विद्युत वाहक बल (EMF) | सूत्र, विभवांतर और आंतरिक प्रतिरोध | Class 8 & 10 Physics Hindi

विद्युत वाहक बल (Electromotive Force या EMF)

बैटरी या विद्युत सेल परिपथ में आवेशों को चलाने के लिए ऊर्जा देता है और अपने दोनों सिरों के बीच विभवांतर बनाए रखता है। स्रोत प्रति इकाई आवेश कितनी ऊर्जा दे सकता है, इसे विद्युत वाहक बल या Electromotive Force (EMF) से व्यक्त किया जाता है।

उदाहरण के लिए, यदि किसी शुष्क सेल पर 1.5 V लिखा है, तो इसका अर्थ है कि आदर्श रूप से सेल प्रति 1 कूलॉम आवेश के लिए 1.5 जूल ऊर्जा दे सकता है।

बहुत महत्वपूर्ण: नाम में “बल” या “Force” शब्द होने पर भी EMF कोई यांत्रिक बल नहीं है। यह प्रति इकाई आवेश स्रोत द्वारा दी गई ऊर्जा का माप है।

1. EMF की सरल अवधारणा

धात्विक चालक में मुक्त इलेक्ट्रॉन होने पर भी केवल उनकी उपस्थिति से स्थायी विद्युत धारा नहीं बनती। धारा बनाए रखने के लिए ऐसा स्रोत चाहिए जो परिपथ के सिरों के बीच विभवांतर बनाए रखे।

सेल या बैटरी के भीतर रासायनिक अभिक्रियाओं से आवेश-विभाजन होता है। यह प्रक्रिया आवेश को निम्न विभव से उच्च विभव तक ले जाने के लिए ऊर्जा देती है।

यही प्रति इकाई आवेश दी गई ऊर्जा EMF की मूल अवधारणा है।

2. विद्युत वाहक बल की परिभाषा

गुणात्मक परिभाषा

जो विद्युत स्रोत रासायनिक, यांत्रिक या किसी अन्य प्रकार की ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलता है और परिपथ में विभवांतर बनाए रखता है, उसकी विद्युत ऊर्जा देने की क्षमता को EMF द्वारा व्यक्त किया जाता है।

परिमाणात्मक परिभाषा

किसी विद्युत स्रोत द्वारा इकाई धनात्मक आवेश को स्रोत के भीतर निम्न विभव से उच्च विभव तक ले जाने में दी गई ऊर्जा को उस स्रोत का विद्युत वाहक बल या EMF कहते हैं।

यदि आवेश को स्थानांतरित करने में स्रोत ऊर्जा देता है, तो

जहाँ,

= विद्युत वाहक बल या EMF
= स्रोत द्वारा दी गई ऊर्जा या कार्य
= आवेश

3. EMF की SI इकाई

EMF की SI इकाई वोल्ट (Volt या V) है।

अर्थात,

1 वोल्ट = 1 जूल/कूलॉम

1 वोल्ट EMF का अर्थ

यदि कोई विद्युत स्रोत प्रति 1 कूलॉम आवेश के लिए 1 जूल ऊर्जा देता है, तो उसका EMF 1 वोल्ट है।

4. 1.5 V सेल का क्या अर्थ है?

1.5 V सेल के लिए,

प्रति 1 C आवेश के लिए दी गई ऊर्जा,

अतः आदर्श 1.5 V सेल प्रति 1 कूलॉम आवेश के लिए 1.5 जूल ऊर्जा देता है।

5. EMF वास्तविक बल क्यों नहीं है?

“Electromotive Force” नाम ऐतिहासिक है। यांत्रिक बल की SI इकाई न्यूटन (N) है, जबकि EMF की SI इकाई वोल्ट (V) है।

यांत्रिक बल का परिचित संबंध,

जबकि EMF,

इसलिए EMF कोई यांत्रिक बल नहीं है। यह प्रति इकाई आवेश दी गई ऊर्जा को दर्शाता है।

6. विद्युत सेल EMF कैसे उत्पन्न करता है?

