कार्य, ऊर्जा और शक्ति (भौतिक विज्ञान) (Part-I)

Total Questions: 70

1. शक्ति (P), धारा (I), प्रतिरोध (R) और विभवांतर (V) के बीच गलत संबंध की पहचान करें। [RRC Group D 23/08/2022 (Afternoon)]

Correct Answer: (a) P = IR²
Solution:
  • विद्युत ऊर्जा के स्थानांतरण की दर को विद्युत शक्ति कहा जाता है। विद्युत शक्ति को वाट (W) में मापा जाता है जो इसकी SI इकाई है
  • विद्युत शक्ति को P द्वारा दर्शाया जाता है। जहाँ P = V²/R = I²R I विद्युत शक्ति दो प्रकार की है
  • DC शक्ति - वोल्टेज और धारा के उत्पाद के रूप में परिभाषित और DC स्रोत जैसे जनरेटर, बैटरी, ईंधन सेल, आदि द्वारा उत्पादित किया जाता है।
  • AC शक्ति - आवेश का प्रवाह जो दिशा में आवधिक परिवर्तन प्रदर्शित करता है।
  • सही संबंध
    • P = VI: शक्ति विभवांतर और धारा के गुणनफल के बराबर होती है ।
    • P = I²R: शक्ति धारा के वर्ग और प्रतिरोध के गुणनफल के बराबर होती है, जो ओम के नियम (V = IR) से प्राप्त होता है ।
    • P = V²/R: शक्ति विभवांतर के वर्ग को प्रतिरोध से भाग देने पर मिलती है ।
  • गलत संबंध
    • P = IR गलत है क्योंकि यह शक्ति की इकाई (वाट) से मेल नहीं खाता। IR का मान वोल्ट के बराबर होता है
    • (ओम का नियम), न कि वाट के । यह सामान्य परीक्षा प्रश्नों में भ्रम पैदा करने के लिए दिया जाता है।
  • व्युत्पत्ति
    • ओम के नियम V = IR से शुरू करें:
    • P = VI में V प्रतिस्थापित करें: P = I × (IR) = I²R।
    • P = VI में I = V/R प्रतिस्थापित करें: P = V × (V/R) = V²/R।
    • ये सभी संबंध ऊर्जा संरक्षण पर आधारित हैं ।

2. विद्युत मोटर में, _____ में रूपांतरण होता है। [RRC Group D 14/09/2022 (Afternoon)]

Correct Answer: (d) विद्युत ऊर्जा का यांत्रिक ऊर्जा
Solution:
  • इलेक्ट्रिक जेनरेटर गतिज ऊर्जा / यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।
  • माइक्रोफोन ध्वनि ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
  • थर्मोकपल ऊष्मा ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
  • विद्युत लैंप विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा ऊर्जा और प्रकाश ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
  • कार्य सिद्धांत
    • विद्युत मोटर में धारा-वाहक कुंडली चुंबकीय क्षेत्र में घूमती है।
    • धारा प्रवाह से उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र स्थायी चुंबक के क्षेत्र के साथ परस्पर क्रिया करता है
    • जिससे टॉर्क उत्पन्न होता है। यह गति यांत्रिक कार्य (जैसे पंखा या मशीन चलाना) के लिए उपयोगी होती है ।
    • चित्र में दिखाई गई सरल डीसी मोटर में आर्मेचर कुंडली, कम्युटेटर और ब्रश इस रूपांतरण को संभव बनाते हैं।
  • ऊर्जा रूपांतरण
    • आयात: विद्युत ऊर्जा (P = VI से प्राप्त)।
    • निर्यात: यांत्रिक ऊर्जा (घूर्णन गति के रूप में)।
    • कुछ ऊर्जा गर्मी के रूप में हानि होती है, लेकिन मुख्य रूपांतरण विद्युत से यांत्रिक ही है ।
  • अन्य रूपांतरण से अंतर
    • जनरेटर: यांत्रिक → विद्युत ऊर्जा।
    • हीटर: विद्युत → तापीय ऊर्जा।
    • मोटर विशेष रूप से गति उत्पादन के लिए डिज़ाइन की जाती है ।

3. विद्युत गीजर में, ______ ऊर्जा ______ ऊर्जा में रूपांतरित हो जाती है। [RRC Group D 14/09/2022 (Evening)]

