- चुंबकीय क्षेत्र क्या होता है, और क्षेत्र रेखाओं से इसे कैसे चित्रित करें
- सीधा तार, वृत्ताकार पाश और परिनालिका: हर एक अपना अलग क्षेत्र पैटर्न कैसे बनाता है, और दक्षिण-हस्त अँगुष्ठ नियम से इसकी दिशा कैसे पता करें
- चुंबकीय क्षेत्र में धारावाही चालक पर बल क्यों लगता है, और फ्लेमिंग का वामहस्त नियम उसकी दिशा कैसे बताता है
- आपके अपने घर के विद्युन्मय, उदासीन और भूसंपर्क तार आपको सुरक्षित कैसे रखते हैं, और लघुपथन में असल में होता क्या है
1 चुंबकीय क्षेत्र और क्षेत्र रेखाएँ
आप पहले से जानते हैं कि दिक्सूचक की सुई असल में एक छोटा छड़-चुंबक है: जो सिरा उत्तर की ओर संकेत करता है वह उसका उत्तर ध्रुव है, और जो सिरा दक्षिण की ओर संकेत करता है वह उसका दक्षिण ध्रुव है। इसे किसी असली छड़-चुंबक के पास ले जाइए तो यह घूम जाती है: सजातीय ध्रुव एक-दूसरे को दूर धकेलते हैं, विजातीय ध्रुव एक-दूसरे को पास खींचते हैं। बिना छुए भी सुई को घुमाने वाली यह चीज़ आख़िर है क्या?
किसी चुंबक के चारों ओर वह क्षेत्र, जिसमें उस चुंबक के बल का संसूचन (पता लगाना) किया जा सकता है, उसे चुंबकीय क्षेत्र कहते हैं।
किसी छड़-चुंबक के चारों ओर काग़ज़ की सतह पर लौहचूर्ण (लोहे का बारीक़ चूर्ण) छितराइए और सतह को धीरे से थपथपाइए: लौहचूर्ण बेतरतीब नहीं बिखरता, बल्कि एक साफ़ पैटर्न में सज जाता है। हर कण अपने-आप एक नन्हा दिक्सूचक बन जाता है, जिसे उस बिंदु का चुंबकीय क्षेत्र घुमाता है। इसी पैटर्न को असली दिक्सूचक से बिंदु-दर-बिंदु अनुरेखित कीजिए, तो एक ध्रुव से दूसरे ध्रुव तक जाती हुई चिकनी वक्र रेखाएँ मिलती हैं।
चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ वे रेखाएँ हैं जिनके अनुदिश कोई मुक्त उत्तर ध्रुव चुंबकीय क्षेत्र में गति करने की प्रवृत्ति रखेगा। यही वे रेखाएँ हैं जिनके अनुदिश लौहचूर्ण स्वयं सज जाता है।
ध्यान दीजिए कि चुंबकीय क्षेत्र एक सदिश राशि है, यानी इसके परिमाण (कितना प्रबल) के साथ-साथ एक निश्चित दिशा भी होती है, ठीक वैसे ही जैसे बल या वेग की होती है। किसी बिंदु पर क्षेत्र की दिशा वही मानी जाती है जिस दिशा में वहाँ रखे दिक्सूचक का उत्तर ध्रुव संकेत करे।
दिशा
चुंबक के बाहर रेखाएँ उत्तर से दक्षिण जाती हैं। भीतर वे दक्षिण से उत्तर जाती हैं। इसलिए हर क्षेत्र रेखा एक बंद पाश है।
प्रबलता
पास-पास सटी क्षेत्र रेखाएँ प्रबल क्षेत्र दिखाती हैं; दूर-दूर फैली रेखाएँ कमज़ोर क्षेत्र दिखाती हैं।
वे कभी नहीं कटतीं
यदि दो क्षेत्र रेखाएँ कटतीं, तो उस बिंदु पर रखा दिक्सूचक एक साथ दो दिशाओं में संकेत करता, जो असंभव है।
“दो चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ एक-दूसरे को क्यों नहीं काटतीं?” 1-2 अंक का बहुत आम प्रश्न है। सिर्फ़ “नहीं कटतीं” मत लिखिए, हमेशा तर्क दीजिए: सुई एक साथ दो दिशाओं में संकेत नहीं कर सकती।
छात्र अक्सर लिखते हैं कि क्षेत्र रेखाएँ हर जगह दक्षिण से उत्तर जाती हैं। ऐसा केवल चुंबक के भीतर होता है। चुंबक के बाहर वे हमेशा उत्तर से दक्षिण ही जाती हैं।
