ജൂളിന്റെ താപനിയമവും ഹീറ്ററില്‍ വെള്ളം ചൂടാക്കുന്നതും തമ്മിലെന്താ ബന്ധം?

എന്താണ് ജൂള്‍ നിയമം?

വൈദ്യുതി കടത്തിവിടുന്നതിനുള്ള കഴിവിന്റെ അടിസ്ഥാനത്തില്‍ വസ്തുക്കളെ ചാലകങ്ങള്‍ (conductors), അര്‍ധചാലകങ്ങള്‍ (semiconductors), അചാലകങ്ങള്‍ (Insulators) എന്നിങ്ങനെ തിരിക്കാം. വസ്തുക്കളില്‍ പ്രകൃത്യാതന്നെ അവ നിര്‍മിക്കപ്പെട്ടിരിക്കുന്ന ആറ്റങ്ങള്‍, അയോണുകള്‍, തന്മാത്രകള്‍ എന്നിവ പ്രത്യേകരീതിയില്‍, അകലത്തില്‍, അടുക്കില്‍ ക്രമീകരിക്കപ്പെട്ടിരിക്കും. ഈ ക്രമീകരണത്തെ വസ്തുവിന്റെ ലാറ്റിസ് ഘടന എന്നുവിളിക്കുന്നു. കൃത്യമായ ലാറ്റിസ് ക്രമീകരണം പാലിക്കാത്ത വസ്തുക്കളും പ്രകൃതിയിലുണ്ട്. ചില്ലുവസ്തുക്കള്‍ അത്തരത്തില്‍ കൃത്യമായ ലാറ്റിസ് ഘടന പാലിക്കുന്നില്ല. സ്വര്‍ണം, ചെമ്പ്, വെള്ളി, അലുമിനിയം തുടങ്ങിയ ലോഹങ്ങളുടെ ലാറ്റിസ് ഘടനയില്‍ സ്വതന്ത്ര ഇലക്‌ട്രോണുകളാല്‍ ചുറ്റപ്പെട്ട, പോസിറ്റീവ് ചാര്‍ജുള്ള കാറ്റയോണുകളുടെ ഒരു ക്രമീകരണമുണ്ടായിരിക്കും. ലോഹങ്ങള്‍ നല്ലരീതിയില്‍ വൈദ്യുതിയെ കടത്തിവിടുന്ന വസ്തുക്കളാണ്. അത്തരം വസ്തുക്കളെ ചാലകങ്ങള്‍ എന്നുവിളിക്കുന്നു. ലോഹങ്ങളില്‍ സ്വതന്ത്ര ഇലക്‌ട്രോണുകള്‍ ലഭ്യമാവുന്നതുകൊണ്ടാണ് അവ നല്ല ചാലകങ്ങളാവുന്നത്.

കമ്പിയുടെ രൂപത്തിലുള്ള ഒരു ചാലകവസ്തു സങ്കല്പിക്കുക. ഇതിന്റെ രണ്ടറ്റങ്ങളില്‍ വോള്‍ട്ടത വ്യതിയാനം വരുത്തുമ്പോള്‍, അതിന്റെ പ്രഭാവത്തില്‍ ഇലക്‌ട്രോണുകള്‍ കമ്പിയില്‍ക്കൂടി പ്രവഹിക്കാന്‍ തുടങ്ങുന്നു. ഇവ സഞ്ചാരത്തിനിടയില്‍ വിസരണംചെയ്യപ്പെടുന്നു. ഇത് വൈദ്യുതിയുടെ സുഗമമായ ഒഴുക്കിന് തടസ്സം സൃഷ്ടിക്കുന്നവിധത്തില്‍, വസ്തുചെലുത്തുന്ന പ്രതിരോധം(resistance) ആയി അനുഭവപ്പെടുന്നു. തന്മൂലം ഇലക്‌ട്രോണുകളുടെ പ്രവാഹവേഗം കുറയുകയും ചെയ്യുന്നു. വിവിധ വസ്തുക്കളില്‍ പ്രതിരോധം വിവിധ അളവുകളിലായിരിക്കും. ചാലകങ്ങളില്‍ മറ്റുവസ്തുക്കളെ അപേക്ഷിച്ച് പ്രതിരോധം കുറവായിരിക്കും.

