তড়িৎ প্রবাহের তাপীয় ফল (Heating Effect of Electric Current)
কোনো পরিবাহীর মধ্য দিয়ে তড়িৎ প্রবাহ হলে আধানবাহী কণাগুলি পরিবাহীর ভেতরে চলাচল করে। চলার সময় তারা পরিবাহীর কণার সঙ্গে সংঘর্ষ করে এবং তড়িৎ শক্তির একটি অংশ তাপ শক্তিতে রূপান্তরিত হয়। ফলে পরিবাহী উত্তপ্ত হয়। এই ঘটনাকে তড়িৎ প্রবাহের তাপীয় ফল বলা হয়।
বৈদ্যুতিক হিটার, ইস্ত্রি এবং বহু তাপ-উৎপাদক যন্ত্র এই প্রভাবের উপর কাজ করে।
জুলের সূত্র (Joule's Law of Heating)
জুলের তাপীয় সূত্রকে তিনটি সমানুপাতের মাধ্যমে ব্যাখ্যা করা যায়।
1. প্রবাহমাত্রার প্রভাব
রোধ ও সময় স্থির থাকলে — H ∝ I2 ---(i)
2. রোধের প্রভাব
প্রবাহ ও সময় স্থির থাকলে — H ∝ R ---(ii)
3. সময়ের প্রভাব
প্রবাহ ও রোধ স্থির থাকলে — H ∝ t ---(iii)
যৌগিক ভেদের নিয়ম অনুযায়ী (i), (ii) ও (iii) নং সমীকরণ থেকে পাই
— H ∝ I2Rt
বা,
যেখানে J একটি ধ্রুবক, তাকে তাপের যান্ত্রিক তুল্যাঙ্ক বলা হয়। J-এর মান 4.2 J/cal।
ক্যালোরি এককে তাপ নির্ণয়ের জন্য এটি জুলের তাপীয় সূত্রের একটি রূপ।
📚 উৎপন্ন তাপের পরিমাণ জুল এককে নির্ণয়ের ক্ষেত্রে, H = I2Rt
📚 উৎপন্ন তাপের পরিমাণ cal এককে নির্ণয়ের ক্ষেত্রে, = 0.24 I2Rt
ওহমের সূত্র V = IR ব্যবহার করলে আরও দুটি কার্যকর রূপ পাওয়া যায়—
H = VItএবং,
ক্যালোরি এককে আনুমানিকভাবে—
দেওয়া হয়েছে।
👉 তাপ উৎপাদনের কিছু গুরুত্বপূর্ণ ফল
- একই R ও t-এ প্রবাহ দ্বিগুণ হলে তাপ চারগুণ হয়।
- একই I ও t-এ রোধ দ্বিগুণ হলে তাপ দ্বিগুণ হয়।
- একই I ও R-এ সময় দ্বিগুণ হলে তাপ দ্বিগুণ হয়।
- একই রোধ ও সময়ে বিভব প্রভেদ বাড়লে ।
👉 তড়িৎ শক্তি (Electrical Energy)
একটি আধান Q-কে V বিভব প্রভেদের মধ্য দিয়ে স্থানান্তর করলে তড়িৎ শক্তির পরিমাণ—
E = QVযেহেতু Q = It তাই—
E = VItওহমের সূত্র ব্যবহার করলে—
E = I2Rt
এবং,
রোধী যন্ত্রে ব্যয়িত এই শক্তির বড় অংশ তাপে রূপান্তরিত হতে পারে।
👉 তড়িৎ ক্ষমতা (Electrical Power)
সময়ের সাপেক্ষে তড়িৎ শক্তি ব্যবহারের হারকে তড়িৎ ক্ষমতা বলে।
যেহেতু E = VIt, তাই—
P = VIওহমের সূত্র ব্যবহার করলে—
P = I2R
এবং,
📚 SI একক
তড়িৎ ক্ষমতার SI একক ওয়াট (W)।
এছাড়া,
📚 কিলোওয়াট-ঘণ্টা এবং বিদ্যুতের unit
1 kW ক্ষমতার একটি যন্ত্র 1 ঘণ্টা চললে ব্যবহৃত শক্তি 1 kWh।
বাণিজ্যিকভাবে 1 unit বিদ্যুৎ = 1 kWh। উৎসপাঠে একে B.O.T. unit হিসেবেও উল্লেখ করা হয়েছে।
📚 বৈদ্যুতিক যন্ত্রের rating কী বোঝায়?