2 विद्युत धारावाही चालक के कारण चुंबकीय क्षेत्र
चुंबक ही चुंबकीय क्षेत्र का इकलौता स्रोत नहीं हैं। किसी सीधे ताँबे के तार के पास दिक्सूचक रखिए और तार में धारा प्रवाहित कीजिए: सुई ठीक वैसे ही विक्षेपित होती है जैसे किसी छड़-चुंबक के पास होती।
हैंस क्रिश्चियन ऑर्स्टेड (1777-1851) ने सन् 1820 में अकस्मात यह खोजा कि किसी धातु के तार में विद्युत धारा प्रवाहित करने पर पास में रखी दिक्सूची में विक्षेप उत्पन्न होता है। इसी प्रेक्षण के आधार पर उन्होंने प्रमाणित किया कि विद्युत तथा चुंबकत्व परस्पर संबंधित परिघटनाएँ हैं, और इसी ने आगे चलकर रेडियो, टेलीविजन और तंतु-प्रकाशिकी जैसी प्रौद्योगिकियों का रास्ता खोला। चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता की इकाई ऑर्स्टेड, उन्हीं के सम्मान में रखी गई है।
एक लंबा सीधा ताँबे का तार, 1.5 V के दो या तीन सेल तथा एक प्लग कुंजी श्रेणीक्रम में संयोजित किए जाते हैं, और सीधे तार को दिक्सूची के ऊपर उसकी सुई के समांतर रखा जाता है। कुंजी लगाने पर यदि तार में विद्युत धारा उत्तर से दक्षिण की ओर प्रवाहित हो रही है, तो दिक्सूची का उत्तर ध्रुव पूर्व की ओर विक्षेपित होता है। सेलों के संयोजन बदलकर धारा की दिशा दक्षिण से उत्तर कर देने पर सुई विपरीत दिशा में, यानी पश्चिम की ओर विक्षेपित होती है।
निष्कर्ष: विद्युत धारा की दिशा उत्क्रमित करने पर उसके द्वारा उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र की दिशा भी उत्क्रमित हो जाती है।
2.1 सीधे धारावाही चालक के चारों ओर क्षेत्र
एक लंबे सीधे तार को क्षैतिज कार्डबोर्ड के एक छेद से गुज़ारिए, कार्डबोर्ड पर लौहचूर्ण छितराइए, और धारा चालू कीजिए। बोर्ड को धीरे से थपथपाइए: लौहचूर्ण तार को केंद्र मानकर संकेंद्री वृत्तों में सज जाता है।
दो चीज़ें यह पैटर्न बदल देती हैं: धारा बढ़ाइए, तो किसी स्थिर बिंदु पर दिक्सूचक का विक्षेप बढ़ जाता है: क्षेत्र बड़ी धारा के लिए प्रबल होता है। धारा वही रखते हुए दिक्सूचक को तार से दूर ले जाइए, तो विक्षेप घट जाता है: क्षेत्र तार से दूर जाने पर कमज़ोर होता है। धारा की दिशा उलट दीजिए, तो सुई के विक्षेप की दिशा भी उलट जाती है।
2.2 दक्षिण-हस्त अँगुष्ठ नियम
किसी धारावाही सीधे चालक को अपने दाएँ हाथ में इस प्रकार पकड़ने की कल्पना कीजिए कि अँगूठा धारा की दिशा में संकेत करे। तब आपकी मुड़ी हुई अँगुलियाँ चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं की दिशा बताती हैं। इसे दक्षिण-हस्त अँगुष्ठ नियम कहते हैं, और इसे मैक्सवेल का कॉर्कस्क्रू नियम भी कहा जाता है, क्योंकि यह उसी तरह काम करता है जैसे किसी कॉर्कस्क्रू को धारा की दिशा में आगे बढ़ाने पर वह घूमता है।
प्रश्न. किसी क्षैतिज विद्युत लाइन में धारा पूर्व से पश्चिम की ओर बहती है। तार के ठीक नीचे और ठीक ऊपर स्थित किसी बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की दिशा क्या होगी?
