Unit 4: Electricity (மின்னோட்டவியல்)
அலகு 4: மின்னோட்டவியல் — Tamil Nadu Samacheer Kalvi Book Back Answers & Solutions
Official Tamil Nadu textbook solutions for electric current, Ohm's law, resistance in series and parallel, Joule's heating law, electric power, and domestic circuits with step-by-step numerical calculations.
மின்னோட்டம், ஓம் விதி, தொடர் மற்றும் பக்க இணைப்பு மின்தடையாக்கிகள், ஜூலின் வெப்ப விதி, மின் திறன் மற்றும் வீட்டு மின்சுற்றுகள் பற்றிய அதிகாரப்பூர்வ பாடப்புத்தகத் தீர்வுகள்.
📐 Important Formulas & Laws Quick Revision
-
Electric Current (I) (மின்னோட்டம் (I)):
I = Q / t = (n × e) / tSI Unit: Ampere (A). 1 A = 1 C s⁻¹. e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C. -
Ohm's Law (ஓம் விதி):
V = I × R ⟹ R = V / IAt constant temperature, current is directly proportional to potential difference. SI unit of resistance is Ohm (Ω). -
Resistors in Series (R_s) (தொடர் இணைப்பு மின்தடை):
R_s = R₁ + R₂ + R₃Equivalent resistance is greater than the highest individual resistance. Current I remains constant. -
Resistors in Parallel (R_p) (பக்க இணைப்பு மின்தடை):
1/R_p = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃Equivalent resistance is lesser than the lowest individual resistance. Voltage V remains constant across each resistor. -
Joule's Law of Heating (ஜூலின் வெப்ப விதி):
H = I² × R × t = V × I × t = (V² / R) × tHeat produced is directly proportional to square of current, resistance, and time. SI unit: Joule (J). -
Electric Power (P) & Energy (மின் திறன் (P) & மின் ஆற்றல்):
P = V × I = I²R = V²/R | Energy = P × tSI Unit of Power: Watt (W). Commercial unit of electrical energy: 1 Board of Trade unit = 1 kWh = 3.6 × 10⁶ J.
Part I: Choose the Correct Answer (1 Mark)
1. Which of the following is correct?
கீழ்க்கண்டவற்றுள் எது சரியானது?
- (a) Rate of flow of charge is electrical power
- (b) Rate of flow of charge is electric current ✓ (Correct Answer)
- (c) Rate of change of resistance is electric current
- (d) Rate of change of charge is electrical potential
2. SI unit of resistance is ________.
மின்தடையின் SI அலகு ________.
- (a) mho
- (b) joule
- (c) ohm ✓ (Correct Answer)
- (d) ohm meter
3. In a simple circuit, why does the bulb glow when you close the switch?
ஒரு எளிய மின்சுற்றில், சாவியை மூடும் போது மின்விளக்கு ஒளிர்வது ஏன்?
- (a) The switch produces electricity
- (b) Closing the switch completes the circuit ✓ (Correct Answer)
- (c) Closing the switch breaks the circuit
- (d) The bulb is getting charged
4. Kilowatt hour (kWh) is the commercial unit of ________.
கிலோவாட் மணி (kWh) என்பது எதனுடைய வணிகமுறை அலகு?
- (a) resistivity
- (b) conductivity
- (c) electrical energy ✓ (Correct Answer)
- (d) electrical power
Part II: Fill in the Blanks (கோடிட்ட இடங்களை நிரப்புக)
1. When a circuit is open, _____________ cannot pass through it.
மின்சுற்று திறந்திருக்கும் போது, அதன் வழியே _____________ பாயாது.
Answer: electric current (மின்னோட்டம்)
2. The ratio of the potential difference to the current is known as ________.
மின்னழுத்த வேறுபாட்டிற்கும் மின்னோட்டத்திற்கும் இடையே உள்ள விகிதம் ________ எனப்படும்.
