर क्या है ? परिणमन अनुपात से क्या तात्पर्य है ?
उत्तर: ट्रांसफार्मर – ट्रांसफार्मर का कार्य, उच्च धारा पर निम्न प्रत्यावती वोल्टता को निम्न धारा पर उच्च वोल्टता में तथा निम्न धारा पर उच्च प्रत्यावर्ती वोल्टता को अधिक धारा पर निम्न वोल्टता में परिवर्तित करना है। Input voltage और Output voltage के अनुपात को परिणमन अनुपात कहते हैं।
8. किन कारणों से ट्रांसफार्मर की दक्षता घटती है ?
उत्तर: ट्रांसफार्मर में निम्नलिखित पाँच कारणों से ऊर्जा का क्षय होता है तथा उन्हें निम्नलिखित प्रकार से दूर किया जाता है –
(i) फलक्स क्षय : प्राथमिक तथा द्वितीयक कुण्डलियों का युग्मन ठीक नहीं होता है और प्राथमिक कुण्डली में उत्पन्न चुम्बकीय फ्लक्स सभी द्वितीयक कुण्डली से संबद्ध नहीं होते हैं तथा कुछ क्रोड से न जाकर वायु होकर जाती है।
(ii) ताम्र क्षय : प्राथमिक तथा द्वितीयक कुण्डलियों में ताँबे के तार के लपेटों प्रतिरोध के कारण जूल-ऊष्मन प्रभाव से कुछ विद्युतीय ऊर्जा का ताप ऊर्जा में परिवर्तन होता है जिससे कि शक्ति क्षय होती है।
(iii) लौह – क्षय : ट्रांसफार्मर के लोहे के क्रोड में भँवर धाराओं के प्रेरण से भी ऊष्मा के रूप में शक्ति क्षय होती है, जिसे लौह-क्षय कहते हैं। लोहे के क्रोड को पूरतदार बना देने पर लौह-क्षय घटता है।
(iv) शैथिल्य क्षय : कुण्डलियों से प्रत्यावर्ती धाराओं के प्रवाहित होने से लोहे के क्रोड बार-बार चुम्बकित तथा अचुम्बकित होते हैं। इसलिए प्रत्येक चुम्बकन चक्र में कुछ ऊर्जा शैथिल्य के कारण क्षय होती है, जिसे शैथिल्य क्षय कहते हैं। इसे कम करने के लिए सिलिकन लोहे का क्रोड उपयुक्त होता है।
9. भंवर धाराएं क्या हैं ?
उत्तर: यदि किसी भी धातु के टुकड़े को चुम्बकीय क्षेत्र में घुमाते हैं या किसी असमान चुम्बकीय क्षेत्र में उसे चलाते हैं या किसी अन्य प्रकार से उसमें गुजरने वाली बल रेखाओं की संख्या में परिवर्तन करते हैं तो उस धात चालक के सम्पूर्ण आयतन में प्रेरित धाराएँ उत्पन्न हो जाती हैं। ये धाराएँ धात के टुकड़े की गति (अथवा चुम्बकीय फ्लक्स परिवर्तन) का विरोध करती है। ये धाराएँ एक बन्द घेरे के रूप में होती हैं जिनका तल चुम्बकीय बल रेखाओं की दिशा के लम्बवत होता है। इन्हें भँवर धाराएँ कहते हैं।
10. स्टार्टर क्या हैं ? इसका उपयोग समझावें।
उत्तर: यह एक उच्च प्रतिरोध है जिसे दिष्ट धारा मोटर की कुण्डली के साथ श्रेणीक्रम में लगाया जाता है, जिससे मोटर स्टार्ट करते समय प्रारम्भ में जब मोटर में विरोधी विद्युत वाहक बल शून्य होता है, जब मोटर की कण्डली से होकर अति उच्च धारा नहीं प्रवाहित हो सके, अन्यथा कुण्डली के जलने का भय रहता है। यह प्रतिरोध मोटर के स्टार्ट होते समय कुण्डली के साथ श्रेणीक्रम में जुड़ा रहता है तथा जब मोटर अपनी अधिकतम चाल से चलने लगती है (अर्थात् जब कुण्डली के घूमने का कोणीय वेग अधिकतम हो जाता है) तब स्वतः ही इसका सम्बन्ध कुण्डली से हट जाता है। इसके लिए ऐसा प्रबन्ध किया जाता है क जब मोटर की कुण्डली अधिकतम चाल से घुमने लगती है तो प्रतिरोध के साथ जुड़ी नर्म लोहे की पत्ती एक विद्युत चुम्बक से आकर्षित हो जाती है तथा कुण्डली के साथ प्रतिरोध का संबंध टूट जाता है।
11. डायनेमों तथा विद्युत मोटर में क्या अन्तर है ?
