चुंबकीय प्रभाव: पाठ, हल किए गए प्रश्न और अभ्यास

बिजली से चुंबक: शुरुआत ऑर्स्टेड से

कबाड़ी की दुकान पर कभी बड़ी क्रेन देखी है, जो लोहे के ढेर पर एक गोल पट्टा नीचे करती है और लोहे के टुकड़े उससे चिपककर ऊपर उठ जाते हैं? बटन दबाते ही सारा लोहा नीचे गिर जाता है। वह पट्टा बिजली से चलने वाला चुंबक है। घर का पंखा, आटा पीसने वाली चक्की की मोटर और साइकिल के पहिये से चलने वाली डायनेमो की बत्ती भी इसी अध्याय की बातों पर टिकी हैं।

पिछले अध्याय में आपने विद्युत धारा का तापीय प्रभाव पढ़ा था। यह अध्याय धारा के चुंबकीय प्रभाव का है। एक छोटा क्रियाकलाप यही दिखाता है:

1. ताँबे का एक सीधा मोटा तार XY परिपथ के दो बिंदुओं के बीच इस तरह लगाइए कि वह कागज़ की सतह के लंबवत खड़ा रहे। परिपथ में बैटरी, ऐमीटर, परिवर्ती प्रतिरोध और प्लग कुंजी लगी है।
2. तार के पास क्षैतिज रूप में एक छोटी दिक्सूचक रखिए और सुई की स्थिति नोट कीजिए।
3. कुंजी लगाकर धारा प्रवाहित कीजिए। सुई अपनी जगह से घूम जाती है। इसे सुई का विक्षेपित होना कहते हैं।

सुई तो चुंबक से ही हिलती है। इसका मतलब है कि ताँबे के तार में बहती धारा ने अपने आसपास चुंबकीय प्रभाव पैदा किया। इससे पता चलता है कि विद्युत और चुंबकत्व एक-दूसरे से जुड़े हुए हैं।

हैंस क्रिश्चियन ऑर्स्टेड (1777-1851): सन् 1820 में उन्होंने संयोग से देखा कि धातु के तार में धारा बहाने पर पास रखी दिक्सूची में विक्षेप होता है। इसी से उन्होंने सिद्ध किया कि विद्युत और चुंबकत्व आपस में संबंधित परिघटनाएँ हैं। आगे चलकर इसी खोज से रेडियो, टेलीविज़न और तंतु प्रकाशिकी जैसी तकनीकें निकलीं। उनके सम्मान में चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता के मात्रक का नाम ऑर्स्टेड रखा गया।

इस अध्याय में आगे चार बड़ी बातें आएँगी: धारा से बना चुंबकीय क्षेत्र, चुंबकीय क्षेत्र में धारा पर लगने वाला बल (विद्युत मोटर), गतिमान चुंबक से बनी धारा (विद्युत जनित्र), और घर की बिजली की वायरिंग।

चुंबकीय क्षेत्र क्या है

दिक्सूचक की सुई असल में एक छोटा छड़ चुंबक है। इसका जो सिरा उत्तर की ओर रुकता है, वह उत्तरोमुखी ध्रुव या उत्तर ध्रुव कहलाता है, और जो सिरा दक्षिण की ओर रुकता है, वह दक्षिणोमुखी ध्रुव या दक्षिण ध्रुव। स्वतंत्र रूप से लटका हुआ कोई भी चुंबक इसी तरह उत्तर-दक्षिण दिशा में आकर ठहरता है।

चुंबकों के बारे में दो बातें आप पहले से जानते हैं:

• सजातीय ध्रुवों (उत्तर-उत्तर या दक्षिण-दक्षिण) में प्रतिकर्षण होता है।
• विजातीय ध्रुवों (उत्तर-दक्षिण) में आकर्षण होता है।

इसी कारण छड़ चुंबक पास लाने पर दिक्सूचक की सुई घूम जाती है।

क्रियाकलाप: लौह-चूर्ण का पैटर्न

ड्राइंग बोर्ड पर सफ़ेद कागज़ चिपकाकर बीच में एक छड़ चुंबक रखिए। चारों ओर नमक-छितरावक से थोड़ा लौह-चूर्ण एक जैसा छिड़किए और बोर्ड को धीरे से थपथपाइए। लौह-चूर्ण अपने-आप कुछ खास वक्र रेखाओं में सज जाता है, जो एक ध्रुव से निकलकर दूसरे ध्रुव तक जाती दिखती हैं।

ऐसा इसलिए होता है कि चुंबक अपने आसपास के स्थान में बल लगाता है और लौह-चूर्ण का हर कण यह बल महसूस करता है।

