ओम का नियम समझें: विभवांतर, धारा और LED प्रतिरोधक

हर परिपथ का वर्णन करने वाली तीन राशियाँ

किसी चालक में बहने वाले विद्युत आवेश को धारा कहते हैं। उसे चलाने के लिए कुछ चाहिए, और वह है विभवांतर। रास्ते में कुछ रुकावट भी आती है—इसे प्रतिरोध कहते हैं।

• विभवांतर (V), जिसे वोल्ट में मापा जाता है, किसी विद्युत कोश जैसे स्रोत से गुजरते समय आवेश की हर इकाई को मिलने वाली ऊर्जा है। यह धक्का देने जैसा है।
• धारा (I), जिसे ऐम्पियर (amps) में मापा जाता है, बताती है कि हर सेकंड किसी बिंदु से कितना आवेश गुज़रता है। यह प्रवाह है।
• प्रतिरोध (R), जिसे ओम (Ω) में मापा जाता है, बताता है कि कोई हिस्सा उस प्रवाह का कितनी मजबूती से विरोध करता है।

शुरुआत में पानी की उपमा मददगार होती है: विभवांतर दाब जैसा है, धारा पाइप में प्रवाह की दर जैसी है, और प्रतिरोध पाइप के सँकरे हिस्से जैसा है। हर उपमा की सीमाएँ होती हैं, लेकिन इससे यह समझने में मदद मिलती है कि ये तीनों एक-दूसरे पर कैसे निर्भर करते हैं।

सुरक्षा के दायरे की एक बात: यहाँ सब कुछ कम-विभवांतर, विद्युत कोश के आकार वाले परिपथों के बारे में है। घरों की मुख्य बिजली खतरनाक होती है और उसके साथ प्रयोग नहीं करना चाहिए, इसलिए यह गाइड और लैब उस विषय पर नहीं जाते।

ओम का नियम: एक समीकरण, तीन उत्तर

कई सामान्य प्रतिरोधकों में, उनके सिरों के बीच विभवांतर को दोगुना करने पर उनमें बहने वाली धारा भी दोगुनी हो जाती है। यह सीधी-रेखा वाला संबंध ओम का नियम है:

V = I × R

इसे दूसरे रूप में लिखने पर यह तीन अलग-अलग सवालों के जवाब देता है:

• विभवांतर चाहिए? V = I × R
• धारा चाहिए? I = V / R
• प्रतिरोध चाहिए? R = V / I

एक छोटा उदाहरण: 450 Ω के प्रतिरोधक के सिरों पर 9 V की विद्युत कोश लगाने पर I = 9 / 450 = 0.02 A मिलता है, यानी 20 milliamps। इन तीन संख्याओं में से किसी एक को बदलने पर बाकी संख्याएँ भी उसी के अनुसार बदलती हैं।

ओम का नियम लगभग स्थिर परिस्थितियों में एक खास तरह के घटक पर लागू होता है, जिसे ओमीय प्रतिरोधक कहते हैं। कुछ घटक इस नियम का पालन नहीं करते, और उनमें से एक LED है, जिसके बारे में हम थोड़ी देर में जानेंगे।

संख्याएँ पढ़ना: milliamps, kilohms और रंगीन पट्टियाँ

वास्तविक सर्किट में उपसर्गों का लगातार इस्तेमाल होता है। 1 mA एक ऐम्पियर का हज़ारवाँ हिस्सा है। 1 kΩ एक हज़ार ओम के बराबर है। V = I × R का इस्तेमाल करते समय इकाइयों को मिलाना सबसे आम गलती है, इसलिए पहले रूपांतरण करो: 20 mA को भाग देने से पहले 0.02 A में बदलो।

छोटे रेज़िस्टरों पर छपे हुए अंकों की जगह रंगी हुई पट्टियों की एक पंक्ति होती है। आम चार-पट्टी वाले प्रकार में, पहली दो पट्टियाँ अंक बताती हैं, तीसरी गुणक होती है और चौथी सहनशीलता बताती है, यानी असली मान कितना बदल सकता है। उदाहरण के लिए, भूरा, काला, लाल पढ़ने पर 1, 0, फिर ×100 मिलता है, जो 1 kΩ के बराबर है।

तुम्हें पहले ही दिन पूरा कोड याद करने की ज़रूरत नहीं है। प्रयोगशाला में कुछ रेज़िस्टरों को तब तक पढ़ना, जब तक यह पैटर्न समझ में न आ जाए, किसी तालिका से सीखने से बेहतर है।