Answer: resistance (மின்தடை)
3. The wiring in a house consists of _________ circuits.
வீட்டு மின்சுற்றுகளில் மின்சாதனங்கள் _________ முறையில் இணைக்கப்படுகின்றன.
Answer: parallel (பக்க இணைப்பு)
4. The power of an electric device is a product of _________ and __________.
ஒரு மின் சாதனத்தின் திறன் என்பது _________ மற்றும் _________ ஆகியவற்றின் பெருக்கற்பலன் ஆகும்.
Answer: voltage (potential difference), electric current (மின்னழுத்த வேறுபாடு, மின்னோட்டம்)
5. LED stands for __________________.
LED என்பதன் விரிவாக்கம் __________________.
Answer: Light Emitting Diode (ஒளி உமிழ் டையோடு)
Part III: State True or False with Statement Correction (சரியா? தவறா?)
1. Ohm's law states the relationship between power and voltage.
ஓம் விதி திறன் மற்றும் மின்னழுத்தத்திற்கு இடையே உள்ள தொடர்பைத் தெரிவிக்கிறது.
✗ FALSE (தவறு)
2. MCB is used to protect household electrical appliances.
வீட்டு உபயோக மின்சாதனங்களைப் பாதுகாக்க MCB (Miniature Circuit Breaker) பயன்படுகிறது.
✓ TRUE (சரி)
3. The SI unit for electric current is the coulomb.
மின்னோட்டத்தின் SI அலகு கூலூம் ஆகும்.
✗ FALSE (தவறு)
4. One unit of electrical energy consumed is equal to 1000 kilowatt hour.
ஒரு யூனிட் மின்னாற்றல் என்பது 1000 கிலோவாட் மணிக்குச் சமம்.
✗ FALSE (தவறு)
5. The effective resistance of three resistors connected in series is lesser than the lowest of the individual resistances.
தொடரிணைப்பில் உள்ள மூன்று மின்தடையாக்கிகளின் தொகுபயன் மின்தடை, மிகக் குறைந்த தனித்தனி மின்தடையை விடக் குறைவு.
✗ FALSE (தவறு)
Part IV: Match the Following (பொருத்துக)
- Electric current (மின்னோட்டம்) ➔ Ampere (A)
- Potential difference (மின்னழுத்த வேறுபாடு) ➔ Volt (V)
- Specific resistance (தன்மின் தடை எண்) ➔ Ohm meter (Ω m)
- Electrical power (மின் திறன்) ➔ Watt (W)
- Electrical energy (மின் ஆற்றல்) ➔ Joule (J)
Part V: Assertion and Reason (கூற்றும் காரணமும்)
Question 1:
Assertion (A): Electric appliances with a metallic body have three wire connections.
Reason (R): Three pin connections reduce heating of the connecting wires.
Correct Answer: (c) Assertion is true, but reason is false
Assertion is true, but Reason is false. The green earth wire in a three-pin plug connects the metallic body directly to ground. In case of insulation failure, fault current flows safely into the earth, tripping the fuse/MCB and protecting the user from severe electric shock.
Question 2:
Assertion (A): In a simple battery circuit, the point of highest potential is the positive terminal of the battery.
Reason (R): The current flows towards the point of highest potential.
Correct Answer: (c) Assertion is true, but reason is false
Assertion is true, but Reason is false. The positive terminal is at the highest potential (+V). However, conventional electric current always flows from higher potential to lower potential (from positive to negative terminal).
Question 3:
Assertion (A): LED bulbs are far better than incandescent bulbs.
Reason (R): LED bulbs consume less power than incandescent bulbs.
Correct Answer: (a) Both assertion and reason are true, and reason is the correct explanation of assertion
Both assertion and reason are true, and reason is the correct explanation. LED bulbs have no filament, generate negligible heat waste, consume substantially less power for equivalent lumens, and last up to 25 times longer than incandescent bulbs.
Part VI: Short Answer Questions — 2 Marks (சுருக்கமான விடையளி)
Q1. Define the unit of electric current (1 Ampere).
மின்னோட்டத்தின் அலகை (1 ஆம்பியர்) வரையறு.
