1840 में, एक ब्रिटिश वैज्ञानिक जेम्स प्रेस्कॉट जूल ने पाया कि किसी विद्युत परिपथ में उत्पन्न ऊष्मा सीधे उस परिपथ के विद्युत प्रतिरोध से संबंधित होती है। इस खोज को जूल का नियम या जूल का ऊष्मीय नियम कहा जाता है। जूल ने यह भी सुझाव दिया कि ऊष्मा एक प्रकार की ऊर्जा है, चाहे ऊष्मा उत्पन्न करने के लिए कोई भी पदार्थ प्रयोग में लिया गया हो।

यह लेख जूल के ऊष्मीय नियम, इसके विभिन्न उपयोगों और कुछ उदाहरणों की व्याख्या करेगा।

जूल का ऊष्मीय नियम

जूल का नियम विद्युत परिपथ में उत्पन्न ऊष्मा और विद्युत ऊर्जा के बीच संबंध को वर्णित करता है।

जूल का नियम

किसी चालक में उत्पन्न ऊष्मा सीधे उसमें प्रवाहित धारा के वर्ग, चालक के प्रतिरोध और धारा प्रवाह की अवधि से संबंधित होती है।

जूल के नियम का गणितीय रूप इस प्रकार है:

$$H=I^2Rt$$ जहाँ:

• H = चालक द्वारा उत्पन्न ऊष्मा
• I = चालक से प्रवाहित विद्युत धारा
• R = विद्युत प्रतिरोध
• t = समय

जूल के ऊष्मीय नियम की व्युत्पत्ति

किसी विद्युत परिपथ में किया गया कार्य इस प्रकार दिया गया है:

$$W = Q \times V$$

जहाँ:

• Q = It
• V = IR (ओम के नियम से)

इन मानों को समीकरण में रखने पर, हमें प्राप्त होता है:

$$W = I \times t \times I \times R$$

सरल करने पर, हमें मिलता है:

$$W=I^2Rt$$

यह किया गया कार्य ऊष्मा ऊर्जा में परिवर्तित हो जाता है, इसलिए समीकरण बन जाता है:

$$H=I^2Rt$$ जूल

विद्युत शक्ति

विद्युत शक्ति वह दर है जिस पर विद्युत ऊर्जा किसी विद्युत परिपथ द्वारा स्थानांतरित होती है। शक्ति की SI इकाई वाट (W) है, जिसका नाम स्कॉटिश अभियंता जेम्स वाट के नाम पर रखा गया है। एक वाट एक जूल प्रति सेकंड (J/s) के बराबर होता है।

AC परिपथों में शक्ति

एक प्रत्यावर्ती धारा (AC) परिपथ में, शक्ति RMS वोल्टता और RMS धारा के गुणनफल के रूप में दी जाती है:

$$P = VI$$

जहाँ:

• P वाट में शक्ति है (W)
• V वोल्ट में RMS वोल्टता है (V)
• I एम्पियर में RMS धारा है (A)

RMS वोल्टता और धारा इस प्रकार परिभाषित की जाती हैं:

$$V_{RMS} = \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T v^2(t) dt}$$

$$I_{RMS} = \sqrt{\frac{1}{T} \int_0^T i^2(t) dt}$$

जहाँ:

• T AC तरंगरूप की अवधि सेकंड में है (s)
• v(t) वोल्ट में क्षणिक वोल्टता है (V)
• i(t) एम्पियर में क्षणिक धारा है (A)

पावर फैक्टर

पावर फैक्टर यह मापने का एक माप है कि विद्युत शक्ति कितनी दक्षता से उपयोग में ली जा रही है। इसे वास्तविक शक्ति (वह शक्ति जो वास्तव में कार्य कर रही है) और प्रकट शक्ति (RMS वोल्टता और RMS धारा का गुणनफल) के अनुपात के रूप में परिभाषित किया जाता है:

$$PF = \frac{P}{VI}$$

जहाँ:

• PF पावर फैक्टर है
• P वाट में वास्तविक शक्ति है (W)
• V वोल्ट में RMS वोल्टता है (V)
• I एम्पियर में RMS धारा है (A)

