विद्युत धारा के चुंबकीय प्रभाव

यह क्यों ज़रूरी है

1820 में हान्स क्रिश्चियन ओर्स्टेड नाम के एक डेनिश शिक्षक एक प्रयोग जमा रहे थे, तभी उन्होंने कुछ अजीब देखा: जब-जब वे तार में धारा चालू करते, पास रखी कम्पास की सुई हिल जाती। वह छोटी-सी हिलावट भौतिकी की सबसे बड़ी खोजों में से एक थी — बिजली और चुंबकत्व एक ही सिक्के के दो पहलू हैं। धारा सिर्फ़ तार को गरम ही नहीं करती; उसके चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र भी बना देती है।

यही एक विचार आज की पूरी दुनिया चलाता है। हर बिजली की मोटर — तुम्हारे पंखे, मिक्सर, बिजली की ट्रेन में — इसलिए घूमती है क्योंकि चुंबकीय क्षेत्र में रखी धारा को एक धक्का लगता है। हर लाउडस्पीकर, हर MRI मशीन, कबाड़ी की क्रेन का हर विद्युतचुंबक इसी का इस्तेमाल करता है।

यह अध्याय तुम्हें यह कड़ी दोनों तरफ़ से दिखाता है: धारा कैसे चुंबकीय क्षेत्र बनाती है, और चुंबकीय क्षेत्र कैसे धारा को धकेलता है। अंत तक तुम्हारे अपने घर की वायरिंग का चित्र — विद्युन्मय (live), उदासीन (neutral), भू-तार (earth), फ़्यूज़ — भी पूरी तरह समझ में आ जाएगा।

मुख्य विचार

एक चलता आवेश (धारा) अपने चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। और चुंबकीय क्षेत्र में रखी धारा को एक बल लगता है। दो सीधे हाथ-नियम तुम्हें दिशाएँ बता देते हैं: धारा जो क्षेत्र बनाती है उसके लिए दाएँ हाथ के अंगूठे का नियम, और क्षेत्र जो बल धारा पर लगाता है उसके लिए फ्लेमिंग के बाएँ हाथ का नियम।

इन दोनों हिस्सों को दिमाग़ में अलग रखो। पहला हिस्सा: तार → क्षेत्र (अपना दायाँ हाथ इस्तेमाल करो)। दूसरा हिस्सा: क्षेत्र-में-रखा-तार → बल (अपना बायाँ हाथ इस्तेमाल करो)। अध्याय की लगभग हर चीज़ इन्हीं दोनों में से एक है, बस अलग-अलग आकारों पर लगाई गई — सीधा तार, लूप, परिनालिका।

आइए इसे समझें

चुंबकीय क्षेत्र और क्षेत्र रेखाएँ

किसी चुंबक के चारों ओर एक क्षेत्र होता है जहाँ उसका बल महसूस किया जा सकता है — उसका चुंबकीय क्षेत्र। हम इस क्षेत्र को क्षेत्र रेखाओं से दिखाते हैं। क्षेत्र में रखी कम्पास इन रेखाओं के साथ सीध में आ जाती है, और उसका उत्तरी ध्रुव क्षेत्र की दिशा में इशारा करता है।

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क्षेत्र रेखाओं के बारे में तीन बातें ज़रूर जान लो:

• ये चुंबक के बाहर उत्तरी ध्रुव से दक्षिणी ध्रुव की ओर चलती हैं (और चुंबक के अंदर S से N), इसलिए बंद लूप बनाती हैं।
• पास-पास रेखाओं का मतलब प्रबल क्षेत्र — ध्रुवों के पास क्षेत्र सबसे प्रबल होता है।
• दो क्षेत्र रेखाएँ कभी नहीं काटतीं। अगर काटतीं, तो उस बिंदु पर कम्पास को एक साथ दो दिशाओं में इशारा करना पड़ता — जो नामुमकिन है।