- The SI unit of electric current is Ampere (A).
- One Ampere is defined as the flow of one Coulomb of electric charge through any cross-section of a conductor in one second.
- Formula: 1 Ampere (A) = 1 Coulomb (C) / 1 Second (s) = 1 C s⁻¹.
Q2. What happens to the resistance of a conductor as it is made thicker?
ஒரு கடத்தியின் தடிமனை அதிகரிக்கும் போது அதன் மின்தடை என்னவாகும்?
- The resistance of a conductor is inversely proportional to its area of cross section: R ∝ 1 / A.
- When the conductor is made thicker, its area of cross-section (A) increases.
- Therefore, the resistance of the conductor DECREASES.
Q3. Why is tungsten metal used in incandescent bulbs, but not in fuse wires?
மின்விளக்குகளில் தங்ஸ்டன் இழை பயன்படுத்தப்படுகிறது, ஆனால் மின் உருகி இழையாகப் பயன்படுத்தப்படுவதில்லை ஏன்?
- In Bulbs: Tungsten has an extremely high melting point (3422 °C) and high resistance. When current flows, it glows white-hot emitting bright light without melting.
- In Fuse Wires: A fuse wire must have a LOW melting point so that it immediately melts and breaks the circuit when excess current flows. Tungsten would not melt during overloading and would destroy electrical appliances.
Q4. Name any two devices which work on the heating effect of electric current.
மின்னோட்டத்தின் வெப்ப விளைவின் அடிப்படையில் செயல்படும் ஏதேனும் இரண்டு சாதனங்களின் பெயர்களைக் கூறுக.
- 1. Electric Iron (மின் இஸ்திரிப் பெட்டி)
- 2. Electric Heater / Geyser (மின் சூடேற்றி / வெந்நீர் கொதிகலன்)
- 3. Electric Toaster (ரொட்டி சுடும் கருவி)
Q5. Define electric potential and electric potential difference.
மின்னழுத்தம் மற்றும் மின்னழுத்த வேறுபாடு வரையறு.
- Electric Potential (V): The amount of work done in moving a unit positive charge from infinity to a specific point against electrostatic forces. Unit: Volt (V).
- Electric Potential Difference (ΔV): The amount of work done in moving a unit positive charge from one point to another point against electrostatic forces: V = W / Q. Unit: Volt (V).
Q6. What is the role of the earth wire in domestic circuits?
வீட்டு மின்சுற்றுகளில் புவித்தொடுப்புக் கம்பியின் (Earth Wire) பங்கு யாது?
- 1. Safety: The earth wire (green insulation) is connected to the metallic casing of household electrical appliances.
- 2. Shock Prevention: In case of live wire insulation breakdown touching the metal body, current flows harmlessly into the earth through the low-resistance earth wire, blowing the fuse/MCB and preventing fatal electric shocks.
Q7. State Ohm's law.
ஓம் விதியைக் கூறுக.
- Statement: At constant temperature, the steady current (I) flowing through a conductor is directly proportional to the potential difference (V) between its two ends.
- Mathematical Form: V ∝ I ⟹ V = I × R (where R is the resistance of the conductor).
Q8. Distinguish between the electrical resistivity (specific resistance) and electrical conductivity of a conductor.
மின்தடை எண் (தன்மின் தடை எண்) மற்றும் மின்கடத்து எண் ஆகியவற்றை வேறுபடுத்துக.
- 1. Electrical Resistivity (ρ): It is the resistance of a conductor of unit length and unit area of cross section. Formula: ρ = (R × A) / l. SI Unit: Ohm meter (Ω m).
- 2. Electrical Conductivity (σ): It is the reciprocal of electrical resistivity and measures how easily charges flow. Formula: σ = 1 / ρ. SI Unit: Ohm⁻¹ m⁻¹ (or mho m⁻¹ or Siemens m⁻¹).
Q9. What type of connection is used in domestic appliances and why?