വോള്‍ട്ടതവ്യതിയാനംചെയ്യുന്ന പ്രവൃത്തിമൂലം കമ്പിയിലൂടെ ഇലക്‌ട്രോണ്‍ പ്രവാഹം സാധ്യമാകുന്നു. പക്ഷേ, വൈദ്യുതി പ്രവഹിക്കുന്ന വസ്തുവിന്റെ നീളം, ആകൃതി, വൈദ്യുതിപ്രവാഹ തീവ്രത, പ്രവാഹസമയം, വസ്തുവിന്റെ പ്രതിരോധസ്വഭാവം എന്നിവയനുസരിച്ച് വോള്‍ട്ടത വ്യതിയാനംചെയ്യുന്ന പ്രവൃത്തിയുടെ ഒരുഭാഗം വസ്തുവില്‍ താപമായി നഷ്ടമാകുന്നു. ഇംഗ്ലീഷ് ഭൗതികശാസ്ത്രജ്ഞനായ ജെയിംസ് പ്രെസ്‌കോട്ട് ജൂള്‍ ഈ വസ്തുതയെ, H=I2Rtഎന്ന സൂത്രവാക്യമായി അടയാളപ്പെടുത്തി. ഇതില്‍ H താപത്തിന്റെ അളവിനെയും I പ്രവാഹതീവ്രതയെയും R പ്രതിരോധത്തെയും t പ്രവാഹസമയത്തെയും കുറിക്കുന്നു.

ജൂള്‍നിയമമനുസരിച്ച്, ഒരുചാലകത്തിലൂടെ വൈദ്യുതി പ്രവഹിക്കുമ്പോള്‍ വൈദ്യുതപ്രവാഹതീവ്രതയുടെ വര്‍ഗത്തിന്റെയും പ്രതിരോധത്തിന്റെയും പ്രവാഹസമയത്തിന്റെയും ഗുണിതത്തിനാനുപാതികമായി താപോര്‍ജം വസ്തുവില്‍ രൂപപ്പെടുന്നു.വൈദ്യുതചാലകങ്ങളില്‍ ഇത്തരത്തില്‍ രൂപംകൊള്ളുന്ന താപത്തെ നാം ദൈനംദിനജീവിതത്തില്‍ പലവിധത്തില്‍ ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നു.

പ്രതിരോധവും ദ്രവണാങ്കവും (melting point) വളരെക്കൂടുതലുള്ള ടങ്സ്റ്റണ്‍ ഫിലമെന്റായി ഉപയോഗിക്കുന്ന ബള്‍ബുകളില്‍ പ്രകാശംവമിക്കത്തക്കരീതിയില്‍ വൈദ്യുതപ്രവാഹം ഫിലമെന്റിനെ ചൂടാക്കുന്നു. ഉയര്‍ന്ന ദ്രവണാങ്കമായതുകൊണ്ട് സാധാരണയായി അത് ഉരുകുന്നില്ല.

വൈദ്യുത ഓവനുകള്‍, കെറ്റിലുകള്‍, ഗീസറുകള്‍ തുടങ്ങി നമ്മുടെയൊക്കെ വീടുകളിലെ വിവിധ വൈദ്യുതോപകരണങ്ങളെ സംരക്ഷിച്ചുനിര്‍ത്തുന്ന ഫ്യൂസ് സംവിധാനത്തില്‍വരെ നാം ജൂള്‍ നിയമം ഉപയോഗപ്പെടുത്തുന്നു. ചാലകവസ്തുവില്‍ നഷ്ടമാകുന്ന താപം എങ്ങനെയാണ് തണുത്തവെള്ളത്തെ ചൂടാക്കുന്നതെന്ന് മനസ്സിലായല്ലോ.