विद्युत-रासायनिक सेल (Electrochemical Cell) में रासायनिक अभिक्रियाएँ होती हैं। इनके परिणामस्वरूप:

धनात्मक और ऋणात्मक आवेश अलग होते हैं,
सेल के दोनों सिरों के बीच विभवांतर बनता है,
सेल के भीतर आवेश को निम्न विभव से उच्च विभव तक ले जाने के लिए ऊर्जा दी जाती है,
रासायनिक ऊर्जा विद्युत ऊर्जा में बदलती है।

परिपथ पूरा होने पर सेल में संचित रासायनिक ऊर्जा विद्युत ऊर्जा के रूप में परिपथ को दी जाती है।

7. सेल के भीतर और बाहर आवेश की गति

स्रोत की भूमिका समझने के लिए परिपथ को दो भागों में सोच सकते हैं।

सेल के बाहर

बाहरी परिपथ में परंपरागत विद्युत धारा सामान्यतः:

उच्च विभव → निम्न विभव

की ओर मानी जाती है।

सेल के भीतर

सेल की रासायनिक प्रक्रिया धनात्मक आवेश को:

निम्न विभव → उच्च विभव

की ओर ले जाने के लिए ऊर्जा देती है।

इसी कारण सेल या बैटरी परिपथ में विभवांतर बनाए रख सकती है।

8. खुला परिपथ (Open Circuit) और EMF

यदि सेल के सिरों के बीच पूरा चालक मार्ग न हो, तो उसे खुला परिपथ (Open Circuit) कहते हैं।

खुले परिपथ में,

इसलिए आंतरिक प्रतिरोध पर विभव-पतन लगभग शून्य होता है। परिणामतः वास्तविक सेल का टर्मिनल वोल्टेज,

अर्थात खुले परिपथ में टर्मिनल वोल्टेज लगभग EMF के बराबर होता है।

9. आंतरिक प्रतिरोध (Internal Resistance) क्या है?

वास्तविक सेल या बैटरी के भीतर भी विद्युत धारा के मार्ग में कुछ विरोध होता है। इलेक्ट्रोलाइट, इलेक्ट्रोड और सेल की आंतरिक संरचना के कारण उत्पन्न प्रतिरोध को आंतरिक प्रतिरोध (Internal Resistance) कहते हैं।

इसे सामान्यतः से दर्शाया जाता है। इसकी SI इकाई ओम (Ω) है।

10. वास्तविक सेल का टर्मिनल वोल्टेज (Terminal Voltage)

मान लें,

EMF =
आंतरिक प्रतिरोध =
विद्युत धारा =
टर्मिनल वोल्टेज =

सेल धारा देता है तो आंतरिक प्रतिरोध के कारण विभव-पतन,

होता है। इसलिए धारा देने वाले वास्तविक सेल के लिए,

या,

यह संबंध संख्यात्मक प्रश्नों में बहुत महत्वपूर्ण है।

11. धारा बहने पर टर्मिनल वोल्टेज क्यों घटता है?

जब धारा नहीं बहती, तब आंतरिक प्रतिरोध पर कोई उल्लेखनीय विभव-पतन नहीं होता। लेकिन धारा बहने पर,

अर्थात कुल EMF का एक भाग सेल के भीतर ही उपयोग होता है। इसलिए धारा देते समय,

और सामान्यतः,

12. क्या EMF हमेशा टर्मिनल वोल्टेज से अधिक होता है?

