01-03-2025 B | General Studies | ESE

Key Concepts

• सेरेमिक्स (Ceramics): अकार्बनिक, गैर-धात्विक पदार्थ जो उच्च तापमान पर गर्म करके बनाए जाते हैं।
• डाइलेक्ट्रिक कांस्टेंट (Dielectric Constant): एक पदार्थ की विद्युत ऊर्जा को संग्रहीत करने की क्षमता का माप।
• डाइलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ (Dielectric Strength): एक पदार्थ की बिना टूटे उच्च वोल्टेज का सामना करने की क्षमता।
• टेन्साइल स्ट्रेंथ (Tensile Strength): पदार्थ की खिंचाव बल का सामना करने की क्षमता।
• कंप्रेसिव स्ट्रेंथ (Compressive Strength): पदार्थ की संपीड़न बल का सामना करने की क्षमता।
• हार्डनेस (Hardness): खरोंच के प्रतिरोध का माप।
• इलास्टिसिटी (Elasticity): पदार्थ की विकृति के बाद अपने मूल आकार में लौटने की क्षमता।
• ब्रिटलनेस (Brittleness): पदार्थ की बिना विकृत हुए टूटने की प्रवृत्ति।
• डक्टिलिटी (Ductility): पदार्थ की बिना टूटे तार में खींचे जाने की क्षमता।
• मेलिबिलिटी (Malleability): पदार्थ की बिना टूटे पतली शीट में पीटे जाने की क्षमता।
• टफनेस (Toughness): पदार्थ की झटके को अवशोषित करने और फ्रैक्चर का विरोध करने की क्षमता।
• कोरोजन रेजिस्टेंस (Corrosion Resistance): पदार्थ की रासायनिक क्षरण का विरोध करने की क्षमता।
• क्रीप रेजिस्टेंस (Creep Resistance): पदार्थ की लंबे समय तक तनाव में रहने पर विकृत होने का विरोध करने की क्षमता।
• क्रैक प्रोपेगेशन (Crack Propagation): पदार्थ में दरार के फैलने की प्रक्रिया।
• थर्मल कंडक्टिविटी (Thermal Conductivity): पदार्थ की गर्मी का संचालन करने की क्षमता।
• थर्मल एक्सपेंशन (Thermal Expansion): तापमान में परिवर्तन के जवाब में पदार्थ के आकार में परिवर्तन।
• रिफ्रैक्ट्री (Refractory): उच्च तापमान का सामना करने के लिए उपयोग की जाने वाली सामग्री।
• एब्रे सिव्स (Abrasives): अन्य सामग्रियों को पीसने, काटने या चमकाने के लिए उपयोग की जाने वाली कठोर सामग्री।
• इलेक्ट्रिकल कंडक्टिविटी (Electrical Conductivity): पदार्थ की विद्युत प्रवाह का संचालन करने की क्षमता।
• रेजिस्टिविटी (Resistivity): पदार्थ की विद्युत प्रवाह का विरोध करने की क्षमता।
• ओम्स लॉ (Ohm's Law): वोल्टेज, करंट और प्रतिरोध के बीच संबंध (V = IR)।
• ड्रिफ्ट वेलोसिटी (Drift Velocity): विद्युत क्षेत्र के कारण इलेक्ट्रॉन की औसत वेग।
• मोबिलिटी (Mobility): विद्युत क्षेत्र के जवाब में इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता का माप।
• मैथस रूल (Matthiessen's Rule): एक धातु की कुल प्रतिरोधकता विभिन्न स्कैटरिंग तंत्रों के कारण अलग-अलग प्रतिरोधकताओं का योग है।
• डिबाई टेंपरेचर (Debye Temperature): वह तापमान जिसके नीचे एक ठोस में जाली कंपन का योगदान नगण्य हो जाता है।

इलेक्ट्रिकल प्रॉपर्टीज ऑफ सेरेमिक्स (Electrical Properties of Ceramics)