दिया गया: धारा की दिशा: पूर्व → पश्चिम
ज्ञात करना है: तार के ऊपर और नीचे क्षेत्र की दिशा
हल: तार पर दक्षिण-हस्त अँगुष्ठ नियम लगाइए: अँगूठा धारा की दिशा में यानी पूर्व से पश्चिम की ओर रखिए। तब मुड़ी हुई अँगुलियाँ बताती हैं कि क्षेत्र तार के चारों ओर पूर्वी सिरे से देखने पर दक्षिणावर्त और पश्चिमी सिरे से देखने पर वामावर्त परिचालित होता है। यह दिशा तार के ऊपर वाले बिंदु और नीचे वाले बिंदु, दोनों के लिए एक समान रहती है।
2.3 वृत्ताकार पाश के कारण क्षेत्र
उसी सीधे तार को मोड़कर एक वृत्ताकार पाश बना लीजिए और उसमें धारा प्रवाहित कीजिए। पाश का हर छोटा-सा भाग अब भी अपने चारों ओर वृत्ताकार क्षेत्र रेखाएँ बनाता है, लेकिन चूँकि पूरा पाश ही मुड़ा हुआ है, इसलिए वे छोटे-छोटे वृत्त एक-दूसरे पर ओवरलैप होकर जुड़ जाते हैं। तार के पास पैटर्न अब भी वृत्तों जैसा दिखता है; पाश के ठीक केंद्र पर इतने चापों का ओवरलैप हो जाता है कि क्षेत्र रेखाएँ लगभग सीधी दिखने लगती हैं।
तार को एक बार की जगह कई बार लपेटा जाए, तो उसे कुंडली कहते हैं, और उसकी हर एक लपेट को फेरा कहते हैं।
2.4 परिनालिका में धारा के कारण क्षेत्र
विद्युतरोधी ताँबे के तार के अनेक वृत्ताकार फेरों को बेलन के आकार में पास-पास लपेटकर बनाई गई कुंडली को परिनालिका कहते हैं।
धारावाही परिनालिका का क्षेत्र पैटर्न बिल्कुल छड़-चुंबक जैसा दिखता है: एक सिरा उत्तर ध्रुव जैसा व्यवहार करता है, दूसरा दक्षिण ध्रुव जैसा। परिनालिका के भीतर क्षेत्र रेखाएँ उसकी अक्ष के समांतर चलती हैं, जिसका अर्थ है कि भीतर हर बिंदु पर क्षेत्र एक-सा है: परिनालिका के भीतर क्षेत्र एकसमान होता है।
लंबी परिनालिका के भीतर रेखाएँ समांतर और बराबर दूरी पर होती हैं, इसलिए ये दिखाती हैं कि कागज़ पर एकसमान चुंबकीय क्षेत्र कैसे दर्शाया जाता है: सीधी, समांतर, बराबर दूरी पर खिंची रेखाएँ, जिन सब पर तीर एक ही दिशा में हों।
जब नर्म लोहे जैसा कोई चुंबकीय पदार्थ धारावाही परिनालिका के भीतर रखकर उसके भीतर के प्रबल क्षेत्र से चुंबकित हो जाता है, तो उसे विद्युत चुंबक कहते हैं।
3 चुंबकीय क्षेत्र में विद्युत धारावाही चालक पर बल
धारावाही चालक का अपना क्षेत्र पास रखे किसी चुंबक पर बल लगाता है। जैसे हर बल की एक बराबर और विपरीत प्रतिक्रिया होती है (न्यूटन का तीसरा नियम), वैसे ही चुंबक को भी उस धारावाही चालक पर बल वापस लगाना चाहिए।
फ्रांसीसी वैज्ञानिक आंद्रे-मैरी ऐम्पियर (1775-1836) ने सबसे पहले यह सुझाया कि चुंबक धारावाही चालक पर बराबर और विपरीत बल लगाता होगा।
