তড়িৎ কোষঃ কোষের সন্নিবেশ

আজকে আমরা আলোচনা করবো তড়িৎ কোষঃ কোষের সন্নিবেশ । যা বাউবি এইচএসসি ২৮৭১ পদার্থ বিজ্ঞান ২য় পত্র ইউনিট ২ চল তড়িৎ এর অন্তর্ভুক্ত।

তড়িৎ কোষঃ কোষের সন্নিবেশ

বর্তনীতে কোষের শ্রেণি ও সমান্তরাল সন্নিবেশ তড়িৎ প্রবাহের রাশিমালা নির্ণয় করতে পারবেন।

তড়িৎ কোষ (Electric Cell)

রাসায়নিক শক্তি থেকে নিরবিচ্ছিন্নভাবে তড়িৎ প্রবাহ পাওয়ার জন্য যে যন্ত্র ব্যবহার করা হয়, তাকে তড়িৎ কোষ বলা হয়।

কোনো কোনো কোষ বিভিন্ন বস্তুর রাসায়নিক ক্রিয়ার ফলে উৎপন্ন শক্তি থেকে সরাসরি তড়িৎ প্রবাহ সৃষ্টি করে। এ ধরনের কোষকে মৌলিক কোষ বলা হয়। যেমন, লেকল্যান্স কোষ, শুষ্ক কোষ ।

আবার কোনো কোনো কোষ বাইরে থেকে পাঠানো তড়িৎ প্রবাহকে রাসায়নিক শক্তিরূপে সঞ্চিত করে, পরে এই রাসায়নিক শক্তিকে পুনরায় তড়িৎ শক্তিতে পরিণত করে প্রবাহ সৃষ্টি করে। এই ধরনের কোষকে গৌণ কোষ বলা হয়। যেমন, সীসা-এসিড সঞ্চয়ক কোষ।

 কোষের তড়িচ্চালক শক্তি (Electromotive Force or emf. of Cell)

বর্তনীতে একক আধান প্রবাহে তড়িৎ উৎস যে পরিমাণ শক্তি সরবরাহ করে তাকে ঐ তড়িৎ উৎসের তড়িচ্চালক শক্তি বলা
হয়।

অন্যভাবে বলা যায়, একক আধানকে তড়িৎ কোষ দ্বারা তৈরী কোনো বর্তনীর এক বিন্দু থেকে সম্পূর্ণ বর্তনী ঘুরিয়ে আবার ঐ বিন্দুতে নিয়ে আসতে যে পরিমাণ কাজ সম্পাদন করতে হয়, তাকে ঐ কোষের তড়িচ্চালক শক্তি বলা হয়। একে : বা
E দ্বারা প্রকাশ করা হয়।

কোনো কোষের বা কোনো তড়িৎ উৎসের তড়িচ্চালক শক্তি হিসাব করা যায়, তড়িৎ উৎস একটি কোষ বা ব্যাটারী বা জেনারেটর হতে পারে। তড়িৎ উৎসের কাজ হচেছ বর্তনীতে তড়িৎ প্রবাহ চালনা করা অর্থাৎ বর্তনীর মধ্য দিয়ে আধান চালনার জন্য প্রয়োজনীয় তড়িৎ সরবরাহ করা।

যদি q পরিমাণ আধানকে বর্তনীর এক বিন্দু থেকে সম্পূর্ণ বর্তনী ঘুরিয়ে আবার ঐ বিন্দুতে আনতে W পরিমাণ কাজ সম্পন্ন
হয়, তাহলে তড়িচ্চালক শক্তি, E = W/q

বর্তনীর সংযোগ বিচ্ছিন্ন করে অর্থাৎ যখন তড়িৎ প্রবাহ চলে না তখন কোষের দুই প্রান্ড্রের যে বিভব পার্থক্য সৃষ্টি হয় তার দ্বারা কোষের তড়িচ্চালক শক্তি মাপা হয়।

একক (Unit):

তড়িচ্চালক শক্তির একক হচ্ছে জুল/কুলম্ব (JCl) বা ভোল্ট (V)। তবে একক হিসেবে ভোল্ট সর্বাধিক ব্যবহৃত হয়। সুতরাং দেখা যাচ্ছে যে, তড়িচ্চালক শক্তি ও বিভব পার্থক্যের একক একই অর্থাৎ ভোল্ট।