LED को सीधे विद्युत कोश से क्यों नहीं जोड़ा जा सकता

एक सामान्य प्रतिरोधक में विभवांतर बढ़ने पर धारा धीरे-धीरे बढ़ती है। LED (प्रकाश उत्सर्जक डायोड) ऐसा नहीं करता। एक निश्चित विभवांतर से कम पर, जिसे अग्र-विभवांतर कहते हैं, इसमें लगभग कोई धारा नहीं बहती। उस विभवांतर से थोड़ा ऊपर जाते ही, ज़रा-से अतिरिक्त बढ़ाव पर धारा बहुत तेज़ी से बढ़ती है।

इसलिए विद्युत कोश से सीधे जोड़ा गया LED जोखिम भरा होता है: विद्युत कोश धारा भेजता रहता है, धारा LED की क्षमता से बहुत अधिक बढ़ जाती है और LED लगभग तुरंत खराब हो सकता है। LED में अपने-आप यह बताने का कोई तरीका नहीं होता कि "बस, अब काफ़ी है"।

इसका उपाय है श्रेणीक्रम में धारा-सीमित करने वाला प्रतिरोधक जोड़ना। दोनों घटकों में वही धारा बहनी होती है, इसलिए प्रतिरोधक वह विभवांतर ले लेता है जिसकी LED को ज़रूरत नहीं होती और Ohm के नियम के ज़रिए धारा को सीमित कर देता है।

प्रतिरोधक चुनना: एक हल किया हुआ उदाहरण

मान लीजिए कि एक लाल LED का अग्र-विभवांतर लगभग 2 V है और तुम चाहते हो कि उसमें लगभग 15 mA धारा बहे। इसे 5 V की विद्युत आपूर्ति से चलाया जा रहा है।

1. प्रतिरोधक के लिए बचा हुआ विभवांतर निकालें: 5 V − 2 V = 3 V।
2. इसे अपनी इच्छित धारा से भाग दें: R = 3 / 0.015 = 200 Ω।
3. निकटतम मानक मान चुनें जो इससे छोटा न हो, जैसे 220 Ω। धारा थोड़ी कम हो जाएगी और LED थोड़ा कम चमकेगा, जो सुरक्षा की दृष्टि से बेहतर है।

हम यह भी पूछ सकते हैं कि प्रतिरोधक कितनी शक्ति संभालेगा। शक्ति P = V × I होती है, इसलिए 3 V × 0.015 A = 0.045 W, जो एक छोटे प्रतिरोधक की रेटिंग के भीतर आराम से है।

LED के अग्र-विभवांतर और अनुशंसित धारा के लिए हमेशा उसके अपने डेटा की जाँच करें; ऊपर दिए गए आँकड़े सामान्य हैं, हर LED के लिए एक जैसे नहीं।

इन गलतियों से बचें

• इकाइयों को बदलना भूल जाना। भाग देने से पहले मिलीऐम्पियर और किलोओम को ऐम्पियर और ओम में बदलना ज़रूरी है।
• प्रतिरोधक को समानांतर में लगाना। धारा की सीमा काम करे, इसके लिए प्रतिरोधक LED के साथ उसी लूप में श्रेणीक्रम में होना चाहिए।
• LED को उलटा जोड़ना। LED केवल एक दिशा में धारा प्रवाहित करती है। अगर वह जलती नहीं है, तो गणित को दोष देने से पहले उसे उलटकर लगाकर देखें।
• ओम के नियम को हर जगह लागू समझना। यह प्रतिरोधकों पर लागू होता है, सर्किट के हर हिस्से पर नहीं।
• यह सोचना कि "कम प्रतिरोध ज़्यादा सुरक्षित है।" LED के मामले में इसका उलटा सही है: छोटा प्रतिरोधक ज़्यादा धारा को बहने देता है।

इसे लैब में कैसे आज़माएँ

इलेक्ट्रॉनिक्स और Arduino लैब में तुम बिना हार्डवेयर के ये सर्किट बना और माप सकते हो। मुफ़्त पहले वर्ल्ड में आगे बढ़ने का एक अच्छा क्रम यह है:

1. तीनों बातों को अलग-अलग समझने के लिए विभवांतर, धारा, प्रतिरोध से शुरू करो।
2. ओम के नियम का अभ्यास में समीकरण जांचो, फिर ओम के नियम को नए रूप में लिखना में उसे तीन तरीकों से लिखने का अभ्यास करो।
3. LED में देखो कि LED कैसे काम करती है।
4. धारा-सीमित करने वाले प्रतिरोधक से उसे सुरक्षित रखो।
5. आखिर में शक्ति और वाट देखो, ताकि समझ सको कि प्रतिरोधक कितनी ऊष्मा संभालता है।

यह लैब आदर्श पुर्ज़ों पर आधारित सीखने का एक सरल मॉडल है, इसलिए असली पुर्ज़ों में छोटी-मोटी बातें अलग हो सकती हैं। अपने प्रयोगों के लिए कम-विभवांतर वाली बैटरियों और USB-स्तर की बिजली आपूर्ति का ही इस्तेमाल करो।