Correct Answer: (a) विद्युत, ऊष्मीय
Solution:
  • विद्युत गीजर जूल तापन के सिद्धांत पर कार्य करता है।
  • इलेक्ट्रिक जेनरेटर गतिज ऊर्जा / यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।
  • माइक्रोफोन ध्वनि ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
  • थर्मोकपल ऊष्मा ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
  • विद्युत लैंप विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा ऊर्जा और प्रकाश ऊर्जा में परिवर्तित करता है।
  • कार्य सिद्धांत
    • गीजर में हीटिंग एलीमेंट (आमतौर पर निकल-क्रोम तार) विद्युत धारा के प्रवाह से गर्म होता है।
    • प्रतिरोध के कारण उत्पन्न ऊष्मा पानी को गर्म करती है। सूत्र H = I²Rt से ऊष्मा की मात्रा ज्ञात होती है ।
  • ऊर्जा रूपांतरण
    • आयात: विद्युत ऊर्जा (P = VI)।
    • निर्यात: ऊष्मीय ऊर्जा (पानी को गर्म करने के लिए)।
    • लगभग 90-95% दक्षता के साथ अधिकांश विद्युत ऊर्जा हीट में बदल जाती है ।

4. भारत में आपूर्ति की जाने वाली सामान्य घरेलू विद्युत को इनमें से किसके द्वारा दर्शाया जाता है? [RRC Group D 17/09/2022 (Evening)]

Correct Answer: (b) 220V, 50Hz
Solution:
  • भारत सरकार पर्यावरण के आधार पर घरेलू बिजली आपूर्ति का चयन करती है।
  • मुख्य वोल्टेज (220V), और आवृत्ति 50 हर्ज है। हम इस वोल्टेज को वितरित करने के लिए उच्च-प्रतिरोध लाइनों का उपयोग करते हैं
  • इसलिए शक्ति बहुत उच्च होगी क्योंकि शक्ति की गणना वोल्टेज समय प्रतिरोध के वर्ग के रूप में की जाती है।
  • संयुक्त राज्य अमेरिका (110V, 60Hz) - इसका उपयोग DC प्रणाली के लिए एक सुरक्षित वोल्टेज स्तर माना जाता है।
  • भारतीय बाजार के लिए बनाए गए सभी बिजली के सामान को 50 हर्ट्ज़ पर सर्वश्रेष्ठ तरीके से संचालित करने के लिए स्थापित किया गया है।
  • तकनीकी विवरण
    • भारतीय मानक (BIS) के अनुसार घरेलू बिजली आपूर्ति 220 V RMS वोल्टेज और 50 Hz आवृत्ति पर होती है ।
    • वोल्टेज: 220 V (प्रभावी मान)
    • आवृत्ति: 50 चक्र प्रति सेकंड
    • प्रकार: एकल फेज AC
  • महत्वपूर्ण बिंदु
    • 50 Hz आवृत्ति सभी भारतीय उपकरणों के लिए डिज़ाइन की जाती है ।
    • उच्च वोल्टेज (220V) से तारों का प्रतिरोध कम होता है और संचरण हानि घटती है ।
    • प्लग पॉइंट्स में 3-पिन (लाइव, न्यूट्रल, अर्थ) का उपयोग होता है।
    • यह मानक 1950 से लागू है और सभी विद्युत उपकरण इसी के अनुरूप बनाए जाते हैं ।

5. विद्युत परिपथ में उष्मा के रूप में हासित होने वाली ऊर्जा के संबंध में इनमें से कौन-सा सत्य है? [RRC Group D 26/09/2022 (Morning)]

Correct Answer: (a) यह प्रतिरोध के अनुक्रमानुपाती होती है।
Solution:
  • यह प्रतिरोध के अनुक्रमानुपाती होती है। जब ऊर्जा एक रूप से दूसरे रूप में परिवर्तित होती है
  • एक स्थान से दूसरे स्थान पर स्थानांतरित होती है तो ऊर्जा की हानि होती है।
  • ऊष्मा ऊर्जा के स्रोत से माध्यम में गतिज ऊर्जा का स्थानांतरण है
  • उसी धारा के प्रतिरोध के समानुपाती होता है।
  • इस सूत्र से, ऊष्मा सीधे प्रतिरोध के समानुपाती होती है।
  • H = I²RT. यहाँ I = धारा, R = प्रतिरोध और T = समय। H = ऊष्मा
  • जूल का तापन प्रभाव
    • प्रतिरोधक में इलेक्ट्रॉनों के टकराव से विद्युत ऊर्जा ऊष्मा में बदल जाती है।
    • यदि धारा स्थिर हो, तो ऊष्मा प्रतिरोध के समानुपाती होती है ।
    • धारा के वर्ग (I²) पर निर्भर।
    • प्रतिरोध (R) के अनुपात में।
    • समय (t) के अनुसार ।
  • सत्य कथन
    • सबसे सटीक: ऊष्मा प्रतिरोध के समानुपाती (धारा स्थिर मानकर) ।
    • यह परीक्षा प्रश्नों में सामान्य विकल्प होता है
    • जहाँ अन्य विकल्प जैसे "धारा के व्युत्क्रमानुपाती" गलत होते हैं।
  • व्यावहारिक उदाहरण
    • 10 A धारा, 5 Ω प्रतिरोध, 20 s समय पर:  J ।
    • फ्यूज तारों में यह हानि सुरक्षा के लिए उपयोगी है ।
  • जूल का तापन प्रभाव
    • प्रतिरोधक में इलेक्ट्रॉनों के टकराव से विद्युत ऊर्जा ऊष्मा में बदल जाती है।
    • यदि धारा स्थिर हो, तो ऊष्मा प्रतिरोध के समानुपाती होती है ।
    • धारा के वर्ग (I²) पर निर्भर।
    • प्रतिरोध (R) के अनुपात में।
    • समय (t) के अनुसार ।
  • सत्य कथन
    • सबसे सटीक: ऊष्मा प्रतिरोध के समानुपाती (धारा स्थिर मानकर) ।
    • यह परीक्षा प्रश्नों में सामान्य विकल्प होता है
    • जहाँ अन्य विकल्प जैसे "धारा के व्युत्क्रमानुपाती" गलत होते हैं।
  • व्यावहारिक उदाहरण
    • 10 A धारा, 5 Ω प्रतिरोध, 20 s समय पर:  J ।
    • फ्यूज तारों में यह हानि सुरक्षा के लिए उपयोगी है ।