सीधे धारावाही तार के चारों ओर का क्षेत्र

जब सीधे तार में धारा बहती है, तो उसके चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र तार पर केंद्रित संकेंद्री वृत्त बनाता है। तार से दूर जाओ तो वृत्त बड़े होते जाते हैं और क्षेत्र कमज़ोर; धारा बढ़ाओ तो क्षेत्र प्रबल हो जाता है।

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क्षेत्र किस ओर घूमता है यह जानने के लिए दाएँ हाथ के अंगूठे का नियम इस्तेमाल करो: कल्पना करो तुमने तार को अपने दाएँ हाथ में पकड़ा है, अंगूठा धारा की दिशा में इशारा करता हुआ। तब तुम्हारी मुड़ी हुई उँगलियाँ क्षेत्र रेखाओं की दिशा बताती हैं।

वृत्ताकार लूप और परिनालिका के कारण क्षेत्र

तार को वृत्ताकार लूप में मोड़ दो और क्षेत्र रेखाएँ, जो तार के हर हिस्से के चारों ओर वृत्त थीं, लूप के केंद्र पर जुड़कर लूप के आर-पार सीधा क्षेत्र दे देती हैं। n फेरों की कुंडली एक फेरे से n गुना क्षेत्र देती है, क्योंकि हर फेरे का योगदान एक ही दिशा में जुड़ता है।

ऐसे कई फेरों को पास-पास एक बेलन में लपेट दो तो परिनालिका (solenoid) बन जाती है। धारावाही परिनालिका का क्षेत्र बिल्कुल छड़ चुंबक जैसा दिखता है: एक सिरा उत्तरी ध्रुव की तरह बर्ताव करता है, दूसरा दक्षिणी ध्रुव की तरह, और उसके अंदर क्षेत्र एकसमान होता है (समानांतर, बराबर दूरी वाली रेखाएँ)।

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परिनालिका के अंदर नरम लोहे का टुकड़ा रखो और प्रबल क्षेत्र उसे चुंबकित कर देता है — यही विद्युतचुंबक है। स्थायी चुंबक के विपरीत, इसे चालू-बंद किया जा सकता है और बहुत प्रबल बनाया जा सकता है, इसीलिए क्रेन, बिजली की घंटियाँ और कई मशीनें इन्हें इस्तेमाल करती हैं।

धारावाही चालक पर बल

अब उलटी कड़ी। ओर्स्टेड ने दिखाया कि धारा क्षेत्र बनाती है; ऐम्पियर ने तर्क दिया कि तब चुंबक को भी धारा पर पलटकर धक्का देना चाहिए। ऐसा ही होता है: चुंबकीय क्षेत्र में रखे धारावाही तार को एक बल लगता है।

बल तब सबसे बड़ा होता है जब धारा क्षेत्र के समकोण पर हो, और अगर तुम धारा या क्षेत्र में से किसी एक को भी उलट दो तो बल उलट जाता है। उसकी दिशा निकालने के लिए फ्लेमिंग के बाएँ हाथ का नियम इस्तेमाल करो:

अपने बाएँ हाथ के अंगूठे, तर्जनी और मध्यमा को ऐसे फैलाओ कि तीनों आपस में लंबवत हों। तर्जनी → क्षेत्र (Field), मध्यमा → धारा (Current), और अंगूठा → बल/गति (Thrust)।

यही बिजली की मोटर, लाउडस्पीकर और माइक्रोफ़ोन के पीछे का सिद्धांत है — क्षेत्र में रखी धारा को चलाया जाता है।

घरेलू विद्युत परिपथ

तुम्हारे घर तक पहुँचने वाली बिजली दो मुख्य तारों पर आती है: एक विद्युन्मय तार (live) (लाल आवरण, भारत में औसतन +220 V पर) और एक उदासीन तार (neutral) (काला)। एक तीसरा भू-तार (earth) (हरा) उपकरणों की धातु की बॉडी को ज़मीन में गड़ी एक धातु प्लेट से जोड़ता है।