किसी नाल-चुंबक के ध्रुवों के बीच, क्षेत्र को ठीक ऊपर की ओर रखते हुए, एक हल्की ऐलुमिनियम की छड़ लटकाइए और उसमें धारा प्रवाहित कीजिए: छड़ बग़ल में झूल जाती है। धारा उलटिए, तो वह दूसरी तरफ़ झूलती है। इसके बजाय चुंबक के ध्रुव बदल दीजिए, तो भी वह दूसरी तरफ़ झूलती है। धारा और क्षेत्र ठीक लंबवत हों तो यह धक्का सबसे अधिक होता है।
फ्लेमिंग का वामहस्त (बायाँ हाथ) नियम: बाएँ हाथ की तर्जनी, मध्यमा और अँगूठे को इस तरह फैलाइए कि तीनों एक-दूसरे के परस्पर लंबवत हों (किसी बक्से के कोने की तरह)। यदि तर्जनी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में और मध्यमा धारा की दिशा में संकेत करे, तो अँगूठा चालक पर लगे बल (गति) की दिशा बताता है।
प्रश्न. कोई इलेक्ट्रॉन किसी चुंबकीय क्षेत्र में क्षेत्र के लंबवत प्रवेश करता है, जैसा पाठ्यपुस्तक के चित्र 12.14 में दिखाया गया है: चुंबकीय क्षेत्र काग़ज़ पर बाएँ से दाएँ की ओर है, और इलेक्ट्रॉन काग़ज़ पर ऊपर से नीचे की ओर गति कर रहा है। इलेक्ट्रॉन पर लगने वाले बल की दिशा क्या है?
(a) दाईं ओर (b) बाईं ओर (c) काग़ज़ से बाहर की ओर आते हुए (d) काग़ज़ में भीतर की ओर जाते हुए
दिया गया: चुंबकीय क्षेत्र बाएँ से दाएँ; इलेक्ट्रॉन ऊपर से नीचे की ओर, क्षेत्र के लंबवत गति कर रहा है
ज्ञात करना है: इलेक्ट्रॉन पर बल की दिशा
हल: यहाँ परंपरागत धारा की दिशा को इलेक्ट्रॉन की गति की दिशा से अलग रखना ज़रूरी है: परंपरागत धारा हमेशा धनावेश के बहने की दिशा में मानी जाती है, इसलिए यह ऋणावेशित इलेक्ट्रॉन की असल गति की दिशा के ठीक विपरीत होती है। इसलिए यहाँ परंपरागत धारा नीचे से ऊपर की ओर है। अब फ्लेमिंग का वामहस्त नियम लगाइए: तर्जनी क्षेत्र की दिशा में (दाईं ओर), मध्यमा धारा की दिशा में (ऊपर की ओर)। तब अँगूठा काग़ज़ में भीतर की ओर संकेत करता है, इसलिए बल की दिशा काग़ज़ में भीतर की ओर है, यानी विकल्प (d)।
यही सिद्धांत, यानी चुंबकीय क्षेत्र में धारा को मिलने वाला धक्का, कई रोज़मर्रा के उपकरणों के पीछे काम करता है। विद्युत मोटर, विद्युत जनित्र, लाउडस्पीकर, माइक्रोफ़ोन और कई मापक यंत्र, सब इसी पर बने हैं।
हर विद्युत धारा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है, यहाँ तक कि हमारी अपनी तंत्रिका कोशिकाओं में बहने वाली दुर्बल आयन धाराएँ भी। जब आप किसी चीज़ को छूते हैं, तो एक विद्युत आवेग उन मांसपेशियों तक दौड़ता है जिन्हें आपको हिलाना है, और यह एक क्षणिक, बहुत दुर्बल चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है (पृथ्वी के अपने क्षेत्र का लगभग एक-अरबवाँ भाग)। हृदय और मस्तिष्क सबसे सार्थक ऐसे क्षेत्र उत्पन्न करते हैं। डॉक्टर इसी शरीर के अपने चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हैं: चुंबकीय अनुनाद प्रतिबिंबन (Magnetic Resonance Imaging, MRI) नाम की तकनीक इससे शरीर के भीतर की विस्तृत छवियाँ बनाती है, और इन्हीं छवियों के विश्लेषण से चिकित्सा निदान में मदद मिलती है।