• चुंबक के चारों ओर का वह क्षेत्र, जिसमें उसके बल का पता लगाया जा सके, उस चुंबक का चुंबकीय क्षेत्र कहलाता है।
• जिन रेखाओं के अनुदिश लौह-चूर्ण सज जाता है, वे चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ दिखाती हैं।

क्षेत्र रेखाएँ कोई असली धागे नहीं हैं। ये क्षेत्र को समझाने के लिए खींची गई काल्पनिक रेखाएँ हैं। लौह-चूर्ण बस इनका पैटर्न हमारी आँखों के सामने ले आता है।

दिक्सूची से क्षेत्र रेखाएँ खींचना और उनके गुण

लौह-चूर्ण के बिना भी आप क्षेत्र रेखा खुद खींच सकते हैं:

1. कागज़ के बीच छड़ चुंबक रखकर उसकी सीमा रेखा पेंसिल से बना लीजिए।
2. छोटी दिक्सूची को चुंबक के उत्तर ध्रुव के पास रखिए। उसका दक्षिण ध्रुव चुंबक के उत्तर ध्रुव की ओर और उत्तर ध्रुव दूर की ओर संकेत करता है।
3. दिक्सूची के दोनों सिरों की जगह नुकीली पेंसिल से बिंदु लगाकर अंकित कीजिए।
4. अब दिक्सूची को खिसकाकर ऐसे रखिए कि उसका दक्षिण ध्रुव वहाँ आ जाए जहाँ पहले उत्तर ध्रुव का बिंदु लगाया था। नए उत्तर ध्रुव का बिंदु लगाइए।
5. यह क्रम चुंबक के दक्षिण ध्रुव तक पहुँचने तक दोहराइए और सब बिंदुओं को एक चिकने वक्र से जोड़ दीजिए। यह एक क्षेत्र रेखा है।

अलग-अलग जगह से शुरू करके ऐसी कई रेखाएँ खींचने पर पूरा पैटर्न बन जाता है। ध्रुवों के पास जाने पर सुई का विक्षेप बढ़ता जाता है।

क्षेत्र रेखा को ऐसे भी परिभाषित करते हैं: यह वह पथ है जिस पर कोई कल्पित स्वतंत्र उत्तर ध्रुव चलने की प्रवृत्ति रखता है।

चुंबकीय क्षेत्र एक ऐसी राशि है जिसमें परिमाण और दिशा, दोनों होते हैं। किसी बिंदु पर क्षेत्र की दिशा वह है, जिधर वहाँ रखी दिक्सूची का उत्तर ध्रुव संकेत करता है।

क्षेत्र रेखाओं के गुण:

रेखाएँ क्यों नहीं काटतीं? अगर वे किसी बिंदु पर कटें, तो उस बिंदु पर क्षेत्र की दो दिशाएँ होंगी और वहाँ रखी दिक्सूची की सुई एक साथ दो दिशाओं में संकेत करेगी। ऐसा संभव नहीं है।

सीधे धारावाही तार का चुंबकीय क्षेत्र

क्रियाकलाप: तार के नीचे दिक्सूची

1.5 V के दो-तीन सेल, एक लंबा सीधा ताँबे का तार और प्लग कुंजी श्रेणीक्रम में जोड़िए। तार को दिक्सूची के ऊपर, उसकी सुई के समांतर रखिए और कुंजी लगाइए।

• अगर तार में धारा उत्तर से दक्षिण की ओर बहे, तो सुई का उत्तर ध्रुव पूर्व की ओर विक्षेपित होता है।
• सेलों के सिरे उलटकर धारा दक्षिण से उत्तर कीजिए, तो सुई पश्चिम की ओर घूमती है।

धारा की दिशा उलटते ही चुंबकीय क्षेत्र की दिशा भी उलट जाती है।

क्रियाकलाप: कार्डबोर्ड पर संकेंद्री वृत्त

एक 12 V की बैटरी, धारा नियंत्रक (परिवर्ती प्रतिरोध), 0-5 A परिसर का ऐमीटर, प्लग कुंजी और एक लंबा मोटा ताँबे का तार लीजिए। आयताकार कार्डबोर्ड के बीच से तार को कार्डबोर्ड के तल के लंबवत सीधा निकालिए और पूरे परिपथ को श्रेणीक्रम में जोड़िए। कार्डबोर्ड पर लौह-चूर्ण छिड़ककर धारा चालू कीजिए और कार्डबोर्ड को हल्के से थपथपाइए।