வீட்டு மின்சுற்றுகளில் எந்த வகையான இணைப்பு பயன்படுத்தப்படுகிறது? ஏன்?
- Type of Connection: Parallel Connection (பக்க இணைப்பு).
- Reasons:
- 1. Constant Voltage: Each appliance gets the full rated line voltage (220 V).
- 2. Independent Operation: Each appliance has its own independent switch; turning off or failure of one appliance does not disrupt others.
- 3. Minimum Equivalent Resistance: Parallel connection keeps total resistance low, allowing appliances to draw required current.
Part VII: Long Answer Questions — 5 / 7 Marks (விரிவான விடையளி)
Q1. With the help of circuit diagrams, derive the formula for the resultant resistance of three resistors connected (a) in series and (b) in parallel.
மின்சுற்று வரைபடங்களின் உதவியுடன் மூன்று மின்தடையாக்கிகள் (அ) தொடரிணைப்பு மற்றும் (ஆ) பக்க இணைப்பில் இணைக்கப்படும் போது தொகுபயன் மின்தடைக்கான கோவைகளை வருவிக்க.
1. Resistors in Series (R_s)
- Definition: When resistors R₁, R₂, R₃ are connected end to end in a single loop, they are in series.
- Current: Same current 'I' flows through every resistor.
- Potential Difference: Total voltage V divides: V = V₁ + V₂ + V₃ ---- (1)
- By Ohm's law: V₁ = I R₁, V₂ = I R₂, V₃ = I R₃, and V = I R_s.
- Substituting in (1): I R_s = I R₁ + I R₂ + I R₃ = I (R₁ + R₂ + R₃).
- Dividing by I: R_s = R₁ + R₂ + R₃.
- Conclusion: Equivalent resistance in series is the algebraic sum of individual resistances and is GREATER than the highest individual resistance.
2. Resistors in Parallel (R_p)
- Definition: When resistors R₁, R₂, R₃ are connected across two common junction points, they are in parallel.
- Potential Difference: Voltage 'V' across each resistor is identical.
- Current: Total current I divides through branches: I = I₁ + I₂ + I₃ ---- (2)
- By Ohm's law: I₁ = V / R₁, I₂ = V / R₂, I₃ = V / R₃, and I = V / R_p.
- Substituting in (2): V / R_p = V / R₁ + V / R₂ + V / R₃ = V (1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃).
- Dividing by V: 1 / R_p = 1/R₁ + 1/R₂ + 1/R₃.
- Conclusion: The reciprocal of equivalent resistance is the sum of reciprocals of individual resistances, and R_p is LESSER than the lowest individual resistance.
Q2. (a) What is meant by electric current? (b) Name and define its unit. (c) Which instrument is used to measure electric current? How should it be connected in a circuit?
(அ) மின்னோட்டம் என்றால் என்ன? (ஆ) அதன் அலகைக் கூறி வரையறு. (இ) மின்னோட்டத்தை அளவிடப் பயன்படும் கருவி எது? அதனை ஒரு மின்சுற்றில் எவ்வாறு இணைக்க வேண்டும்?
a) Electric Current (1.5 Marks)
- Electric current is defined as the rate of flow of electric charges through any cross-section of a conductor.
- Formula: I = Q / t (where Q is charge in coulombs and t is time in seconds).
b) SI Unit of Electric Current (1.5 Marks)
- The SI unit of electric current is Ampere (A).
- Definition of 1 Ampere: If one coulomb of charge flows across any cross-section of a conductor in one second, then the electric current flowing through it is said to be 1 Ampere (1 A = 1 C / 1 s).
c) Measurement and Circuit Connection (2 Marks)
- Instrument: An Ammeter is used to measure electric current in a circuit.
- Connection: An ammeter must ALWAYS be connected in SERIES in an electrical circuit so that the entire circuit current passes through it.
- Safety Property: An ideal ammeter has zero (negligibly small) internal resistance so it does not alter the circuit current.
Q3. (a) State Joule's law of heating. (b) An alloy of nickel and chromium (Nichrome) is used as the heating element. Why? (c) How does a fuse wire protect electrical appliances?