4 घरेलू विद्युत परिपथ
आपके घर तक पहुँचने वाली बिजली, चाहे ओवरहेड खंभों से आए या भूमिगत केबलों से, दो तारों पर आती है, और हर तार का अपना तय काम है।
| तार | विद्युतरोधन का रंग | भूमिका |
|---|---|---|
| विद्युन्मय तार | लाल | धनात्मक; आपूर्ति ले जाता है |
| उदासीन तार | काला | ऋणात्मक; परिपथ पूरा करता है |
| भूसंपर्क तार | हरा | केवल सुरक्षा के लिए: भूमि में दबी धातु की प्लेट से जुड़ा |
भारत की घरेलू आपूर्ति में विद्युन्मय और उदासीन तारों के बीच विभवांतर (वह “धक्का” जो दो बिंदुओं के बीच धारा बहाता है, जिसे आप विद्युत अध्याय से पहले ही जानते हैं और जो वोल्ट में मापा जाता है) 220 V है, जो प्रत्यावर्ती धारा (यानी बार-बार दिशा बदलती रहने वाली धारा) के रूप में 50 Hz पर मिलती है। मीटर-बोर्ड पर ये तार पहले विद्युत मीटर और मुख्य फ्यूज़ (धारा असाधारण रूप से बढ़ने पर परिपथ को अपने-आप तोड़ देने वाला सुरक्षा-यंत्र, आगे इसी भाग में विस्तार से) से गुज़रते हैं, फिर मुख्य स्विच से होकर घर के अपने लाइन तारों में जाते हैं। एक घर सामान्यतः दो अलग परिपथों में बँटा होता है: गीज़र और एयर कूलर जैसे उच्च-शक्ति उपकरणों के लिए 15 A का परिपथ, और बल्ब-पंखों के लिए 5 A का परिपथ।
भूसंपर्क तार किसी उपकरण के धातु आवरण को भूमि में गहराई पर दबी धातु की प्लेट से जोड़ता है। यदि कभी धातु आवरण पर कोई धारा लीक हो जाए, तो वह किसी व्यक्ति से होकर बहने के बजाय इसी कम-प्रतिरोध रास्ते से सुरक्षित रूप से भूमि में चली जाती है, और आवरण का विभव पृथ्वी के बराबर बना रहता है। किसी उपकरण को इस तरह भूसंपर्क तार से जोड़ने की पूरी प्रक्रिया को ही भूसंपर्कण कहा जाता है।
घरेलू उपकरण विद्युन्मय और उदासीन तारों के बीच पार्श्वक्रम में जोड़े जाते हैं, श्रेणीक्रम में नहीं, ताकि हर उपकरण को बराबर 220 V मिले और उसे बाक़ी उपकरणों से स्वतंत्र रूप से चालू-बंद किया जा सके।
लघुपथन तब होता है जब विद्युन्मय और उदासीन तार सीधे एक-दूसरे को छू लेते हैं, आमतौर पर विद्युतरोधन घिस जाने या किसी उपकरण में ख़राबी आ जाने से। इससे परिपथ की धारा अचानक बढ़ जाती है।
अतिभारण तब होता है जब किसी परिपथ को उसकी क्षमता से अधिक धारा ढोने पर मजबूर किया जाए, जैसे एक सॉकेट में बहुत सारे उपकरण जोड़ने से, या आपूर्ति वोल्टता में अचानक वृद्धि होने से।
फ्यूज़ वह सुरक्षा युक्ति है जो इससे होने वाली असली क्षति रोकती है: धारा असाधारण रूप से अधिक हो जाने पर फ्यूज़ का तार अपने ही प्रतिरोध से गरम होकर (ठीक वैसे ही जैसे धारा के तापीय प्रभाव में पढ़ा) पिघल जाता है, और वायरिंग या उपकरण को नुक़सान पहुँचने से पहले ही परिपथ टूट जाता है।