একটি কোষের তড়িচ্চালক শক্তি 1.5V বলতে বুঝায়, IC আধানকে ঐ কোষসহ এক বিন্দু থেকে সম্পূর্ণ বর্তনী একবার ঘুরিয়ে পুনরায় ঐ বিন্দুতে আনতে 1.5J কাজ সম্পন্ন করতে হয়।

 কোষের অভ্যন্তরীণ রোধ (Internal Resistance of a Cell):

তড়িৎ কোষসহ কোনো বর্তনীতে যখন তড়িৎ প্রবাহ চালনা করা হয় তখন প্রবাহ কোষের মধ্যে তরল বা অন্যান্য রাসায়নিক পদার্থের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত হয়। কোষের অভ্যড়রে এই তড়িৎ প্রবাহের দিক ঋণাত্মক থেকে ধনাত্মক পাতের দিকে হয় । এই পাতদ্বয়ের মধ্যকার বিভিন্ন রাসায়নিক পদার্থ তড়িৎ প্রবাহে বাধার সৃষ্টি করে। এই বাধাকেই কোষের অভ্যস্ত্রীণ রোধ বলা হয়। একে ‘r’ দ্বারা সূচিত করা হয়।

তড়িচ্চালক শক্তি ও অভ্যন্তরীণ রোধের মধ্যে সম্পর্ক (Relation between Electromotive Force and Internal Resistance):

চিত্র ২.২ একটি বর্তনী নির্দেশ করে।। অভ্যরীণ রোধ বিশিষ্ট এবং E তড়িচ্চালক শক্তিবিশিষ্ট একটি কোষকে R রোধের সাথে একটি চাবি K এর সাহায্যে যুক্ত করে বর্তনীটি সম্পূর্ণ করা হলো। এখানে চাবি K বন্ধ করলে তড়িৎ প্রবাহ চলবে।

ধরা যাক, বর্তনীতে এই প্রবাহের মান I। কোষের তড়িচ্চালক শক্তি E ভোল্ট এর অর্থ হচ্ছে IC আধানকে বর্তনীতে A বিন্দু হতে রোধ R এর মধ্য দিয়ে পুনরায় A বিন্দুতে আনতে কোষ E জুল শক্তি ব্যয় করে। এই শক্তির কিছু অংশ (1) ব্যয় হয় বহিঃস্থ রোধ R এর জন্য এবং বাকি অংশ (/) ব্যয় হয় অভ্যন্ত্ রীণ রোধ । এর মধ্য দিয়ে B থেকে A তে আধান চালনা করতে। তাহলে শক্তির নিত্যতা সূত্রানুসারে,

E = V+V′  ….. (1)

যেহেতু / হলো R এর দুই প্রান্ড্রের বিভব পার্থক্য এবং I” হলো। এর দুই প্রাড়ের বিভব পার্থক্য

সুতরাং, ওহমের সূত্রানুসারে লিখতে পারি,

V = IR এবং V = Ir

E = IR + Ir

বা, E = 1 (R + r)

বা, I E/( R+r)  ….. (2)

V -কে বলা হয় প্রায় বিভব পার্থক্য বা ভোল্টেজ। অর্থাৎ যখন তড়িৎ প্রবাহ চলে তখন কোষের প্রায়ের মধ্যে বিভব পার্থক্যই হচ্ছে V।

সমীকরণ (২.৫) হতে প্রতীয়মান হয় যে, V< E

প্রাজ়ীয় ভোল্টেজ তড়িচ্চালক শক্তির চেয়ে কম হওয়ার কারণ হলো কোষের অভ্যীণ রোধের ভেতর দিয়ে প্রবাহ চালনা করার জন্য কিছু পরিমাণ শক্তি বা তড়িচ্চালক শক্তি প্রয়োজন হয়। অথাৎ কোষের দুই প্রান্ডে I = Ir = E – IR পরিমাণ বিভব পার্থক্য কমে যায়। সুতরাং এই Ii পরিমাণ ভোল্ট বহি:বর্তনীতে কোনো কাজে আসে না বরং নষ্ট হয়। এজন্য Ir কে নষ্ট ভোল্ট বা হারানো ভোল্ট (Lost volt) বলা হয়। এ কারণে যখন বর্তনীতে তড়িৎ প্রবাহ চলে তখন ভোল্টমিটারের সাহায্যে কোনো কোষের দুই প্রান্ড্রের বিভব পার্থক্য পরিমাপ করা হলে মুক্ত অবস্থার বিভব পার্থক্যের চেয়ে এই পরিমাণ (Ir) বিভব পার্থক্য কম পাওয়া যায় ।