(அ) ஜூலின் வெப்ப விதியைக் கூறுக. (ஆ) நிக்கல் மற்றும் குரோமியத்தின் கலப்புலோகமான நிக்ரோம் வெப்பமூட்டும் சாதனங்களில் பயன்படுவது ஏன்? (இ) மின் உருகி இழை மின்சாதனங்களை எவ்வாறு பாதுகாக்கிறது?
a) Joule's Law of Heating (2 Marks)
- Statement: The heat produced (H) in a resistor is:
- 1. Directly proportional to the square of current: H ∝ I²
- 2. Directly proportional to resistance: H ∝ R
- 3. Directly proportional to time for which current flows: H ∝ t
- Formula: H = I² × R × t (in Joules).
b) Why Nichrome is used as Heating Element (1.5 Marks)
- Nichrome (alloy of Nickel and Chromium) is chosen because:
- 1. It has high electrical resistivity (specific resistance).
- 2. It has an exceptionally high melting point (approx 1400 °C).
- 3. It is not easily oxidized even at red-hot temperatures.
c) Protection by Fuse Wire (1.5 Marks)
- A fuse wire is an alloy of lead and tin with a LOW melting point and high resistance.
- It is connected in series with the live wire. When excessive current flows due to short-circuiting or overloading, Joule heat (H = I²Rt) quickly melts the fuse wire, breaking the circuit and saving costly home appliances from fire.
Q4. Explain about domestic electric circuits with key features (circuit diagram not required).
வீட்டு மின்சுற்றுகள் பற்றி விரிவாக விளக்குக (மின்சுற்று வரைபடம் தேவையில்லை).
1. Power Supply and Wires
- Electricity is supplied to our homes through underground cables or overhead electric poles at 220 V potential difference and 50 Hz AC frequency.
- Three insulated wires enter our home:
- • Live Wire (Red insulation): Carries high potential (220 V).
- • Neutral Wire (Black insulation): Maintained at ground zero potential (0 V).
- • Earth Wire (Green insulation): Safety ground wire connected to a metal plate buried deep inside the earth.
2. Entry Sequence into Home
- 1. Electric Company's Main Fuse (Pole fuse)
- 2. Electricity Meter (KWh meter to record units consumed)
- 3. Main Switch / Distribution Box with MCBs (Miniature Circuit Breakers) to independently isolate different rooms.
3. Circuit Types and Parallel Distribution
- Two types of circuits are used:
- • 5 A Rating Circuit: For lower power appliances (bulbs, tube lights, fans).
- • 15 A Rating Circuit: For high power appliances (heaters, air conditioners, refrigerators, geysers).
- All appliances are connected in parallel so each gets 220 V and works independently with its own switch.
Q5. (a) What are the advantages of LED TV over normal TV? (b) List the merits of an LED bulb.
(அ) சாதாரண தொலைக்காட்சியை விட எல்.இ.டி (LED) தொலைக்காட்சியின் நன்மைகள் யாவை? (ஆ) எல்.இ.டி பல்புகளின் நன்மைகளைப் பட்டியலிடுக.
a) Advantages of LED TV over Normal TV (2.5 Marks)
- 1. Brighter Picture Quality: LED displays offer higher contrast, vibrant color reproduction, and sharper picture quality.
- 2. Thinner and Lighter: Because LEDs are extremely small, LED TVs are ultra-slim and lightweight.
- 3. Energy Efficient: Consumes significantly less power compared to LCD or CRT TVs.
- 4. Longer Lifespan and Reliability: LEDs have an operational life exceeding 50,000 to 100,000 hours.
b) Merits of LED Bulb (2.5 Marks)
- 1. No Filament: Has no delicate filament to burn out, making it resistant to shock and vibration.
- 2. Negligible Heat Loss: Emits light without producing excessive heat waste, saving up to 85% energy.
- 3. Eco-Friendly: Contains no toxic mercury or harmful gases (unlike CFL bulbs).