• सेरेमिक्स आमतौर पर इलेक्ट्रिकल इंसुलेटर होते हैं क्योंकि उनमें फ्री इलेक्ट्रॉन नहीं होते हैं।
• इन्हें कैपेसिटर में डाइलेक्ट्रिक के रूप में उपयोग किया जाता है।
• सेरेमिक कैपेसिटर इलेक्ट्रिकल इंडस्ट्री में लोकप्रिय हैं, जैसे डिस्क स्टाइल कैपेसिटर।
• सेरेमिक्स का उपयोग इलेक्ट्रिकल आइसोलेशन प्रदान करने या चार्ज को स्टोर करने के लिए किया जाता है।
• डाइलेक्ट्रिक कांस्टेंट (εr) चार्ज को स्टोर करने की क्षमता को इंगित करता है।
• सेरेमिक्स में उच्च डाइलेक्ट्रिक कांस्टेंट, उच्च डाइलेक्ट्रिक स्ट्रेंथ और कम डाइलेक्ट्रिक लॉस होता है।
• εr के आधार पर सेरेमिक्स को दो श्रेणियों में विभाजित किया जाता है:
  • εr < 12: इलेक्ट्रिकल इंसुलेटर के रूप में उपयोग किया जाता है (उदाहरण: एलुमिना, पोर्सिलेन, स्टेटाइट)।
  • εr > 12: कैपेसिटर में डाइलेक्ट्रिक के रूप में उपयोग किया जाता है (उदाहरण: बेरियम टाइटेनेट (BaTiO3), लेड टाइटेनेट (PbTiO3), जिरकोनेट)।

मैकेनिकल प्रॉपर्टीज ऑफ सेरेमिक्स (Mechanical Properties of Ceramics)

• स्ट्रेंथ (Strength):
  • सेरेमिक्स संपीड़न में मजबूत होते हैं लेकिन तनाव में कमजोर होते हैं।
• हार्डनेस (Hardness):
  • सेरेमिक्स में उच्च खरोंच प्रतिरोध होता है।
• इलास्टिसिटी (Elasticity):
  • सेरेमिक्स आमतौर पर रैखिक लोचदार व्यवहार करते हैं (हुक का नियम)।
• ब्रिटलनेस (Brittleness), डक्टिलिटी (Ductility) और मेलिबिलिटी (Malleability):
  • सेरेमिक्स भंगुर सामग्री हैं जिनमें नगण्य डक्टिलिटी और मेलिबिलिटी होती है।
• टफनेस (Toughness):
  • सेरेमिक्स में कम टफनेस होती है।
• कोरोजन रेजिस्टेंस (Corrosion Resistance):
  • सेरेमिक्स में उच्च कोरोजन प्रतिरोध होता है।
• क्रीप रेजिस्टेंस (Creep Resistance):
  • सेरेमिक्स सामान्य रूप से उच्च तापमान तक क्रीप नहीं करते हैं।
• क्रैक प्रोपेगेशन (Crack Propagation):
  • सेरेमिक्स तनाव एकाग्रता बिंदुओं पर दरारें विकसित करते हैं।
  • ये दरारें संपीड़न भार के तहत आसानी से नहीं फैलती हैं, लेकिन तनाव भार के तहत फैल सकती हैं।
• फ्रैक्चर (Fracture):
  • सेरेमिक्स भंगुर मोड के तहत विफल होते हैं।

थर्मल प्रॉपर्टीज ऑफ सेरेमिक्स (Thermal Properties of Ceramics)

• सेरेमिक्स में उच्च गलनांक होता है।
• सेरेमिक्स में खराब थर्मल कंडक्टिविटी और थर्मल एक्सपेंशन का गुणांक होता है।
• सेरेमिक्स उत्कृष्ट थर्मल इंसुलेटर हैं।
• इन गुणों के कारण, सेरेमिक्स का उपयोग रिफ्रैक्ट्री में किया जाता है।

रिफ्रैक्ट्री (Refractories)