• उपकरण विद्युन्मय और उदासीन तारों के आर-पार पार्श्वक्रम (parallel) में जुड़े होते हैं, ताकि हर एक को पूरा 220 V और अपना स्विच मिले।
• भू-तार एक सुरक्षा तार है: अगर कोई ख़राबी उपकरण की धातु बॉडी को विद्युन्मय कर दे, तो धारा तुम्हारे ज़रिए जाने के बजाय सुरक्षित रूप से ज़मीन में चली जाती है।
• एक फ़्यूज़ (श्रेणीक्रम में) परिपथ की रक्षा करता है। अगर धारा बहुत ज़्यादा हो जाए, तो फ़्यूज़ तार गरम होकर (जूल तापन) पिघल जाता है और परिपथ तोड़ देता है।
• अतिभारण (overloading) = बहुत ज़्यादा धारा, एक ही सॉकेट पर बहुत सारे उपकरण या वोल्टेज में अचानक उछाल से। लघुपथन (short-circuiting) = विद्युन्मय और उदासीन तार सीधे छू जाएँ (जैसे आवरण ख़राब हो), जिससे अचानक भारी धारा बहती है। फ़्यूज़ दोनों को काट देता है।

आम ग़लतियाँ

झटपट जाँच

अभ्यास के सवाल

सारांश

• धारावाही तार अपने चारों ओर एक चुंबकीय क्षेत्र बनाता है (ओर्स्टेड)। बिजली और चुंबकत्व आपस में जुड़े हैं।
• चुंबकीय क्षेत्र को क्षेत्र रेखाओं से दिखाते हैं: चुंबक के बाहर N से S, बंद लूप, कभी न काटतीं, जहाँ प्रबल वहाँ पास-पास।
• सीधे तार के चारों ओर क्षेत्र संकेंद्री वृत्त होता है; दिशा दाएँ हाथ के अंगूठे के नियम से (अंगूठा = धारा, उँगलियाँ = क्षेत्र)।
• वृत्ताकार लूप अपने केंद्र से होकर क्षेत्र देता है; परिनालिका छड़ चुंबक जैसी बर्ताव करती है जिसके अंदर एकसमान क्षेत्र होता है। नरम लोहे का कोर डालो तो विद्युतचुंबक (चालू/बंद, समायोज्य) बन जाता है।
• चुंबकीय क्षेत्र में धारा को बल लगता है, जो धारा ⟂ क्षेत्र होने पर सबसे बड़ा। दिशा फ्लेमिंग के बाएँ हाथ के नियम से (तर्जनी = क्षेत्र, मध्यमा = धारा, अंगूठा = बल)। यही बिजली की मोटर चलाता है।
• घरेलू परिपथ: विद्युन्मय (लाल), उदासीन (काला), भू-तार (हरा)। उपकरण 220 V पर पार्श्वक्रम में। फ़्यूज़ ज़्यादा धारा पर पिघलता है; भू-तार झटकों से बचाता है। अतिभारण और लघुपथन ख़तरनाक धाराएँ पैदा करते हैं।

आगे क्या?

अब तुमने धारा का ऊष्मीय प्रभाव (अध्याय 11) और चुंबकीय प्रभाव दोनों देख लिए। भौतिकी के दोनों हिस्से पूरे होने के बाद, पाठ्यक्रम प्रयोगशाला से तुम्हारे आसपास की जीती-जागती दुनिया की ओर मुड़ता है।

अध्याय 13: हमारा पर्यावरण में, तुम देखोगे कि ऊर्जा और पदार्थ पारितंत्रों से कैसे बहते हैं — आहार शृंखला और आहार जाल, पोषी स्तर और 10% नियम, उत्पादक, उपभोक्ता और अपघटक की भूमिकाएँ, और कूड़ा-कचरा तथा ओज़ोन परत को नुक़सान जैसी मानवीय गतिविधियाँ प्रकृति के नाज़ुक संतुलन को कैसे बिगाड़ती हैं।