लौह-चूर्ण तार के चारों ओर संकेंद्री वृत्तों में सज जाता है। ये वृत्त सीधे तार के चुंबकीय क्षेत्र की रेखाएँ हैं, और इन सबका केंद्र तार ही है। किसी वृत्त पर दिक्सूची रखने से उसका उत्तर ध्रुव उस बिंदु पर क्षेत्र की दिशा बता देता है।

इसी क्रियाकलाप से दो और नतीजे निकलते हैं:

तार से दूर जाने पर वृत्त बड़े होते जाते हैं और क्षेत्र कमज़ोर होता जाता है।

दक्षिण-हस्त अंगुष्ठ नियम

सीधे तार के चारों ओर क्षेत्र किस दिशा में घूमता है, यह जानने का आसान तरीका है दक्षिण-हस्त (दायाँ हाथ) अंगुष्ठ नियम:

कल्पना कीजिए कि आपने धारावाही चालक को अपने दाहिने हाथ में इस तरह पकड़ा है कि अँगूठा धारा की दिशा में संकेत करे। तब चालक के चारों ओर लिपटी आपकी अँगुलियाँ चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं की दिशा बताएँगी।

इस नियम को मैक्सवेल का कॉर्कस्क्रू नियम भी कहते हैं। कॉर्कस्क्रू (पेचकस जैसा पेंच) को धारा की दिशा में आगे बढ़ाने के लिए जिस दिशा में घुमाना पड़ता है, वही क्षेत्र की दिशा है।

उदाहरण: बिजली की लाइन

एक क्षैतिज पावर लाइन में धारा पूर्व से पश्चिम की ओर बह रही है। तार के ठीक नीचे और ठीक ऊपर क्षेत्र की दिशा क्या होगी?

दाहिने हाथ का अँगूठा पश्चिम की ओर रखकर तार पकड़िए। पूर्वी सिरे से देखने पर क्षेत्र तार के लंबवत तल में दक्षिणावर्त घूमता है, और पश्चिमी सिरे से देखने पर वामावर्त। दिशाओं में कहें तो:

• तार के ठीक नीचे क्षेत्र दक्षिण की ओर है।
• तार के ठीक ऊपर क्षेत्र उत्तर की ओर है।

तार के ऊपर और नीचे क्षेत्र की दिशाएँ आपस में उल्टी होती हैं, क्योंकि दोनों बिंदु एक ही वृत्त के आमने-सामने पड़ते हैं।

वृत्ताकार पाश का चुंबकीय क्षेत्र

अब उसी सीधे तार को मोड़कर एक गोल पाश (लूप) बना लीजिए और उसमें धारा भेजिए। पाश का हर छोटा हिस्सा सीधे तार की तरह अपने चारों ओर संकेंद्री वृत्त बनाता है। तार से दूर जाने पर ये वृत्त बड़े होते जाते हैं, और पाश के केंद्र तक पहुँचते-पहुँचते इन बड़े वृत्तों के चाप सीधी रेखाओं जैसे दिखने लगते हैं।

दक्षिण-हस्त अंगुष्ठ नियम लगाकर देखिए: पाश का हर भाग अंदर की ओर क्षेत्र को एक ही दिशा में धकेलता है। इसलिए पाश के भीतर सब क्षेत्र रेखाएँ एक ही दिशा में होती हैं और वे आपस में जुड़ जाती हैं।

कई फेरों का असर: किसी बिंदु पर क्षेत्र धारा के अनुपात में बढ़ता है। अगर कुंडली में n फेरे हों और हर फेरे में धारा एक ही दिशा में बहे, तो सबके क्षेत्र जुड़ जाते हैं और क्षेत्र एक फेरे की तुलना में n गुना प्रबल हो जाता है।

क्रियाकलाप: दो छेद वाले कार्डबोर्ड में बहुत फेरों वाली एक वृत्ताकार कुंडली कार्डबोर्ड के तल के लंबवत लगाइए। इसके सिरों को बैटरी, कुंजी और धारा नियंत्रक से श्रेणीक्रम में जोड़कर कार्डबोर्ड पर लौह-चूर्ण छिड़किए। धारा चालू करके थपथपाने पर तार के पास छोटे वृत्त और कुंडली के बीच में लगभग सीधी रेखाएँ दिखती हैं।

एक उदाहरण: मेज़ के तल पर रखे पाश में ऊपर से देखने पर दक्षिणावर्त धारा बह रही हो, तो अँगुलियों को धारा के साथ मोड़ने पर अँगूठा नीचे की ओर आता है। इसलिए पाश के भीतर क्षेत्र मेज़ के तल में नीचे की ओर (मेज़ में घुसता हुआ) और पाश के बाहर ऊपर की ओर होता है।

