स्थिर्वैद्युत विभव तथा धारिता

Electrostatic Potential and Capacitance

स्थिर्वैद्युत विभव और धारिता का वर्णन से पूर्व, उस सिद्धांतिक घटनाक्रम का परीक्षण कर लेना आवश्यक है, जिसमें दो विद्युतीय आवेश, अपनी अचल स्तिथि से चल अवस्था में आने पर अपने समीप के स्थान पर ऊर्जा विनिमय करते हैं। इस साधारण से घटना क्रम को ऊर्जा विनमे की दृष्टि से देखने पर यह स्थापित कीया जा सकता है की इस घटनाक्रम में उपस्थित तीनों चर राशि (दो आवेश बिन्दु और वह स्थान जहाँ ऊर्जा विनिमय का घटना क्रम हो रहा है) में स्थितिज ऊर्जा ,गतिज ऊर्जा व कुछ मात्रा की स्थानीय ऊर्जा का समावेश,इस व्यवस्था की कुल ऊर्जा को संतुलित करता है।

ऐसे में आवेशों का धनात्मक एवं ऋणात्मक मूल्यों की चल अवस्था एवं ऊर्जा विनिमय में भाग लेने की व्यवस्थात्मक अध्ययन महत्वपूर्ण हो जाता है व इस सैद्धांतिक विषय से जुड़े अन्य घटनाक्रमों की जानकारी देता है ।

स्थिर्वैद्युत विभव

File:VFPt metal balls largesmall potential+contour.svg

विपरीत विद्युत क्षमता पर एक बड़े और एक छोटे संचालन क्षेत्र के चारों ओर विद्युत क्षेत्र। दो क्षेत्रों के अंदर आवेशों की अनंत श्रृंखला के साथ छवि आवेशों की विधि का उपयोग करके क्षेत्र रेखाओं के आकार की सटीक गणना की जाती है। फ़ील्ड रेखाएँ हमेशा प्रत्येक गोले की सतह पर ओर्थोगोनल होती हैं। वास्तव में, क्षेत्र प्रत्येक गोले की सतह पर निरंतर चार्ज वितरण द्वारा बनाया जाता है, जो छोटे प्लस और माइनस संकेतों द्वारा दर्शाया जाता है। विद्युत क्षमता को 0V पर पीले रंग के साथ समविभव रेखाओं के साथ पृष्ठभूमि रंग के रूप में दर्शाया गया है।

एक धनात्मक विद्युत आवेश और एक ऋणात्मक विद्युत आवेश को एक-दूसरे के समीप लाए जाने पर, वे एक-दूसरे पर आकर्षण बल लगाने लगते हैं यदि दोनों बिदु एक समान आवेश के धारक हैं,तब दोनों बिंदुओं पर प्रतिकर्षण बल कार्य करने लगता है।

किसी मुक्ताकाश में एकल आवेश

किसी आवेश (चार्ज) के चारों ओर एक विशिष्ट बिंदु पर स्थिर्वैद्युत विभव,यह इंगित करता है की यदि उस बिंदु पर एक सकारात्मक परीक्षण आवेश रखा जाए तो उसका "ऊर्जा-विभव " कितना होगा । यह ये जानने जैसा है कि अगर किसी गेंद को गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र में अलग-अलग ऊंचाई पर रखा जाता है तो उसमें कितनी ऊर्जा होगी।

किसी मुक्ताकाश में दो आवेश

दो आवेशों की स्थिति के कारण उनकी "विभव ऊर्जा" में आए बदलाव का वर्णन करने के लीए, स्थिर्वैद्युत विभव को "संग्रहीत ऊर्जा-स्त्रोत" के रूप में चित्रित कीया जा सकता है। इस चित्रण में दोनों प्रकार के आवेशों के बीच परस्पर बलीय अथवा प्रतिबलीय कारकों ,का समावेश ऊर्जा स्थानांतरण की दशा निर्धारित कर रहा होता है।

समान चलायमान आवेश

यदि दो धनात्मक आवेश या दो ऋणात्मक आवेश एक-दूसरे के निकट हों, तो उनकी स्थिरवैद्युत क्षमता अधिक होगी क्योंकि वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं। यदि विपरीत आवेश निकट हों तो उनकी क्षमता कम होगी क्योंकि वे एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।

आवेशित कणों के बीच आकर्षक और प्रतिकारक अंतःक्रिया के संदर्भ में

आकर्षक अंतःक्रिया (विपरीत रूप से आवेशित कण)