नहीं। संबंध सेल की अवस्था पर निर्भर करता है।

खुले परिपथ में

सेल धारा दे रहा हो

इसलिए सामान्यतः,

सेल को चार्ज करते समय

बाहरी स्रोत सेल की रासायनिक प्रक्रिया के विपरीत कार्य करता है। इस अवस्था में टर्मिनल वोल्टेज EMF से अधिक हो सकता है।

इसलिए “EMF हमेशा टर्मिनल वोल्टेज से अधिक होता है” कहना सही नहीं है।

13. आदर्श सेल और वास्तविक सेल (Ideal Cell and Real Cell)

आदर्श सेल	वास्तविक सेल
आंतरिक प्रतिरोध शून्य माना जाता है।	आंतरिक प्रतिरोध शून्य नहीं होता।
r = 0	r > 0
धारा बहने पर भी टर्मिनल वोल्टेज = EMF।	धारा देते समय टर्मिनल वोल्टेज सामान्यतः EMF से कम होता है।
यह एक आदर्शीकृत अवधारणा है।	सभी वास्तविक सेल में कुछ आंतरिक प्रतिरोध होता है।

14. EMF और विभवांतर में अंतर

विद्युत वाहक बल (EMF)	विभवांतर
बताता है कि स्रोत प्रति इकाई आवेश कितनी ऊर्जा देता है।	दो बिंदुओं के बीच प्रति इकाई आवेश ऊर्जा का परिवर्तन बताता है।
सामान्यतः E से दर्शाया जाता है।	सामान्यतः V या ΔV से दर्शाया जाता है।
स्रोत में ऊर्जा रूपांतरण से संबंधित है।	परिपथ के किसी भी दो बिंदुओं के बीच निर्धारित किया जा सकता है।
SI इकाई वोल्ट है।	SI इकाई भी वोल्ट है।
खुले परिपथ में प्रान्तीय विभव (Terminal Voltage) लगभग EMF के बराबर होता है।	विभवांतर परिपथ की अवस्था और धारा पर निर्भर कर सकता है।

15. EMF और विद्युत ऊर्जा का संबंध

यदि EMF है, तो आवेश के लिए स्रोत द्वारा दी गई ऊर्जा,

होगी।

वास्तविक सेल में इस ऊर्जा का एक भाग बाहरी परिपथ में उपयोग होता है और एक भाग आंतरिक प्रतिरोध में नष्ट होता है।

धारा देने वाले सेल के लिए,

इससे स्पष्ट है कि स्रोत की कुल ऊर्जा बाहरी परिपथ और सेल के भीतर बाँटकर उपयोग होती है।

16. EMF और विद्युत शक्ति का संबंध (Power)

यदि स्रोत का EMF और धारा है, तो स्रोत की कुल विद्युत शक्ति,

बाहरी परिपथ में उपयोग होने वाली शक्ति,

और आंतरिक प्रतिरोध में शक्ति का क्षय,

है।

मुख्य विचार: वास्तविक सेल की कुछ ऊर्जा उसके अपने आंतरिक प्रतिरोध में नष्ट होती है।

17. EMF कैसे मापा जाता है?

उच्च प्रतिरोध वाला वोल्टमीटर

खुले परिपथ में सेल के सिरों पर बहुत उच्च प्रतिरोध वाला वोल्टमीटर लगाने पर बहुत कम धारा बहती है। इसलिए मापा गया प्रान्तीय विभव (Terminal Voltage) EMF के बहुत निकट होता है।

पोटेंशियोमीटर (Potentiometer)

EMF की अधिक सटीक तुलना या मापन के लिए पोटेंशियोमीटर का उपयोग किया जा सकता है। संतुलन अवस्था में यह स्रोत से लगभग कोई धारा नहीं लेता।

विद्यालय स्तर पर खुले परिपथ में उच्च प्रतिरोध वाले वोल्टमीटर की पाठ को EMF का निकट मान माना जा सकता है।

18. हल किया गया उदाहरण 1: EMF ज्ञात करना

प्रश्न: एक सेल 4 C आवेश को परिपथ में चलाने के लिए 8 J ऊर्जा देता है। सेल का EMF कितना है?