उत्तर: डायनेमो (जनित्र) तथा विद्युत मोटर में निम्नलिखित अन्तर हैं –
S.L | डायनेमो | विद्युत मोटर |
1. | डायनेमो यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलता है। | मोटर विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा से बदलती है। |
2. | डायनेमो विद्युत चुम्बकीय प्रेरण के सिद्धान्त पर कार्य करता है। | मोटर धारा के चुम्बकीय प्रभाव पर कार्य करती है। यह चुम्बकीय क्षेत्र में धारावाही चालक पर लगने वाले बल के सिद्धान्त पर कार्य करती है। |
3. | इसमें चुम्बकीय क्षेत्र में कुण्डली को घुमाकर प्रेरित विद्युत वाहक बल उत्पन्न किया जाता है। | इसमें चुम्बकीय क्षेत्र में स्थित कुण्डली में धारा प्रवाहित करते हैं जिससे कुण्डली घूमने लगती है। |
12. प्रत्यावर्ती धारा तथा दिष्ट धारा में अन्तर स्पष्ट करें।
उत्तर: प्रत्यावर्ती धारा तथा दिष्ट (सीधी) धारा में निम्नलिखित अन्तर है –
S.L | प्रत्यावर्ती धारा | दिष्ट (सीधी) धारा |
1. | धारा परिपथ में दोनों दिशाओं में प्रवाहित होती है। | दिष्ट (सीधी) धारा परिपथ में सदा ही दिशा में प्रवाहित होती है। |
2. | इसके विद्युत वाहक बल को ट्रांसफॉर्मर द्वारा घटाया जा सकता है। | इसके विद्युत वाहक बल को किसी अन्य प्रतिरोध की मदद से घटाया जा सकता है। |
3. | इससे विद्युत अपघटन की क्रिया नहीं हो सकती है। | इससे विद्युत अपघटन की क्रिया होती है। |
4. | इससे कलई नहीं की जा सकती है। | कलई करने में इस धारा का उपयोग होता है। |
5. | उच्च वोल्टता पर दूर स्थानों में इसे भेजा जा सकता है। | इसे दूर स्थानों तक नहीं भेजा जा सकता है। |
6. | धारा के स्पर्श से झटका अधिक घातक होता है। | धारा के स्पर्श से झटका का खतरा अधिक नहीं रहता है। |
13. परिपथ में प्रतिरोध, प्रतिबाधा और प्रतिघात में अंतर कीजिए।
उत्तर:
S.L | प्रतिरोध | प्रतिबाधा | प्रतिघात |
1. | धारा प्रवाह में लगाये विरोध को प्रतिरोध से परिभाषित करते हैं। | एक परिपथ द्वारा उसमें लगे प्रतिरोध, प्रेरक और धारित्र द्वारा उत्पन्न बाधा को प्रतिबाधा कहते हैं। | धारा प्रवाह में धारित्र या प्रेरक द्वारा उत्पन्न विरोध को प्रतिघात कहते हैं। |
2. | यह धारा के स्रोत की आवृत्ति से स्वतंत्र है | यह धारा स्रोत की आवृत्ति पर निर्भर है। | यह धारा स्रोत की आवृत्ति पर निर्भर है। |
3. | इसे ओम में मापते हैं। | इसे ओम में मापते हैं। | इसे ओम में मापते हैं। |
14. वि० वा० बल तथा विभवांतर में बीच क्या अंतर है ?