जब दो विपरीत आवेशित कण अपने आकर्षण के कारण एक साथ करीब आते हैं, तो वे करीब आने पर संभावित ऊर्जा छोड़ते हैं। जैसे-जैसे वे एक-दूसरे की ओर बढ़ते हैं, प्रायः यह ऊर्जा, गतिज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाती है। यदि वे टकराते हैं, तो यह गतिज ऊर्जा अंतःक्रिया की विशिष्टताओं के आधार पर ऊर्जा के अन्य रूपों (जैसे ऊष्मा या विद्युत चुम्बकीय विकिरण) में परिवर्तित हो सकती है।

प्रतिकारक अंतःक्रिया (समान रूप से आवेशित कण):

जब दो समान रूप से आवेशित कण एक-दूसरे के समीप ते हैं, तो उनके बीच एक प्रतिकारक बल उत्पन्न होता है। उन्हें एक साथ लाने के लिए इस प्रतिकारक शक्ति के विरुद्ध कार्य करने की आवश्यक है। जैसे ही कण अलग होते हैं, यह कार्य निवेश प्रणाली (इनपुट सिस्टम) में संग्रहीत स्थितःज ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है। ऊर्जा विनिमय के संदर्भ में, यदि इन कणों को उनके प्रतिकर्षण के विरुद्ध एक-दूसरे की ओर आने के लीए विवश किया जाता है (उदाहरण के लिए, किसी बाहरी बल द्वारा या विशिष्ट परिस्थितियों में), तब यदि उन्हें फिर से विलग होने की अनुमति मिल जाती है,तो इस प्रणाली में संग्रहीत स्थितःज ऊर्जा को गतिज ऊर्जा के रूप में अवमुक्त किया जा सकता है।

धारिता

File:Capacitor schematic with dielectric.svg

अचलक अन्तरक (डाइइलेक्ट्रिक स्पेसर) के साथ समानांतर पट्टिका वाले संधारित्र का एक योजनाबद्ध चित्रण

धारिता (धारिता) किसी एक उपकरण जिसे संधारित्र (संधारित्र) कहा जाता है,का वह गुण है,जिसे विद्युत आवेशों को संग्रहीत करने के लिए अभिकल्पित (डिज़ाइन) किया गया हो।

जैसा की ऊपर दीये गए स्थिर्वैद्युत विभव के विषय में कहा जा चुका है,एक संधारित्र को, एक विद्युत परिपथ में "आवेश संचयन की टंकी (चार्ज स्टोरेज टैंक)" के रूप मे सोचा जा सकता है। इस निरूपण में यह आवश्यकतानुसार विद्युत आवेशों को पकड़ और छोड़ सकता है।

एक संधारित्र दो प्रवाहकीय पटटिका से बना होता है, जो अचालक (आंग्ल भाषा में dielectric) नामक एक इन्सुलेट सामग्री से अलग होते हैं।

संधारित में स्थिर्वैद्युत विभव का बढ़ाव

जब किसी संधारित्र को किसी ऊर्जा स्रोत (बैटरी की तरह) से जोड़ा जात है, तो यह एक पटटिका पर सकारात्मक आवेश और दूसरी पटटिका पर नकारात्मक आवेश के जमाव करके आवेशित हो जाता है। पटटिकाएँ विपरीत आवेशों की परत दर परत की तरह बन जाती हैं, जो एक दूसरे को आकर्षित-अथव करने के लिए तैयार होती हैं।

धारिता इस बात का माप है कि एक संधारित्र पटटिकाओं के मध्य दिए गए वोल्टता अंतर (वोल्टेज) के लिए कितना आवेश जमा कर सकता है। यह माप आवेश संग्रहीत करने के लिए, उस एक संधारित्र की "क्षमता" बताता है,जिसको की किसी ऐसे सर्किट परिपथ पर लगाया गया है जिसमें एक ऊर्जा स्रोत भी निहित है ।

धारिता जितनी अधिक होगी , संधारित्र किसी दिए गए वोल्टेज के लिए उतना अधिक आवेश रख सकेगा,जैसे एक बड़ा टैंक अधिक पानी रख सकता है।

संधारित्र के विभिन्न अनुप्रयोग होते हैं, जिनमें इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में विद्युत संकेतों को सुचारू करने से लेकर कैमरा फ्लैश, पावर फैक्टर सुधार और कई अन्य विद्युत प्रणालियों में उपयोग किया जाता है।

संक्षेप में

स्थिर्वैद्युत विभव उनकी स्थिति के कारण आवेशों की "संभावित ऊर्जा" से संबंधित है, जबकि धारिता संधारित्र की एक संपत्ति है, जो विद्युत आवेशों को संग्रहीत करने के लिए अभिकल्पित किए गए उपकरण हैं। इन अवधारणाओं को समझने से विद्युत आवेशों के व्यवहार और विद्युत प्रणालियों और सर्किट-परिपथों में उनकी अंतःक्रियाओं को समझाने और विश्लेषण करने में सुविधा मिलती है।