যখন বহি:বর্তনীর রোধ R ক্ষুদ্র মানের হয় তখন প্রাীয় বিভব (I) তড়িচ্চালক শক্তির তুলনায় অনেক ছোট হয়। আবার R যখন খুব বড় মানের হয় তখন প্রায় বিভব তড়িচ্চালক শক্তির প্রায় সমান হয়। বর্তনী খোলা অবস্থায় থাকলে কোষের দুই প্রান্ড্রের বিভব পার্থক্য ঐ কোষের তড়িচ্চালক শক্তির সমান হয়।

সমীকরণ (2) হতে প্রতীয়মান হয় যে, রোধ R নির্দিষ্ট হলে তড়িৎ প্রবাহ I কেবলমাত্র কোষের তড়িচ্চালক শক্তি, E এর উপর নির্ভর করেনা, এর অভ্যস্ত্রীণ রোধ (r) এর উপরও নির্ভর করে।

কাজেই কোনো কোষ হতে উচ্চ মাত্রায় তড়িৎ প্রবাহ পেতে হলে কোষের অভ্যন্দ্রীণ রোধ স্বল্প হওয়া প্রয়োজন ।

তড়িৎ কোষের সমবায় (Combination of Cells):

শক্তিশালী প্রবাহ পাওয়ার জন্য বা বিভব বৈষম্য পরিবর্তনের জন্য একাধিক কোষকে একত্রে যুক্ত করে ব্যবহার করা হয়। একে কোষের সমবায় বা সন্নিবেশ বলা হয়। একাধিক কোষ একত্রে ব্যবহার করলে তাকে ব্যাটারীও বলা হয়। বৈদ্যুতিক কোষের সমবায় দুই প্রকার। যথা-

ক) শ্রেণি সমবায় (Series Combination) এবং

খ) সমাাল সমবায় (Parallel Combination)

ক) শ্রেণি সমবায় (Series Combination):

যদি কতকগুলো তড়িৎ কোষ পর পর এমনভাবে যুক্ত করা হয় যে, প্রথম কোষের ঋণাত্মক পাতের সাথে দ্বিতীয়টির ধনাত্মক পাত, দ্বিতীয়টির ঋণাত্মক পাতের সাথে তৃতীয়টির ধনাত্মক পাত এবং এভাবে বাকিগুলো যুক্ত থাকে তবে তড়িৎ কোষগুলোর এই সমবায়কে শ্রেণি সমবায় (Series Combination) বলে ।

ধরা যাক, R মানের একটি রোধের দুই প্রাড়ে n সংখ্যক তড়িৎ কোষ শ্রেণি সমবায়ে যুক্ত আছে (চিত্র-২.৩)। প্রতিটি কোষের তড়িচ্চালক বলের মান E এবং অভ্যস্ত্রীণ রোধ ।। কোষগুলোর মোট তড়িচ্চালক শক্তি nE এবং সমতুল্য অভ্যন্ত্ রীণ রোধ nr। কারণ রোধগুলো শ্রেণি সমবায়ে যুক্ত আছে।

সুতরাং, বর্তনীতে মোট রোধ = R + nr

ওমের সূত্রানুসারে, বর্তনীর প্রবাহমাত্রা, I = = nE nr+R ……………(3)

(i) যদি R >> nr হয়, অর্থাৎ nr কে অগ্রাহ্য করা যায়, তাহলে Is =  nE/R =nx E/ R

অতএব দেখা যাচ্ছে যে, একটি কোষের জন্য বর্তনীতে যে প্রবাহমাত্রা পাওয়া যাবে n সংখ্যক কোষ শ্রেণিতে যুক্ত করলে n গুণ তড়িৎ প্রবাহমাত্রা পাওয়া যাবে। এ জন্য বর্তনীতে উচ্চ প্রবাহমাত্রা পেতে অনেকগুলো কোষকে শ্রেণিতে যুক্ত করা হয়।