• रिफ्रैक्ट्री का उपयोग भट्टियों के निर्माण के लिए किया जाता है।
• रिफ्रैक्ट्री में निम्नलिखित गुण होने चाहिए:
  • उच्च गलनांक
  • थर्मल इंसुलेशन
  • उच्च तापमान पर भार का सामना करने की क्षमता
  • पिघले हुए धातु या स्लैग के साथ प्रतिक्रिया नहीं करनी चाहिए
  • अत्यधिक गैर-छिद्रपूर्ण होना चाहिए
• रिफ्रैक्ट्री के कई प्रकार हैं:
  • फायर क्ले रिफ्रैक्ट्री
  • सिलिका रिफ्रैक्ट्री (एसिड रिफ्रैक्ट्री)
  • बेसिक रिफ्रैक्ट्री (मुख्य रूप से मैग्नेशिया आधारित)
  • न्यूट्रल रिफ्रैक्ट्री (एसिड और बेस रिफ्रैक्ट्री को अलग करने के लिए उपयोग किया जाता है)
  • स्पेशल रिफ्रैक्ट्री (उच्च तापमान अनुप्रयोगों के लिए डिज़ाइन किया गया)
• स्पेशल रिफ्रैक्ट्री अपेक्षाकृत शुद्ध सामग्री हैं जिनमें उच्च डिग्री की गैर-छिद्रता होती है।
• आमतौर पर उच्च शुद्धता वाले ऑक्साइड जैसे Al2O3, ZrO2 और कार्बाइड जैसे SiC का उपयोग स्पेशल रिफ्रैक्ट्री के रूप में किया जाता है।
• अधिकांश कार्बाइड उच्च तापमान पर ऑक्सीकरण का विरोध नहीं करते हैं।
• सिलिकॉन कार्बाइड (SiC) एक अपवाद है। जब SiC ऑक्सीकरण होता है, तो SiO2 की एक पतली परत बनती है जो SiC को आगे ऑक्सीकरण से बचाती है।
• कार्बन और ग्रेफाइट बहुत रिफ्रैक्ट्री होते हैं, लेकिन 800 डिग्री सेल्सियस से ऊपर ऑक्सीकरण के लिए अतिसंवेदनशील होते हैं।
• SiC का उपयोग इलेक्ट्रिकल प्रतिरोध हीटिंग तत्व या क्रूसिबल के रूप में किया जाता है।

एब्रे सिव्स (Abrasives)

• एब्रे सिव्स का उपयोग अन्य सामग्रियों को पीसने, काटने या चमकाने के लिए किया जाता है।
• एब्रे सिव्स के लिए प्राथमिक आवश्यकता कठोरता या पहनने का प्रतिरोध है।
• इसके अतिरिक्त, एब्रे सिव्स में उच्च डिग्री की टफनेस होनी चाहिए।
• उच्च तापमान एब्रे सिव्स घर्षण बलों से उत्पन्न हो सकते हैं, इसलिए कुछ रिफ्रैक्ट्रीनेस भी वांछनीय है।
• हीरे का उपयोग एब्रे सिव्स के रूप में किया जाता है।
• अधिक सामान्य एब्रे सिव्स में सिलिकॉन कार्बाइड, टंगस्टन कार्बाइड, कोरंडम और सिलिका सैंड शामिल हैं।

इलेक्ट्रिकल कंडक्टिविटी एंड ओम्स लॉ (Electrical Conductivity and Ohm's Law)

• क्रॉस सेक्शनल एरिया (Cross-sectional Area): एक कंडक्टर के क्रॉस सेक्शन का क्षेत्र।
• लेंथ ऑफ द रॉड (Length of the Rod): एक कंडक्टर की लंबाई।
• टोटल नंबर ऑफ फ्री इलेक्ट्रॉन (Total Number of Free Electrons): एक कंडक्टर में फ्री इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या।
• फ्री इलेक्ट्रॉन कंसंट्रेशन (Free Electron Concentration): प्रति इकाई आयतन में फ्री इलेक्ट्रॉनों की संख्या (n = N / (लंबाई * क्षेत्र))।
• अप्लाइड वोल्टेज (Applied Voltage): एक कंडक्टर पर लागू वोल्टेज।
• इलेक्ट्रिक फील्ड इंटेंसिटी (Electric Field Intensity): प्रति इकाई लंबाई में वोल्टेज (E = V / L)।
• करंट फ्लोइंग थ्रू द रॉड (Current Flowing Through the Rod): एक कंडक्टर के माध्यम से बहने वाली धारा।
• करंट डेंसिटी (Current Density): प्रति इकाई क्षेत्र में धारा (J = I / A)।
• ड्रिफ्ट वेलोसिटी ऑफ इलेक्ट्रॉन (Drift Velocity of Electron): एक विद्युत क्षेत्र के कारण इलेक्ट्रॉन की औसत वेग।
• मोबिलिटी ऑफ इलेक्ट्रॉन (Mobility of Electron): एक विद्युत क्षेत्र के जवाब में इलेक्ट्रॉन की गतिशीलता का माप (μ = VD / E)।
• ओम्स लॉ (Ohm's Law): वोल्टेज, करंट और प्रतिरोध के बीच संबंध (V = IR)।
• रेजिस्टेंस (Resistance): विद्युत प्रवाह का विरोध (R = ρL / A)।
• रेजिस्टिविटी (Resistivity): एक सामग्री की विद्युत प्रवाह का विरोध करने की क्षमता (ρ)।
• इलेक्ट्रिकल कंडक्टिविटी (Electrical Conductivity): एक सामग्री की विद्युत प्रवाह का संचालन करने की क्षमता (σ = 1 / ρ)।
• मैथस रूल (Matthiessen's Rule): एक धातु की कुल प्रतिरोधकता विभिन्न स्कैटरिंग तंत्रों के कारण अलग-अलग प्रतिरोधकताओं का योग है।
• डिबाई टेंपरेचर (Debye Temperature): वह तापमान जिसके नीचे एक ठोस में जाली कंपन का योगदान नगण्य हो जाता है।
• टेंपरेचर कोफिशिएंट ऑफ रेजिस्टेंस (Temperature Coefficient of Resistance): तापमान के साथ प्रतिरोध में परिवर्तन का माप।
• रेसिड रेजिस्टविटी (Residual Resistivity): 0 केल्विन पर प्रतिरोधकता, जो अशुद्धियों और दोषों के कारण होती है।