उत्तर: 2 V

19. हल किया गया उदाहरण 2: ऊर्जा ज्ञात करना

प्रश्न: 12 V बैटरी 5 C आवेश को परिपथ से चलाने में कितनी ऊर्जा देती है?

उत्तर: 60 J

20. हल किया गया उदाहरण 3: टर्मिनल वोल्टेज

प्रश्न: एक सेल का EMF 1.5 V, आंतरिक प्रतिरोध 0.2 Ω और धारा 0.5 A है। टर्मिनल वोल्टेज कितना होगा?

धारा देने वाले सेल के लिए,

उत्तर: 1.4 V

21. हल किया गया उदाहरण 4: आंतरिक प्रतिरोध

प्रश्न: किसी सेल का EMF 2.0 V है। 0.5 A धारा बहने पर टर्मिनल वोल्टेज 1.8 V है। आंतरिक प्रतिरोध ज्ञात करें।

अतः,

उत्तर: 0.4 Ω

22. हल किया गया उदाहरण 5: खुला परिपथ

प्रश्न: किसी सेल का EMF 3 V और आंतरिक प्रतिरोध 0.5 Ω है। परिपथ खुला होने पर टर्मिनल वोल्टेज कितना होगा?

खुले परिपथ में,

अतः,

उत्तर: 3 V

23. दैनिक जीवन में EMF के उदाहरण

शुष्क सेल (Dry Cell)

सामान्य dry cell का नाममात्र EMF लगभग 1.5 V होता है।

पुनः चार्ज होने वाला सेल (Rechargeable Cell)

कई NiMH rechargeable cell का नाममात्र विभव लगभग 1.2 V होता है।

9 V बैटरी

छोटे इलेक्ट्रॉनिक परिपथ में परिचित आयताकार 9 V बैटरी का उपयोग होता है।

वाहन बैटरी

कई छोटे वाहनों की विद्युत व्यवस्था में 12 V बैटरी प्रणाली उपयोग किया जाता है।

बैटरी पर लिखा मान सामान्यतः नाममात्र मान होता है। वास्तविक प्रान्तीय विभव (Terminal Voltage) चार्ज की अवस्था, धारा और आंतरिक प्रतिरोध के कारण बदल सकता है।

24. सामान्य गलत धारणाएँ

गलती 1: EMF एक वास्तविक बल है

नहीं। EMF कोई यांत्रिक बल नहीं है। यह प्रति इकाई आवेश ऊर्जा का माप है।

गलती 2: EMF की इकाई न्यूटन है

नहीं। EMF की इकाई वोल्ट (V) है।

गलती 3: EMF और विद्युत धारा एक ही हैं

नहीं। EMF प्रति इकाई आवेश दी गई ऊर्जा बताता है, जबकि विद्युत धारा प्रति इकाई समय में बहने वाले आवेश की मात्रा है।

गलती 4: EMF हमेशा टर्मिनल वोल्टेज से अधिक है

नहीं। धारा देने वाले वास्तविक सेल में सामान्यतः EMF अधिक होता है, खुले परिपथ में दोनों लगभग बराबर होते हैं और चार्ज करने की अवस्था के समय प्रान्तीय विभव (Terminal Voltage) अधिक हो सकता है।

गलती 5: बैटरी इलेक्ट्रॉन बनाती है

नहीं। बैटरी नए इलेक्ट्रॉन नहीं बनाती। वह रासायनिक ऊर्जा का उपयोग करके आवेश-विभाजन और विभवांतर बनाए रखती है।

गलती 6: खुले परिपथ में EMF शून्य होता है

नहीं। खुले परिपथ में धारा शून्य होने पर भी सेल का EMF हो सकता है।

गलती 7: आंतरिक प्रतिरोध का अर्थ बाहरी तार का प्रतिरोध है

नहीं। आंतरिक प्रतिरोध सेल या बैटरी के भीतर का प्रतिरोध है।

25. परीक्षा के लिए महत्वपूर्ण सूत्र