জুলের তাপীয় ক্রিয়া

জুলের তাপীয় ক্রিয়া, যেটি রোধীয়, রোধ, বা ওহমীয় উত্তাপন নামেও পরিচিত, সেটি এমন একটি প্রক্রিয়া যেখানে তড়িৎ প্রবাহ একটি পরিবাহীর মধ্যে দিয়ে গেলে তাপ উৎপন্ন হয়।

একটি বৈদ্যুতিক টোস্টারের কুণ্ডলীকৃত উত্তাপন উপাদান, লাল থেকে হলুদ তাপদীপ্তি দেখা যাচ্ছে

জুলের প্রথম সূত্র, যেটি জুল-লেঞ্জ আইন নামেও পরিচিত, সেখানে বলা হয়েছে যে তড়িৎ পরিবাহী দ্বারা উৎপাদিত উত্তাপনের ক্ষমতা তার রোধ এবং তড়িৎ প্রবাহের বর্গের গুণফলের সমানুপাতিক:

$P\propto I^{2}R$

জুল উত্তাপন পুরো তড়িৎ পরিবাহীকে প্রভাবিত করে, অন্যদিকে সিবেক ক্রিয়ায় তাপ একটি বৈদ্যুতিক সংযোগ থেকে অন্যটিতে স্থানান্তরিত হয়।

ইতিহাস

১৮৪০ সালের ডিসেম্বর মাসে, জেমস প্রেসকট জুল, রয়্যাল সোসাইটির কার্যক্রমের একটি সারাংশে প্রথম একটি লেখা প্রকাশ করেন, তিনি ইঙ্গিত দেন যে, তড়িৎ পরিবহনের সাহায্যে তাপ উৎপন্ন হতে পারে। জুল নির্দিষ্ট ভরের জলের মধ্যে একটি নির্দিষ্ট দৈর্ঘের তার নিমজ্জন করেছিলেন এবং ৩০ মিনিট ধরে তারের মধ্য দিয়ে জ্ঞাত তড়িৎ প্রবাহের কারণে তাপমাত্রা বৃদ্ধির পরিমাপ করেছিলেন। তড়িৎ প্রবাহ এবং তারের দৈর্ঘ্যের পরিবর্তন করে ও তার ফলাফল দেখে তিনি সিদ্ধান্তে আসেন যে উৎপাদিত উত্তাপ নিমজ্জিত তারের রোধের এবং প্রবাহিত তড়িতের বর্গের গুণফলের সমানুপাতিক।

১৮৪১ এবং ১৮৪২ সালে, পরবর্তী পরীক্ষাগুলিতে দেখা গিয়েছিল যে উৎপন্ন তাপের পরিমাণ ভোল্টীয় স্তূপে ব্যবহৃত রাসায়নিক শক্তির সমানুপাতিক। এই পরীক্ষা থেকেই মাপন নিয়ামকটি সৃষ্টি হয়। এর পরেই জুল তাপের যান্ত্রিক তত্ত্বের (যা অনুসারে তাপ হল শক্তির একটি অন্য রূপ) সপক্ষে ক্যালোরি তত্ত্বটি (সেই সময়ে প্রভাবশালী তত্ত্ব ছিল) প্রত্যাখ্যান করেছিলেন।

হেনরিখ লেঞ্জ ১৮৪২ সালে রোধীয় উত্তাপন স্বাধীনভাবে অধ্যয়ন করেছিলেন।

পরবর্তীকালে শক্তির এসআই এককের নামকরণ করা হয়েছিল জুল এবং প্রতীক দেওয়া হল J। ক্ষমতার সাধারণ জ্ঞাত একক, ওয়াট হল প্রতি সেকেন্ডে এক জুলের সমান।

আণুবীক্ষণিক বিবরণ

আরও দেখুন: বৈদ্যুতিক রোধকতা এবং পরিবাহিতা, তাড়ন বেগ ও ড্রুড মডেল

আধান বাহী (সাধারণত ইলেকট্রন) এবং তড়িৎ পরিবাহীর (সাধারণত পারমাণবিক আয়ন) মধ্যে ক্রিয়ার কারণে জুল উত্তাপন হয়।