उत्तर: वि० वा० बल तथा विभवांतर में निम्नलिखित अंतर है –
S.L | वि० वा० बल | विभवांतर |
1. | यह सेल का परिपथ खुला रहने पर विभव के अंतर को बतलाता है। | यह सेल का परिपथ बंद रहने पर विभव के अंतर को बतलाता है। |
2. | यह प्रतिरोध पर निर्भर नहीं करता है। | यह प्रतिरोध के समानुपाती होता है। |
3. | यह परिपथ के बंद नहीं रहने पर exist करता है। | यह परिपथ के बन्द रखने पर exist करता है। |
4. | यह विभवांतर से बड़ा होता है। | यह वि० वा० बल से छोटा होता है। |
5. | इसे वोल्ट में मापा जाता है। | इसे भी वोल्ट (volt) में मापा जाता है। |
15. प्रत्यावर्ती धारा के चुम्बकीय और रासायनिक प्रभाव शून्य क्यों होते हैं?
उत्तर: आधे चक्र में विद्युत् धारा एक दिशा में तथा आधे चक्र में विपरीत दिशा में प्रवाहित होती है जिससे पूर्ण चक्र में धारा का औसत मान शून्य होता है। अतः प्रत्यावर्ती धारा के चुम्बकीय और रासायनिक प्रभाव शून्य होते हैं।
16. प्रत्यावर्ती धारा का मापन चल कुण्डली धारामापी से नहीं किया जा सकता है, क्यों?
उत्तर: चल कुण्डली धारामापी धारा के चुम्बकीय प्रभाव पर आधारित है। प्रत्यावर्ती धारा का एक पूर्ण चक्र में औसत मान शून्य होता है। अतः प्रत्यावर्ती धारा चुम्बकीय प्रभाव प्रदर्शित नहीं करती। फलस्वरूप चल कुण्डली धारामापी की सहायता से प्रत्यावर्ती धारा का मापन नहीं किया जा सकता।
17. एक बल्ब के साथ श्रेणीक्रम में एक परिनालिका लगी है। बल्ब प्रत्यावर्ती धारा से जल रहा है। यदि परिनालिका के अंदर लोहे का एक क्रोड रख दिया जाये, तो क्या होगा?
उत्तर: बल्ब का प्रकाश धीमा पड़ जायेगा, क्योंकि परिनालिका के अन्दर लोहे का क्रोड डालने पर उसका प्रेरकत्व L बढ़ जाने से प्रेरण प्रतिघात L = L का मान बढ़ जायेगा। अतः धारा का मान कम हो जायेगा।
18. प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में विशुद्ध प्रेरण कुण्डली के प्रतिघात के लिए व्यंजक लिखिए तथा बताइए कि इसका मान धारा की आवृत्ति पर किस प्रकार निर्भर करता है ?
उत्तर: विशुद्ध प्रेरण कुण्डली का प्रतिघात
L = ωL = 2πυL
जहाँ υ = धारा की आवृत्ति तथा L = कुण्डली का प्रेरकत्व।
स्पष्ट है कि L∝ υ
अर्थात् प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में विशुद्ध प्रेरण कुण्डली का प्रतिघात धारा की आवृत्ति के अनुक्रमानुपाती होता है।
19. एक विद्युत् हीटर को समान विभवान्तर पर दिष्ट धारा एवं प्रत्यावर्ती धारा द्वारा गर्म करते हैं। क्या दोनों ही स्थितियों में हीटर में समान ऊष्मा उत्पन्न होगी?
उत्तर: हीटर में तार कुण्डलियों के रूप में होता है। अतः उसमें प्रतिरोध के साथ-साथ प्रेरकत्व भी होता है। अतः उसका प्रतिरोध प्रत्यावर्ती धारा के लिए अधिक एवं दिष्ट धारा के लिए कम होगा।
उत्पन्न ऊष्मा के सूत्र H = V2R के अनुसार प्रत्यावर्ती धारा द्वारा कम ऊष्मा उत्पन्न होगी।
20. प्रत्यावर्ती धारा का मान घटाने के लिए प्रतिरोध की अपेक्षा प्रेरकत्व अधिक उपयुक्त क्यों है ?