কোনো বাল্বে 220 V, 100 W লেখা থাকলে এর অর্থ হলো নির্ধারিত 220 V বিভব প্রভেদে বাল্বটি 100 W হারে তড়িৎ শক্তি ব্যবহার করার জন্য নির্ধারিত।
তার রোধ—
এবং প্রবাহ—
220 V, 100 W বাল্বের জন্য—
📚 বিদ্যুৎ খরচের উদাহরণ
একটি বাড়িতে 2টি 60 W বাতি এবং 2টি 80 W পাখা আছে। সবগুলি দৈনিক 5 ঘণ্টা চলে।
প্রতিদিন ব্যবহৃত শক্তি—
30 দিনে—
অর্থাৎ 42 unit। প্রতি unit-এর দাম 4 টাকা হলে মোট খরচ—
উত্তর: 168 টাকা
👉 তাপীয় ফলের ব্যবহার
📚 ইলেকট্রিক হিটার
এই যন্ত্রে তাপসহনশীল ও তড়িৎ-অপরিবাহী পদার্থের তৈরি একটি গোল চাকতি থাকে, চাকতির মধ্যে কুণ্ডলীকৃত গর্ত থাকে। এই গর্তের মধ্যে নাইক্রোম তারের কুণ্ডলী সাজিয়ে রাখা হয়। নাইক্রোম মূলত নিকেল ও ক্রোমিয়াম-ভিত্তিক একটি সংকর ধাতু। এর রোধাঙ্ক তামার তুলনায় অনেক বেশি। তাই ওই তারের মধ্য দিয়ে তড়িৎ-প্রবাহ পাঠালে উৎপন্ন তাপ রোধের সমানুপাতিক হওয়ায় তারটি খুব উত্তপ্ত হয়ে ওঠে এবং বস্তুকে গরম করে। হিটারের নাইক্রোম তারটিকে যদি আগের চেয়ে দৈর্ঘ্যে ছোট করে দেওয়া হয়, তাহলে দৈর্ঘ্য কমে যাওয়ায় রোধ কমে যাবে। বিভব-পার্থক্য একই থাকলে প্রবাহ বেড়ে যাবে এবং H ∝ I² হওয়ায় উৎপন্ন তাপও বেশি হবে।
📚 ইলেকট্রিক ইস্ত্রি
ইলেকট্রিক ইস্ত্রির গঠন অনেকটা হিটারের মতোই, শুধু উত্তপ্ত নাইক্রোম তারটি নিচের মসৃণ আয়রন তলটিকে উত্তপ্ত করে। বৈদ্যুতিক তাপ-উৎপাদক যন্ত্রে নাইক্রোম তার ব্যবহার করা হয় কেন? নাইক্রোমের রোধাঙ্ক তামার তুলনায় অনেক বেশি। তাই উপযুক্ত দৈর্ঘ্য ও প্রস্থের নাইক্রোম তার দিয়ে প্রয়োজনীয় উচ্চ রোধের heating element তৈরি করা যায়। উচ্চ উষ্ণতাতেও নাইক্রোম বাতাসের অক্সিজেন দ্বারা সহজে আক্রান্ত হয় না। নাইক্রোম তার সহজে গলে যায় না। এই সব সুবিধার জন্য তাপ-উৎপাদক বৈদ্যুতিক যন্ত্রে নাইক্রোম তার ব্যবহৃত হয়।
📚 ইলেকট্রিক হিটারের তার ইলেকট্রিক বাল্বের ফিলামেন্টের মতো আলো বিকিরণ করে না কেন?
ইলেকট্রিক বাল্বের টাংস্টেন ফিলামেন্টকে এমনভাবে তৈরি করা হয় যাতে বিদ্যুৎ প্রবাহের ফলে তার তাপমাত্রা অত্যন্ত বেড়ে যায় এবং তা শ্বেততপ্ত হয়ে দৃশ্যমান আলো বিকিরণ করে। অন্যদিকে, হিটারের নাইক্রোম heating element-এর দৈর্ঘ্য, প্রস্থ ও রোধ এমনভাবে নির্ধারিত থাকে যাতে সেটি নিরাপদ কার্যকর তাপমাত্রায় প্রচুর তাপ উৎপন্ন করে, কিন্তু সাধারণত বাল্বের ফিলামেন্টের মতো শ্বেততপ্ত না হয়। তাই হিটারের প্রধান উদ্দেশ্য তাপ উৎপাদন, আলো উৎপাদন নয়।
📚 ফিউজ তার (Fuse wire)