পরিবাহীর দুটি বিন্দুর মধ্যে একটি বিভব পার্থক্য একটি তড়িৎ ক্ষেত্র তৈরি করে। এই তড়িৎ ক্ষেত্রের অভিমুখে আধান বাহীগুলি ত্বরান্বিত হয়। এর ফলে তারা গতিশক্তি অর্জন করে। যখন আধান বাহীগুলির সাথে পরিবাহীর আয়নগুলির সংঘর্ষ হয়, কণাগুলি তখন বিক্ষিপ্ত হয়ে যায়; তাদের গতির অভিমুখ তড়িৎ ক্ষেত্রের দিকে না হয়ে লক্ষ্যহীন হয়ে যায়, এর ফলে তাপীয় গতি উৎপন্ন হয়। সুতরাং, তড়িৎ ক্ষেত্রের শক্তি তাপীয় শক্তি তে রূপান্তরিত হয়।

শক্তির অপচয় এবং অবাঞ্ছিত ধ্বনি

ও‍’মের সূত্রের সাথে সম্পর্কের কারণে জুল উত্তাপনকে ওহমীয় উত্তাপন বা রোধীয় উত্তাপন বলা হয়। এটি বৈদ্যুতিক উত্তাপনের সঙ্গে জড়িত বিপুল সংখ্যক ব্যবহারিক প্রয়োগের মূল নীতি। যাইহোক, যেখানে উত্তাপন তড়িৎ ব্যবহারের একটি অযাচিত উপজাতক সেই প্রয়োগগুলিতে (যেমন, ট্রান্সফর্মারে অবাঞ্ছিত উত্তাপন) শক্তির ভিন্নমুখিতাকে রোধীয় অপচয় হিসাবে চিহ্নিত করা হয়। বিশেষভাবে অল্প প্রবাহের ক্ষেত্রে, বিদ্যুৎশক্তি সঞ্চালন প্রণালীতে উচ্চ ভোল্টেজের ব্যবহারে এ জাতীয় ক্ষতি হ্রাস করার জন্য, তার সংযোগ ব্যবস্থায় যথাযথভাবে নকশা করা হয়েছে। যুক্তরাজ্যের বাড়িতে ব্যবহৃত রিং সার্কিট, বা প্রধান রিং, আরেকটি উদাহরণ, যেখানে অল্প প্রবাহে (সমান্তরালে দুটি সংযোগ ব্যবহার করে, প্রতি তারে) বিদ্যুৎ সরবরাহ করা হয়, এইভাবে তারের মধ্যে জুল উত্তাপন কম করা হয়। জুল উত্তাপন অতিপরিবাহী উপকরণগুলিতে ঘটে না, কারণ এই সামগ্রীগুলি অতিপরিবাহী অবস্থায় শূন্য রোধ সম্পন্ন।

রোধ অবাঞ্ছিত বৈদ্যুতিক শব্দ তৈরি করে, যাকে জনসন নিকিস্ট শব্দ বলা হয়। জনসন নিকিস্ট শব্দ এবং জুল উত্তাপনের মধ্যে একটি ঘনিষ্ঠ সম্পর্ক রয়েছে, যেটি অস্থিরতা-অপচয় উপপাদ্য দ্বারা ব্যাখ্যা করা হয়েছে।

সূত্র সমূহ

একমুখী তড়িৎপ্রবাহ

জুল উত্তাপনের সর্বাধিক মৌলিক সূত্র হল সামান্য শক্তি সমীকরণ:

$P=I(V_{A}-V_{B})$

যেখানে

• $P$ হল ক্ষমতা (একক সময়ে শক্তি) বৈদ্যুতিক শক্তি থেকে তাপ শক্তিতে রূপান্তরিত,
• $I$ হল রোধ বা অন্যান্য উপাদানের মধ্য দিয়ে তড়িৎ প্রবাহ,
• $V_{A}-V_{B}$ উপাদানটি জুড়ে বিভব পতন।

এই ($P=IV$) সূত্রের ব্যাখ্যা হল:

(একক সময়ে শক্তির অপচয়) = (একক সময়ে রোধের মধ্যে দিয়ে প্রবাহিত আধান) × (রোধের মধ্যে দিয়ে প্রবাহিত প্রতি আধান পিছু শক্তির অপচয়)

যদি ধরে নেওয়া যায় উপাদানটি একটি নিখুঁত রোধ হিসাবে আচরণ করে এবং শক্তি সম্পূর্ণরূপে উত্তাপে রূপান্তরিত হয়, সূত্রটিতে ও‍’মের সূত্র $V=I\cdot R$, প্রতিস্থাপনের মাধ্যমে ক্ষমতা সমীকরণকে সাধারণীকরণ করে পুনরায় লেখা যেতে পারে:

$P=IV=I^{2}R=V^{2}/R$

যেখানে R হল রোধ।

পর্যায়ক্রমিক তড়িৎ প্রবাহ

মূল নিবন্ধ: এসি ক্ষমতা

যখন তড়িৎ পর্যায়ক্রমে পরিবর্তিত হয়, এসি বর্তনীতে যেমন হয়,

$P(t)=U(t)I(t)$

যেখানে t হল সময় এবং P হল তাৎক্ষণিক শক্তি যেটি বৈদ্যুতিক শক্তি থেকে উত্তাপে রূপান্তরিত হয়েছে। তবে অধিকাংশ সময়েই তাৎক্ষণিক শক্তির চেয়ে গড় শক্তির ব্যবহার বেশি হয়:

$P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}=I_{\text{rms}}^{2}R=U_{\text{rms}}^{2}/R$

যেখানে "avg" বোঝায় এক বা একাধিক চক্রে গড় (মধ্য), এবং "rms" বোঝায় বর্গমূল - মধ্য - বর্গ।

এই সূত্রগুলি শূন্য বিক্রিয়া যুক্ত একটি আদর্শ রোধের জন্য বৈধ। যদি বিক্রিয়াটি শূন্য না হয় তবে সংশোধিত সূত্রগুলি হবে:

$P_{\rm {avg}}=U_{\text{rms}}I_{\text{rms}}\cos \phi =I_{\text{rms}}^{2}\operatorname {Re} (Z)=U_{\text{rms}}^{2}\operatorname {Re} (Y^{*})$

যেখানে $\phi$ হল তড়িৎ এবং বিভবের মধ্যে পর্যায়ের পার্থক্য, $\operatorname {Re}$ অর্থ বাস্তব অংশ, Z হল জটিল সামগ্রিক প্রতিরোধ, এবং Y* হল গ্রাহকত্বের অনুবন্ধী জটিল (1/Z* এর সমান)।

অবকলন আকার

জুল উত্তাপন শূন্যস্থানের একটি নির্দিষ্ট অবস্থানেও গণনা করা যেতে পারে। জুল উত্তাপন সমীকরণের অবকলন আকার থেকে একক আয়তনে শক্তি পাওয়া যায়।

$\mathrm {d} P/\mathrm {d} V=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E}$

এখানে, $\mathbf {J}$ হল তড়িৎ ঘনত্ব, এবং $\mathbf {E}$ হল তড়িৎ ক্ষেত্র। পরিবাহিতা যুক্ত একটি উপাদানে $\sigma$, $\mathbf {J} =\sigma \mathbf {E}$ এবং তাই

$\mathrm {d} P/\mathrm {d} V=\mathbf {J} \cdot \mathbf {E} =\mathbf {J} \cdot \mathbf {J} \rho =J^{2}/\sigma$

যেখানে $\rho =1/\sigma$ হল বিদ্যুৎ চালকতা। এটি সরাসরি ম্যাক্রোস্কোপিক (বড় ক্ষেত্রে) আকারে "$I^{2}R$" পরিভাষার সদৃশ।

বহুরকম কম্পাঙ্কযুক্ত তড়িতের ক্ষেত্রে, যেখানে ক্ষেত্রের সমস্ত রাশি কৌণিক কম্পাঙ্ক $\omega$ এর সাথে পরিবর্তিত হয়, যেমনটি হয় জটিল মানের ফেজর $e^{-\mathrm {i} \omega t}$তে, ${\hat {\mathbf {J} }}$ এবং ${\hat {\mathbf {E} }}$ যথাক্রমে তড়িৎ ঘনত্ব এবং বৈদ্যুতিক ক্ষেত্রের তীব্রতার জন্য সাধারণত ব্যবহার হয়। তখন জুল উত্তাপন

$\mathrm {d} P/\mathrm {d} V={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {E} }}^{*}={\frac {1}{2}}{\hat {\mathbf {J} }}\cdot {\hat {\mathbf {J} }}^{*}\rho ={\frac {1}{2}}J^{2}/\sigma$,

যেখানে $\bullet ^{*}$ বোঝায় অনুবন্ধী জটিল।

আরো দেখুন

• টাংস্টেন