फैक्टर्स अफेक्टिंग इलेक्ट्रिकल रेजिस्टिविटी (Factors Affecting Electrical Resistivity)

• क्रिस्टलीय दोष इलेक्ट्रॉनों की गति के लिए स्कैटरिंग पॉइंट के रूप में काम करते हैं।
• क्रिस्टलीय दोषों में वृद्धि के साथ, गतिशीलता घट जाती है और इसलिए प्रतिरोधकता बढ़ जाती है।
• क्रिस्टलीय दोषों की सांद्रता मुख्य रूप से तीन कारकों पर निर्भर करती है:
  • तापमान
  • अशुद्धियाँ (मिश्र धातु)
  • प्लास्टिक विरूपण
• कुल प्रतिरोधकता इन सभी कारकों से योगदान का योग है (मैथस रूल):
  • ρ = ρथर्मल + ρअशुद्धता + ρप्लास्टिक विरूपण
• तापमान:
  • तापमान में वृद्धि के साथ, चालकता घट जाती है (प्रतिरोधकता बढ़ जाती है)।
  • धातुओं में, तापमान में वृद्धि के साथ मुक्त इलेक्ट्रॉन सांद्रता में कोई सराहनीय वृद्धि नहीं होती है, लेकिन औसत टक्कर समय में महत्वपूर्ण कमी होती है।
• मिश्र धातु:
  • मिश्र धातु की प्रतिरोधकता हमेशा शुद्ध धातु की प्रतिरोधकता से अधिक होती है।
  • मिश्र धातु में शुद्ध धातु की तुलना में कम नियमित और आवधिक संरचना होती है।
• प्लास्टिक विरूपण:
  • प्लास्टिक विरूपण सामग्री में अव्यवस्थाओं की ओर जाता है।
  • ये अव्यवस्थाएँ इलेक्ट्रॉनों को बिखेरती हैं और इसलिए गतिशीलता घट जाती है और प्रतिरोधकता बढ़ जाती है।
  • हार्ड ड्रॉन कॉपर वायर में एनील्ड कॉपर वायर की तुलना में अधिक प्रतिरोधकता होती है।

वर्किंग रीजन (Working Region)

• वर्किंग रीजन में, प्रतिरोधकता तापमान के साथ रैखिक रूप से बदलती है:
  • RT = R0 (1 + αT)
  • जहाँ T डिग्री सेल्सियस में तापमान है और α तापमान प्रतिरोध का गुणांक है।

निष्कर्ष (Conclusion)

यह सारांश सेरेमिक्स और कंडक्टर की इलेक्ट्रिकल और मैकेनिकल प्रॉपर्टीज के साथ-साथ इलेक्ट्रिकल प्रतिरोधकता को प्रभावित करने वाले कारकों की व्यापक समझ प्रदान करता है। यह रिफ्रैक्ट्री और एब्रे सिव्स के अनुप्रयोगों पर भी प्रकाश डालता है।