বৈদ্যুতিক মেইন লাইনের সঙ্গে চিনামাটির হোল্ডারে একটি ছোট তার যুক্ত করা থাকে। একে ফিউজ তার বলে। বৈদ্যুতিক লাইনে শর্ট সার্কিট হলে, অথবা বেশি ওয়াটের বাল্ব বা মেশিন চালালে লাইনে তড়িৎ-প্রবাহমাত্রা হঠাৎ বেড়ে যায়। বেশি প্রবাহ হলে লাইনের তার খুব উত্তপ্ত হয়ে উঠে এবং তারের রবার আবরণ গলে আগুন ধরে যেতে পারে। এজন্য লাইনের সঙ্গে ফিউজ তার যোগ করা থাকে। প্রচলিত ফিউজ তার কম গলনাঙ্কের উপযুক্ত ধাতু বা সংকর ধাতু দিয়ে তৈরি করা হয়। প্রবাহমাত্রা নির্দিষ্ট সীমার বেশি হলে ফিউজ তারে উৎপন্ন তাপে তারটি গলে গিয়ে লাইনের সংযোগ ছিন্ন করে, ফলে বর্তনীতে প্রবাহ বন্ধ হয়ে যায়। যে ফিউজ তারের মধ্য দিয়ে 10 অ্যাম্পিয়ারের বেশি তড়িৎ-প্রবাহ হলে ফিউজ তারটি গলে ইলেকট্রিক লাইনের মধ্যে দিয়ে প্রবাহ বন্ধ করে দেয়, সেই ফিউজ তারকে 10 অ্যাম্পিয়ার ফিউজ তার বলে।
তড়িৎ-প্রবাহের তাপীয় ফলকে ধাতু গলানো, বৈদ্যুতিক চুল্লি, গ্রিন হাউস গরম রাখা এবং আরও অনেক কাজে ব্যবহার করা হয়। শর্ট সার্কিট হয়েছে বলতে কী বোঝায়? কোনো কারণে বিপরীতধর্মী তড়িতের দুটি লাইনের মধ্যে সরাসরি সংযোগ ঘটে গেলে সমগ্র লাইনের রোধ খুব কমে যায়; ফলে তড়িৎ-প্রবাহ হঠাৎ খুব বেড়ে যায় এবং প্রচুর তাপ উৎপন্ন হয়। একেই শর্ট সার্কিট হওয়া বলে।
👉 সমাধানসহ উদাহরণ
✏️ উদাহরণ 1
10 Ω রোধের তারের মধ্য দিয়ে 0.5 A প্রবাহ 60 s ধরে চললে উৎপন্ন তাপ কত?
H = I2Rt
✏️ উদাহরণ 2
রোধ ও সময় অপরিবর্তিত রেখে প্রবাহ 4 গুণ করলে উৎপন্ন তাপ কত গুণ হবে?
তাই,
উত্তর: 16 গুণ
✏️ উদাহরণ 3
440 Ω রোধের একটি বাতি 220 V লাইনে 10 ঘণ্টা জ্বলে। ব্যবহৃত শক্তি কত unit?
উত্তর: 1.1 unit
আরও দুটি বিদ্যুৎ-খরচের উদাহরণ
✏️ উদাহরণ 4
একটি বাড়িতে 6টি 60 W বাতি এবং 3টি 40 W পাখা আছে। সবগুলি প্রতিদিন 6 ঘণ্টা করে 30 দিন চলে।
মোট ক্ষমতা—
মোট সময়—
ব্যবহৃত শক্তি—
অর্থাৎ 86.4 unit।
✏️ উদাহরণ 5
1600 W-এর একটি বৈদ্যুতিক যন্ত্র 200 V লাইনে যুক্ত।
প্রবাহ—
100 ঘণ্টায় ব্যবহৃত শক্তি—
অর্থাৎ 160 unit।
🧠 দ্রুত মনে রাখো
⭐ উৎপন্ন তাপ = H, তড়িৎ প্রবাহ = I, সময় = t, বিভব প্রভেদ = V, রোধ = R, তড়িৎ শক্তি = E, তড়িৎ ক্ষমতা = P, তাপের যান্ত্রিক তুল্যাঙ্ক = J -কে দ্বারা প্রকাশ করা হয়।
⭐ ক্যালোরি এককে:
⭐ জুল এককে: H = I2Rt = VIt
⭐
⭐ P = VI
⭐ P = I2R
⭐
⭐ E = Pt
⭐ 1 unit = 1 kWh
⭐
✍ নিজে চেষ্টা করো
🔹 5 Ω রোধে 2 A প্রবাহ 10 মিনিট চললে উৎপন্ন তাপ কত জুল?
🔹 220 V, 60 W বাল্বের প্রবাহ ও রোধ নির্ণয় করো।
🔹 1.5 kW হিটার 2 ঘণ্টা চললে কত unit শক্তি ব্যবহার করবে?
🔹 একই রোধে প্রবাহ তিনগুণ হলে একই সময়ে তাপ কত গুণ হবে?
🔹 500 W যন্ত্র প্রতিদিন 4 ঘণ্টা করে 30 দিন চললে মোট কত kWh শক্তি ব্যবহার করবে?