6. V वोल्ट के विभवांतर के लिए, Q कूलॉम का आवेश, t सेकंड तक प्रवाहित होने पर, परिपथ में निविष्ट शक्ति (power input) ______ होगी। [RRC Group D 26/09/2022 (Afternoon)]

Correct Answer: (c) P=VQ/t
Solution:
  • V वोल्ट के विभवांतर के लिए, Q कूलॉम का आवेश t सेकंड तक प्रवाहित होने पर, परिपथ में निविष्ट शक्ति VQ/t वाट होगी।
  • यह विद्युत शक्ति का मूल सूत्र P = VI से व्युत्पन्न है, जहाँ I = Q/t ।
  • शक्ति का सूत्र
    • मूल परिभाषा: शक्ति कार्य की दर है, P=W/t, जहाँ W विद्युत कार्य = VQ ।
    • इसलिए P=VQ/t
    • धारा I = Q/t, अतः P = V × Q/t ।
  • व्युत्पत्ति चरण
    • विद्युत कार्य W = VQ जूल।
    • शक्ति P = W/t = VQ/t वाट।
    • ओम के नियम से अन्य रूप: P = I²R या V^2/R ।
  • उदाहरण
    • V=220, Q=10 C, t=5 s: P = (220×10)/5=440 W ।
    • यह निविष्ट शक्ति है, जिसमें कुछ हानि भी हो सकती है।

7. प्रतिरोध _______ द्वारा दर्शाया गया है। [RRC Group D 27/09/2022 (Afternoon)]

Correct Answer: (a) किया गया कार्य / (आवेश × धारा)
Solution:
  • प्रतिरोध वह बल है जो किसी पदार्थ में विद्युत धारा के प्रवाह का विरोध करता है, इकाई: ओम।
  • यदि विद्युत आवेश वाहकों का प्रवाह हो, अर्थात् परमाणु पर इलेक्ट्रॉनों या इलेक्ट्रॉनों की कमी वाले परमाणु, इकाई: एम्पीयर। आवेश पदार्थ के उन भौतिक गुणों में से एक है
  • जो विद्युत चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर एक बल का अनुभव करने का कारण बनता है, इकाई: कुलॉम्ब।
  • परिभाषा
    • प्रतिरोध किसी चालक का वह गुण है
    • जो विद्युत धारा के प्रवाह का विरोध करता है।
    • ओम के नियम V=IR से प्रतिरोध R=V/I निकाला जाता है ।
  • इकाई और प्रतीक
    • प्रतीक: R (पूंजी अक्षर)
    • SI इकाई: ओम (Ω)
    • अन्य इकाइयाँ: किलो-ओम (kΩ), मेगा-ओम (MΩ)
    • चित्र में प्रतिरोधक के विभिन्न प्रतीक दर्शाए गए हैं
    • जो परिपथ आरेखों में R या जिग-जैग रेखा से दिखाए जाते हैं।
  • प्रतिरोध पर निर्भरता
    • लंबाई (l) के समानुपाती: R∝l
    • क्षेत्रफल (A) के व्युत्क्रमानुपाती: R∝1/A
    • सूत्र: R=ρ l/A, जहाँ ρ प्रतिरोधकता है

8. किसी विद्युत परिपथ में विद्युत ऊर्जा के क्षय होने की दर ______ कहलाती है। [RRC Group D 30/09/2022 (Afternoon)]