(ii) যদি nr>> R হয়, অর্থাৎ R এর মান উপক্ষেনীয় তখন 7, এক্ষেত্রে সমবায়ের কার্যক্ষমতা বৃদ্ধি পায় না। nE E nR R = একটি কোষের তড়িৎ প্রবাহ।

এক্ষেত্রে সমবায়ের কার্যক্ষমতা বৃদ্ধি পায় না।

ক) সমান্তরাল সমবায় (Parallel Combination):

যদি কতকগুলো তড়িৎ কোষকে এমনভাবে সাজানো হয় যে, তাদের ধনাত্মক পাতগুলো একটি সাধারণ বিন্দুতে এবং ঋণাত্মক পাতগুলো অপর একটি সাধারণ বিন্দুতে যুক্ত থাকে তাহলে কোষগুলোর এই সমবায়কে সমান্তরাল সমবায় (Parallel Combination) বলা হয়।

ধরা যাক, R মানের একটি রোধের সাথে n সংখ্যক তড়িৎ কোষ সমাড়াল সমবায়ে যুক্ত আছে যাদের প্রত্যেকের তড়িচ্চালক শক্তি E এবং অভ্যীণ রোধ ।। কোষগুলোর ধনাত্মক পাতগুলো A বিন্দুতে এবং ঋণাত্মক পাতগুলো B বিন্দুতে যুক্ত আছে (চিত্র-২.৪)।
যেহেতু সমন্বয়ের কোষগুলো সমাড়ালে যুক্ত আছে সুতরাং সমবায়ের মোট তড়িচ্চালক শক্তি যে কোনো একটি কোষের তড়িচ্চালক শক্তির সমান হবে। অর্থাৎ Ep = E | Ep হচ্ছে সমবায়ের মোট তড়িচ্চালক শক্তি।

যেহেতু কোষগুলো সমান্তরাল সমবায়ে যুক্ত আছে সেহেতু তাদের অভ্যরীণ রোধগুলোও সমাাল সমবায়ে থাকবে। যদি কোষগুলোর অভ্যস্ত্রীণ রোধ হয়, তবে

1/rp = 1/r + 1/r + n সংখ্যক = n/r

অতএব, বর্তনীর মোট রোধ = R + rp = R + r/n বর্তনীতে যদি I, মাত্রার বিদ্যুৎ প্রবাহিত হয় তাহলে ওহমের সূত্রানুসারে,

Ip= মোট তড়িচ্চালক শক্তি/ মোট রোধ

= E/ R+ r/n

= nE /(nR + r)

Ip = nE /(nR + r)

(i) যদি nR << r হয়, তবে nR কে উপেক্ষা করা যায়,

Ip = nE /r = n x একটি কোষের দ্বারা সৃষ্ট তড়িৎ প্রবাহমাত্রা

এই অবস্থায় সমবাযের কার্যক্ষমতা বৃদ্ধি পায়।

(ii) যদি nR >> হয়, অর্থাৎ, এর মান উপেক্ষনীয়।

Ip = nE / nR = E/R = একটি কোষের প্রবাহ

অর্থাৎ প্রবাহ বৃদ্ধি পায় না। এই অবস্থায় সমবায়ের কার্যক্ষমতা বৃদ্ধি পায়না ।

অতএব যখন কোষের অভ্যস্ত্রীণ রোধ । এর তুলনায় বাহিরের রোধ R ছোট হয় তখন শক্তিশালী তড়িৎ জন্য সমাড়াল সমবায়ে ব্যবহার করা হয়।

উদাহরণ ১ :

একটি কোষের তড়িচ্চালক শক্তি 2V। এতে যখন 5A তড়িৎ প্রবাহিত হয়, তখন এর বিভব পার্থক্য 1.8V হয়। কোষের অভ্যন্দ্রীণ রোধ কত?

এখানে,

E = 2V

I= 5 A

V = 1.8 V

r = ?