- 4. Instant Light: Turns on instantly at full brightness without warm-up time.
- 5. Long Life: Operates for more than 25,000 hours, outlasting incandescent bulbs by 25 times.
Part VIII: Solved Problems Corner / Numerical Calculations
Problem 1: An electric iron consumes energy at the rate of 420 W when heating is at the maximum rate and 180 W when heating is at the minimum rate. The applied voltage is 220 V. What is the current in each case?
ஒரு மின் இஸ்திரிப் பெட்டி அதிகபட்ச வெப்பத்தில் 420 W திறனையும், குறைந்தபட்ச வெப்பத்தில் 180 W திறனையும் பயன்படுத்துகிறது. அதற்கு 220 V மின்னழுத்தம் கொடுக்கப்பட்டால், ஒவ்வொரு நிலையிலும் பாயும் மின்னோட்டம் யாது?
Problem 2: A 100 watt electric bulb is used for 5 hours daily and four 60 watt bulbs are used for 5 hours daily. Calculate the energy consumed (in kWh) in the month of January.
100 W மின்விளக்கு நாள்தோறும் 5 மணி நேரமும், நான்கு 60 W மின்விளக்குகள் நாள்தோறும் 5 மணி நேரமும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. ஜனவரி மாதத்தில் நுகரப்படும் மின்னாற்றலை (kWh-ல்) கணக்கிடுக.
Problem 3: A torch bulb is rated at 3 V and 600 mA. Calculate its (a) power, (b) resistance, (c) energy consumed if it is used for 4 hours.
ஒரு கைமின்விளக்கு (Torch bulb) 3 V மற்றும் 600 mA என குறிக்கப்பட்டுள்ளது. அதன் (அ) திறன், (ஆ) மின்தடை, (இ) 4 மணி நேரம் பயன்படுத்தினால் நுகரப்படும் மின்னாற்றல் ஆகியவற்றைக் கணக்கிடுக.
Problem 4: A piece of wire having a resistance R is cut into five equal parts. (a) How will the resistance of each part change compared with the original resistance? (b) If the five parts are placed in parallel, how will the resistance of the combination change? (c) What will be the ratio of the effective resistance in series connection to that of the parallel connection?
R மின்தடை கொண்ட ஒரு கம்பி ஐந்து சமபாகங்களாக வெட்டப்படுகிறது. (அ) ஒவ்வொரு பகுதியின் மின்தடை எவ்வாறு மாறும்? (ஆ) ஐந்து பகுதிகளும் பக்க இணைப்பில் இணைக்கப்பட்டால் தொகுபயன் மின்தடை எவ்வாறு மாறும்? (இ) தொடரிணைப்பு மற்றும் பக்க இணைப்புகளின் தொகுபயன் மின்தடைகளின் தகவு யாது?
Problem HOTS 1: Two resistors when connected in parallel give a resultant resistance of 2 ohm; but when connected in series the effective resistance becomes 9 ohm. Calculate the value of each resistance.
இரு மின்தடையாக்கிகள் பக்க இணைப்பில் இணைக்கப்படும் போது அவற்றின் தொகுபயன் மின்தடை 2 ஓம்; தொடரிணைப்பில் 9 ஓம் எனில், தனித்தனி மின்தடைகளின் மதிப்புகளைக் கணக்கிடுக.
Problem HOTS 2: How many electrons are passing per second in a circuit in which there is a current of 5 A?
5 A மின்னோட்டம் பாயும் ஒரு மின்சுற்றில் ஒரு வினாடியில் பாயும் எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை எத்தனை?
Problem HOTS 3: A piece of wire of resistance 10 ohm is drawn out so that its length is increased to three times its original length. Calculate the new resistance.
10 ஓம் மின்தடை கொண்ட ஒரு கம்பி அதன் நீளத்தை விட மூன்று மடங்கு நீளத்திற்கு இழுக்கப்படுகிறது எனில், அதன் புதிய மின்தடையைக் கணக்கிடுக.