Correct Answer: (b) विद्युत शक्ति
Solution:
  • किए गए कार्य की किसी भी दर को शक्ति कहा जाता है।
  • किए गए विद्युत कार्य की दर को विद्युत शक्ति कहा जाता है।
  • परिभाषा
    • विद्युत शक्ति वह दर है जिस पर परिपथ में विद्युत ऊर्जा क्षय (उपभोग या रूपांतरण) होती है। यदि t समय में W जूल ऊर्जा क्षय हो, तो P = W/t वाट ।
  • सूत्र
    • मुख्य सूत्र:
    • P=VI (विभवांतर × धारा)
    • P=I^2 R (धारा का वर्ग × प्रतिरोध)
    • P=V^2/R
  • इकाई
    • SI इकाई: वाट (W) = जूल/सेकंड।
    • 1 kW = 1000 W
    • 1 यूनिट बिजली = 1 kWh
  • व्यावहारिक महत्व
    • उपकरण रेटिंग: बल्ब, पंखा पर "60W" लिखा होना।
    • बिजली बिल: ऊर्जा (kWh) × दर से गणना।
    • उदाहरण: 100W बल्ब 2 घंटे → 0.2 यूनिट ।

9. टेलीफोन का आविष्कार कब हुआ था? [RRB NTPC CBT-1 (01/02/2021) Evening]

Correct Answer: (b) 1876
Solution:
  • अलेक्जेंडर ग्राहम बेल ने टेलीफोन के लिए सफलतापूर्वक पेटेंट प्राप्त किया और खोज के अधिकार सुरक्षित कर लिए।
  • एलीशा ग्रे को 1876 में हाईलैंड पार्क, इलिनोइस में एक टेलीफोन प्रोटोटाइप के विकास के लिए जाना जाता है।
  • कुछ आविष्कार और आविष्कारक: टेलीविजन (जॉन बेयर्ड), ग्रामोफोन और बल्ब (थॉमस एडिसन), मोबाइल फोन (मार्टिन कूपर), रेडियो (गुग्लिल्मो मार्कोनी), हवाई जहाज (राइट ब्रदर्स)।
  • महत्वपूर्ण तिथियाँ
    • 7 मार्च 1876: ग्राहम बेल को पेटेंट नंबर 174,465 मिला।
    • 10 मार्च 1876: पहला सफल परीक्षण - बेल ने अपने सहायक वॉटसन को "मिस्टर वॉटसन, यहाँ आओ, मैं तुम्हें देखना चाहता हूँ" कहा ।
    •  जून 1876: फिलाडेल्फिया प्रदर्शनी में पहली सार्वजनिक प्रदर्शनी।
  • विवाद
    • कई आविष्कारक पहले प्रयास कर चुके थे:
    • फिलिप रेस (1861): पहला विद्युत टेलीफोन।
    • एंटोनियो मेयुची (1849): टेलेट्रोफोन का प्रारंभिक मॉडल।
    • लेकिन बेल का पेटेंट और व्यावसायिक सफलता निर्णायक सिद्ध हुई ।

10. पवनचक्की पवन की किस ऊर्जा का उपयोग करती है? [RRB NTPC CBT-1 (09/02/2021) Evening]

Correct Answer: (b) गतिज ऊर्जा
Solution:
  • पवन टरबाइन पवनचक्की के आधुनिक समकक्ष हैं, जो हवा में मौजूद गतिज ऊर्जा को स्वच्छ, नवीकरणीय बिजली में परिवर्तित करते हैं।
  • तमिलनाडु अपने समुद्र तट पर अनुकूल पवन स्थितियों के साथ भारत में पवन ऊर्जा में अग्रणी है।
  • मुप्पांडल पवन फार्म (कन्याकुमारी) : भारत में सबसे बड़ा पवन ऊर्जा संयंत्र, कुल क्षमता - 1500 मेगावाट।
  • चीन में गांसु पवन फार्म - 20,000 मेगावाट की लक्ष्य क्षमता के साथ दुनिया का सबसे बड़ा पवन फार्म।
  • कार्य सिद्धांत
    • पवनचक्की के ब्लेड्स हवा के बहाव से घूमते हैं। गतिज ऊर्जा (KE=1/2 mv^2) पंखुड़ियों पर दाब अंतर पैदा करती है
    • जिससे घूर्णन गति उत्पन्न होती है। यह शाफ्ट के माध्यम से जनरेटर को चलाती है।
  • ऊर्जा रूपांतरण
    • पवन की गतिज ऊर्जा → यांत्रिक ऊर्जा → विद्युत ऊर्जा।
    • न्यूनतम हवा की गति: 15 km/h
    • आधुनिक टरबाइन: 35-45% दक्षता।
    • चित्र में दिखाई गई पवनचक्कियाँ हवा की गतिज ऊर्जा को ग्रिड में विद्युत के रूप में भेजती हैं।