মনে করি, অভ্যরীণ রোধ = r

আমরা জানি,
R = V/I

R = 1.8/5

= 0.36 ওহম

আবার, I = E /(R+r)

5 =2/ 0.36+r

বা, 0.36 + r = 2/ 5

বা, 0.36 + r = 0.40

.. r 0.40 0.36

= 0.04 2

উত্তর: 0.04 52

উদাহরণ ২ :

একটি তড়িৎ কোষের তড়িচ্চালক শক্তি 2V এবং অভ্যীণ রোধ 0.25 52। 5 2 এবং 15 2 রোধের দুটি তার সমাালভাবে সাজিয়ে কোষটির সাথে সংযুক্ত করলে প্রত্যেক তারের মধ্য দিয়ে প্রবাহিত প্রবাহমাত্রা নির্ণয় করন।

প্রশ্নানুসারে বর্তনীটির প্রবাহমাত্রা নিচের চিত্রে দেখানো হলো-

মনে করি, মোট প্রবাহমাত্রা = I

আমরা পাই, I= E /(R+r) …(1)

এখানে, E = 2V, r = 0.25 ওহম এবং R1 ও R2 রোধদ্বয়ের তুল্য রোধ R হলে,

1/R = 1/R1 + 1/ R2

= 1/5 + 1/15 = 3+ 1/ 15 =4/15

R= 15/4 Ω

সমীকরণ (1) হতে পাই, I = 2/ 0.25 + 15/4  =2/(1.00+15 /4)

= 2/16 =2/4 =1/2 = 0.5 A

I=0.5 A

ধরি, কোষের প্রায় বিভব পার্থক্য = V

V=IX R = 0.5 x 4/15 = 1.875 V

সুতরাং R1 = 5 52 রোধবিশিষ্ট তারের মধ্যদিয়ে প্রবাহ, I1= 1.875/ 5 = 0.375 A  এবং R2 = 15 রোধবিশিষ্ট তারের মধ্যদিয়ে প্রবাহ,1.875/15 = 0.125 A

উত্তর: 0.375 A এবং 0.125 A

সার-সংক্ষেপ :

তড়িৎ কোষ:

রাসায়নিক শক্তি থেকে নিরবিচ্ছিন্নভাবে তড়িৎ প্রবাহ পাওয়ার জন্য যে যন্ত্র ব্যবহার করা হয়, তাকে তড়িৎ কোষ বলা হয়।
তড়িচ্চালক শক্তি: বর্তনীতে একক আধান প্রবাহে তড়িৎ উৎস যে পরিমাণ শক্তি সরবরাহ করে তাকে ঐ তড়িৎ উৎসের তড়িচ্চালক শক্তি বলা হয়।

শ্রেণি সমবায়:

যদি কতকগুলো তড়িৎ কোষ পর পর এমনভাবে যুক্ত করা হয় যে, প্রথম কোষের ঋণাত্মক পাতের সাথে দ্বিতীয়টির ধনাত্মক পাত, দ্বিতীয়টির ঋণাত্মক পাতের সাথে তৃতীয়টির ধনাত্মক পাত এবং এভাবে বাকিগুলো যুক্ত থাকে তবে তড়িৎ কোষগুলোর এই সমবায়কে শ্রেণি সমবায় বলে।

সমান্তরাল সমবায়

যদি কতকগুলো তড়িৎ কোষকে এমনভাবে সাজানো হয় যে, তাদের ধনাত্মক পাতগুলো একটি সাধারণ বিন্দুতে এবং ঋণাত্মক পাতগুলো অপর একটি সাধারণ বিন্দুতে যুক্ত থাকে তাহলে কোষগুলোর এই সমবায়কে সমানাল সমবায় বলা হয় ।

বহুনির্বাচনী প্রশ্নঃ

সঠিক উত্তরের পাশে টিক (√) চিহ্ন দিন

১। একাধিক বিদ্যুৎ কোষ সিরিজে সংযুক্ত করলে প্রবাহমাত্রা-

ক) কমে যায়

খ) বেড়ে যায়

গ) অপরিবর্তিত থাকে

ঘ) সমান থাকে

নিচের উদ্দীপকটি পড়ে ২ ও ৩ নং প্রশ্নের উত্তর দিন।

একটি কোষের তড়িৎচ্চালক শক্তি 2V। এতে যখন 5A তড়িৎ প্রবাহিত হয় তখন এর বিভব 1.8V।

২। কোষের মের—দ্বয়ের সাথে সংযুক্ত বহি:রোধের মান কত?

ক) 0.3 ওহম

খ) 0.03 ওহম

গ) 0.36 ওহম

ঘ) 3.6 ওহম

৩। কোষের অভ্যন্ড্রীণ রোধ কত হবে?

ক) 0.4 ওহম

খ) 0.18 ওহম

গ) 0.12 ওহম

ঘ) 0.04 ওহম