पावर फैक्टर 0 से 1 तक हो सकता है। 1 का पावर फैक्टर इंगित करता है कि सारी विद्युत शक्ति कार्य करने में लग रही है। 0 का पावर फैक्टर इंगित करता है कि कोई भी विद्युत शक्ति कार्य करने में नहीं लग रही है।

पावर गुणवत्ता

पावर गुणवत्ता एक माप है जो बताती है कि विद्युत शक्ति आदर्श साइनसॉइडल तरंग रूप से कितनी अच्छी तरह मेल खाती है। पावर गुणवत्ता समस्याओं में शामिल हो सकते हैं:

• वोल्टेज सैग और स्वेल्स
• वोल्टेज स्पाइक्स
• हार्मोनिक्स
• फ्लिकर

पावर गुणवत्ता समस्याएं विभिन्न प्रकार की समस्याएं पैदा कर सकती हैं, जिनमें शामिल हैं:

• उपकरण क्षति
• डेटा हानि
• प्रक्रिया में व्यवधान
• उत्पादकता में कमी

पावर गुणवत्ता में सुधार

पावर गुणवत्ता में सुधार के कई तरीके हैं, जिनमें शामिल हैं:

• वोल्टेज रेगुलेटरों का उपयोग
• सर्ज प्रोटेक्टरों का उपयोग
• हार्मोनिक फिल्टरों का उपयोग
• अनइंटरप्टिबल पावर सप्लाई (UPSs) का उपयोग

विद्युत शक्ति हमारे आधुनिक विश्व के लिए अत्यावश्यक है। इसका उपयोग हमारे घरों, व्यवसायों और उद्योगों को शक्ति प्रदान करने के लिए किया जाता है। विद्युत शक्ति और पावर गुणवत्ता को समझकर, हम यह सुनिश्चित कर सकते हैं कि हम इसे कुशलता और प्रभावी ढंग से उपयोग कर रहे हैं।

जूल के नियम पर हल किए गए उदाहरण

उदाहरण 1: 10 Ω के एक प्रतिरोधक से 2 A की धारा 5 सेकंड तक प्रवाहित होती है। जूल में उत्पन्न ऊष्मा की गणना कीजिए।

हल:

जूल के नियम का उपयोग करके, हम उत्पन्न ऊष्मा की गणना इस प्रकार कर सकते हैं:

$$H = I^2Rt$$

जहाँ:

• H जूल में उत्पन्न ऊष्मा है (J)
• I एम्पियर में धारा है (A)
• R ओम में प्रतिरोध है (Ω)
• t सेकंड में समय है (s)

दी गई मानों को सूत्र में रखने पर, हमें प्राप्त होता है:

$$H = (2 A)^2(10 Ω)(5 s) = 200 J$$

इसलिए, उत्पन्न ऊष्मा 200 जूल है।

उदाहरण 2: एक हीटिंग तत्व 220 V की पावर सप्लाई से जुड़ने पर 5 A की धारा खींचता है। 1 घंटे में उत्पन्न ऊष्मा की गणना कीजिए।

हल:

सबसे पहले, हमें ओम के नियम का उपयोग करके हीटिंग एलिमेंट का प्रतिरोध (रेज़िस्टेंस) निकालना होगा:

$$R = \frac{V}{I}$$

जहाँ:

• R प्रतिरोध है ओह्म (Ω) में
• V वोल्टेज है वोल्ट (V) में
• I करंट है एम्पियर (A) में

दिए गए मानों को सूत्र में रखने पर, हमें मिलता है:

$$R = \frac{220 V}{5 A} = 44 Ω$$

अब, हम जूल के नियम का उपयोग करके उत्पन्न हुई ऊष्मा की गणना कर सकते हैं:

$$H = I^2Rt$$

जहाँ:

• H उत्पन्न हुई ऊष्मा है जूल (J) में
• I करंट है एम्पियर (A) में
• R प्रतिरोध है ओह्म (Ω) में
• t समय है सेकंड (s) में