✓ यह करें
- धातु आवरण वाले उपकरणों (प्रेस, टोस्टर, रेफ़्रिजरेटर) को हमेशा भूसंपर्कित रखें
- हर परिपथ के लिए सही रेटिंग का फ्यूज़ या MCB लगाएँ
- किसी भी वायरिंग की मरम्मत से पहले मुख्य स्विच बंद कर दें
✗ यह कभी न करें
- एक ही सॉकेट में कई उच्च-शक्ति उपकरण न जोड़ें
- बार-बार उड़ने वाले फ्यूज़ को नज़रअंदाज़ न करें, इसका मतलब है कोई ख़राबी मौजूद है
- गीले हाथों से किसी धातु उपकरण को न छुएँ, भले ही वह ठीक दिखे
- चुंबकीय क्षेत्र किसी चुंबक (या धारा) के चारों ओर वह क्षेत्र है जहाँ उसके बल का संसूचन किया जा सकता है; यह एक सदिश राशि है, यानी इसके परिमाण और दिशा दोनों होते हैं, और क्षेत्र रेखाएँ ठीक यही दोनों दिखाती हैं।
- क्षेत्र रेखाएँ चुंबक के बाहर उत्तर से दक्षिण जाती हैं, भीतर दक्षिण से उत्तर; वे कभी नहीं कटतीं।
- धारावाही सीधे तार की क्षेत्र रेखाएँ वृत्ताकार होती हैं: दिशा दक्षिण-हस्त अँगुष्ठ नियम से (अँगूठा = धारा, मुड़ी अँगुलियाँ = क्षेत्र)।
- वृत्ताकार पाश का क्षेत्र केंद्र पर सीधा दिखता है; n फेरों का क्षेत्र एक फेरे के क्षेत्र का n गुना होता है।
- परिनालिका के भीतर क्षेत्र एकसमान होता है और बाहर छड़-चुंबक जैसा दिखता है; भीतर रखा नर्म लोहे का क्रोड विद्युत चुंबक बन जाता है।
- चुंबकीय क्षेत्र में धारावाही चालक पर बल लगता है: दिशा फ्लेमिंग के वामहस्त नियम से (अँगूठा = बल, तर्जनी = क्षेत्र, मध्यमा = धारा)।
- घरों को विद्युन्मय (लाल) और उदासीन (काला) तार पर 220 V, 50 Hz की प्रत्यावर्ती विद्युत शक्ति मिलती है; भूसंपर्क तार (हरा) धातु आवरण से लीक होने वाली धारा से बचाता है।
- लघुपथन विद्युन्मय और उदासीन तार के सीधे स्पर्श से होने वाली अचानक धारा-वृद्धि है। अतिभारण किसी परिपथ को उसकी क्षमता से अधिक धारा ढोने पर मजबूर करना है, चाहे बहुत सारे उपकरणों से हो या वोल्टता-वृद्धि से। दोनों ही स्थितियों में क्षति से पहले फ्यूज़ पिघलकर परिपथ तोड़ देता है।
- क्या मैं किसी छड़-चुंबक और किसी धारावाही सीधे तार के आसपास क्षेत्र रेखाएँ खींच सकता/सकती हूँ?
- क्या मैं दक्षिण-हस्त अँगुष्ठ नियम बता सकता/सकती हूँ और इसे सीधे तार, पाश और परिनालिका पर लगा सकता/सकती हूँ?
- क्या मैं किसी धारावाही चालक पर लगने वाले बल की दिशा जानने के लिए फ्लेमिंग का वामहस्त नियम लगा सकता/सकती हूँ?
- क्या मैं विद्युन्मय, उदासीन और भूसंपर्क तार को उनके रंगों सहित नाम दे सकता/सकती हूँ और भूसंपर्कण का महत्व समझा सकता/सकती हूँ?
- क्या मैं समझा सकता/सकती हूँ कि लघुपथन कैसे होता है और फ्यूज़ इसके बारे में क्या करता है?