उत्तर: प्रत्यावर्ती धारा के मान को घटाने के लिए प्रतिरोध का उपयोग करने पर विद्युत् ऊर्जा के कुछ भाग का ऊष्मीय ऊर्जा में अपव्यय हो जाता है जबकि प्रेरकत्व का उपयोग करने पर प्रेरकत्व का शक्ति गुणांक शून्य होने के कारण ऊर्जा का बिल्कुल अपव्यय नहीं होता ।
21. वाटहीन धारा किसे कहते हैं ?
उत्तर: वाटहीन धारा – यदि किसी परिपथ में केवल शुद्ध प्रेरकत्व या शुद्ध धारिता है तथा प्रतिरोध का मान शून्य है, तो वि. वा. बल और धारा में 90° (या π/2 ) का कलान्तर होता है। इस स्थिति में परिपथ की औसत शक्ति
Pav = Vrms x Irms x cos 90°
या
Pav = 0. [∵ cos 90° = 0]
इस प्रकार, यदि किसी प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में केवल शुद्ध प्रेरकत्व या शुद्ध धारिता है तथा परिपथ का प्रतिरोध शून्य है, तो परिपथ में धारा तो प्रवाहित होती है, किन्तु परिपथ में ऊर्जा का क्षय बिल्कुल नहीं होता। परिपथ की इस धारा को वाटहीन धारा कहते हैं।
22. D.C. वोल्टेज को बढ़ाने में ट्रान्सफॉर्मर का उपयोग नहीं किया जा सकता, क्यों?
उत्तर: ट्रान्सफॉर्मर अन्योन्य प्रेरण के सिद्धान्त पर आधारित है। अन्योन्य प्रेरण की घटना प्रत्यावर्ती धारा में होती है, स्थिर मान के D.C. धारा में नहीं। अत: D.C. वोल्टेज को बढ़ाने में ट्रान्सफॉर्मर का उपयोग नहीं किया जा सकता।
23. ट्रान्सफॉर्मर के क्रोड पटलित बनाये जाते हैं। क्यों ?
उत्तर: ट्रान्सफॉर्मर के क्रोड को पटलित बनाकर भँवर धाराओं के प्रभाव को कम किया जाता है। क्रोड के पटलित होने से उसका प्रतिरोध बहुत अधिक हो जाता है। अतः उत्पन्न भँवर धाराओं की प्रबलता बहुत कम हो जाती है। इस प्रकार विद्युत् ऊर्जा का ऊष्मीय ऊर्जा में अपव्यय नहीं हो पाता।
24. प्रतिघात और प्रतिबाधा क्या है ? समझाइए।
उत्तर:
प्रतिघात – प्रत्यावर्ती धारा परिपथ में केवल प्रेरक कुण्डली अथवा केवल संधारित्र के द्वारा प्रत्यावर्ती धारा के मार्ग में उत्पन्न अवरोध को प्रतिघात कहते हैं।
प्रतिबाधा – प्रत्यावर्ती परिपथ में ओमीय प्रतिरोध, प्रेरक कुण्डली और संधारित्र में से दो या दो से अधिक अवयवों के द्वारा डाले गये अवरोध को प्रतिबाधा कहते हैं।
25. प्रत्यावर्ती धारा दिष्ट धारा से खतरनाक होती है, क्यों?
अथवा
समान विभव की प्रत्यावर्ती धारा और दिष्ट धारा में कौन-सी धारा अधिक सुरक्षित होती है और क्यों?
उत्तर:
प्रत्यावर्ती विभवान्तर का अधिकतम मान उसके आभासी मान का √2 गुना होता है। इस प्रकार यदि प्रत्यावर्ती विभवान्तर का आभासी मान 220 वोल्ट हो, तो उसका शिखर मान 220√2 = 331.08 वोल्ट होगा अर्थात प्रत्यावर्ती विभवान्तर का मान 331.08 वोल्ट से – 331.08 वोल्ट तक परिवर्तित होगा। किन्तु यदि दिष्ट धारा का विभवान्तर 220 वोल्ट हो, तो वह 220 वोल्ट से अधिक नहीं होगा। अत: प्रत्यावर्ती धारा समान विभव की दिष्ट धारा से खतरनाक होती है।
यह भी स्पष्ट है कि समान विभव की प्रत्यावर्ती धारा और दिष्ट धारा में से दिष्ट धारा अधिक सुरक्षित रहती है।