चूँकि हमें 1 घंटे में उत्पन्न हुई ऊष्मा ज्ञात करनी है, हमें 1 घंटे को सेकंड में बदलना होगा:

$$1 घंटा = 60 मिनट = 60 × 60 सेकंड = 3600 सेकंड$$

दिए गए मानों को सूत्र में रखने पर, हमें मिलता है:

$$H = (5 A)^2(44 Ω)(3600 s) = 3960000 J$$

इसलिए, 1 घंटे में उत्पन्न हुई ऊष्मा 3960000 जूल है।

उदाहरण 3: एक 100 W का बल्ब 5 घंटे तक उपयोग किया जाता है। किलोवाट-घंटे (kWh) में उत्पन्न हुई ऊष्मा की गणना करें।

हल:

सबसे पहले, हमें बल्ब की पावर रेटिंग को वाट (W) से किलोवाट (kW) में बदलना होगा:

$$100 W = 100 W × \frac{1 kW}{1000 W} = 0.1 kW$$

अब, हम निम्न सूत्र का उपयोग करके किलोवाट-घंटे (kWh) में उत्पन्न हुई ऊष्मा की गणना कर सकते हैं:

$$H = Pt$$

जहाँ:

• H उत्पन्न हुई ऊष्मा है किलोवाट-घंटे (kWh) में
• P पावर है किलोवाट (kW) में
• t समय है घंटे (h) में

दिए गए मानों को सूत्र में रखने पर, हमें मिलता है:

$$H = (0.1 kW)(5 h) = 0.5 kWh$$

इसलिए, 5 घंटे में उत्पन्न ऊष्मा 0.5 किलोवाट-घंटा है।

जूल का नियम – अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

1. जूल का नियम क्या है?

जूल का नियम कहता है कि किसी चालक द्वारा विसर्जित ऊर्जा उसमें प्रवाहित धारा के वर्ग, चालक के प्रतिरोध तथा धारा प्रवाहित होने के समय के समानुपाती होती है।

2. जूल के नियम का सूत्र क्या है?

जूल के नियम का सूत्र है:

$$ E = I^2 * R * t $$

जहाँ:

• E विसर्जित ऊर्जा है जूल (J) में
• I चालक से प्रवाहित धारा है ऐम्पियर (A) में
• R चालक का प्रतिरोध है ओम (Ω) में
• t वह समय है जिस तक धारा प्रवाहित होती है, सेकंड (s) में

3. जूल के नियम की इकाइयाँ क्या हैं?

जूल के नियम की इकाइयाँ हैं: ऊर्जा के लिए जूल (J), धारा के लिए ऐम्पियर (A), प्रतिरोध के लिए ओम (Ω) और समय के लिए सेकंड (s)।

4. जूल के नियम के कुछ उदाहरण क्या हैं?

जूल के नियम के कुछ उदाहरण इस प्रकार हैं:

• बिजली के प्रवाह पर लाइट बल्ब के फिलामेंट का गरम होना
• बिजली के प्रवाह पर प्रतिरोधक का गरम होना
• सर्किट अधिक भारित होने पर इलेक्ट्रिकल आउटलेट से चिंगारी निकलना

5. जूल के नियम के कुछ अनुप्रयोग क्या हैं?

जूल के नियम के कुछ अनुप्रयोग हैं:

• ओवरहीटिंग से बचने के लिए इलेक्ट्रिकल सर्किटों का डिज़ाइन करना
• इलेक्ट्रिकल उपकरणों की ऊर्जा खपत की गणना करना
• चालकों के प्रतिरोध को मापना

6. जूल के नियम की कुछ सीमाएँ क्या हैं?

जूल के नियम की कुछ सीमाएँ इस प्रकार हैं:

• यह केवल उन चालकों पर लागू होता है जो ओम के नियम का पालन करते हैं
• यह प्रतिरोध पर तापमान के प्रभावों को ध्यान में नहीं रखता
• यह प्रतिरोध पर चुंबकीय क्षेत्रों के प्रभावों को ध्यान में नहीं रखता