परिनालिका और विद्युत चुंबक

पास-पास लिपटे विद्युतरोधी ताँबे के तार की बेलन के आकार वाली, बहुत फेरों वाली कुंडली को परिनालिका कहते हैं।

धारा बहने पर परिनालिका के चारों ओर क्षेत्र रेखाओं का पैटर्न बिल्कुल छड़ चुंबक जैसा बनता है:

• परिनालिका का एक सिरा उत्तर ध्रुव और दूसरा सिरा दक्षिण ध्रुव की तरह काम करता है। धारा की दिशा उलटने पर ध्रुव भी अदल-बदल जाते हैं।
• परिनालिका के भीतर क्षेत्र रेखाएँ समांतर सीधी रेखाएँ होती हैं। इसका मतलब है कि भीतर हर बिंदु पर क्षेत्र एक जैसा है। ऐसे क्षेत्र को एकसमान चुंबकीय क्षेत्र कहते हैं।

किसी जगह का एकसमान क्षेत्र आरेख में दिखाना हो, तो बराबर दूरी पर खिंची समांतर सीधी रेखाएँ बनाइए और सब पर एक ही दिशा में तीर लगाइए।

विद्युत चुंबक: परिनालिका के भीतर का प्रबल क्षेत्र किसी चुंबकीय पदार्थ को चुंबक बना सकता है। परिनालिका के अंदर नर्म लोहे की छड़ रखकर धारा चालू करने पर छड़ प्रबल चुंबक बन जाती है। इसे विद्युत चुंबक कहते हैं। विद्युत चुंबक में नर्म लौह-क्रोड होता है, जिसके चारों ओर विद्युतरोधी ताँबे के तार की कुंडली लिपटी रहती है।

नर्म लोहे का चुंबकत्व धारा बंद होते ही लगभग खत्म हो जाता है, इसलिए क्रेन वाला चुंबक बटन दबाते ही लोहा छोड़ देता है। परिनालिका से स्टील की छड़ को भी चुंबकित किया जा सकता है। स्टील चुंबकत्व को देर तक बनाए रखता है, इसलिए स्थायी चुंबक स्टील से बनते हैं।

चुंबकीय क्षेत्र में धारावाही चालक पर बल

धारा से बना चुंबकीय क्षेत्र पास रखे चुंबक पर बल लगाता है। फ्रांसीसी वैज्ञानिक आंद्रे मैरी ऐम्पियर (1775-1836) ने यह विचार रखा कि तब चुंबक को भी धारावाही चालक पर परिमाण में बराबर पर दिशा में उल्टा बल लगाना चाहिए।

क्रियाकलाप: झूलती ऐलुमिनियम छड़

1. लगभग 5 cm लंबी ऐलुमिनियम की छोटी छड़ AB को दो संयोजक तारों से स्टैंड पर क्षैतिज लटकाइए।
2. एक प्रबल नाल चुंबक ऐसे रखिए कि छड़ उसके दोनों ध्रुवों के बीच रहे और क्षेत्र ऊपर की ओर हो। इसके लिए चुंबक का उत्तर ध्रुव छड़ के ठीक नीचे और दक्षिण ध्रुव ठीक ऊपर रहे।
3. छड़ को बैटरी, कुंजी और धारा नियंत्रक से श्रेणीक्रम में जोड़कर B से A की ओर धारा भेजिए।

इससे तीन बातें साफ़ होती हैं:

1. चुंबकीय क्षेत्र में रखे धारावाही चालक पर बल लगता है।
2. बल की दिशा धारा की दिशा और क्षेत्र की दिशा, दोनों पर निर्भर है।
3. बल (और विस्थापन) तब सबसे अधिक होता है जब धारा की दिशा क्षेत्र के लंबवत हो। तब बल की दिशा इन दोनों के लंबवत होती है।

धारा बढ़ाने, ज़्यादा प्रबल चुंबक लेने या क्षेत्र में पड़ी छड़ की लंबाई बढ़ाने से बल बढ़ता है, और छड़ ज़्यादा खिसकती है।

फ्लेमिंग का वामहस्त नियम

धारा और क्षेत्र परस्पर लंबवत हों, तो बल की दिशा इस नियम से मिलती है:

अपने बाएँ हाथ की तर्जनी, मध्यमा और अँगूठे को ऐसे फैलाइए कि तीनों एक-दूसरे के परस्पर लंबवत हों। यदि तर्जनी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और मध्यमा धारा की दिशा में हो, तो अँगूठा चालक पर लगे बल (या चालक की गति) की दिशा बताएगा।

विद्युत मोटर, विद्युत जनित्र, ध्वनि विस्तारक यंत्र (लाउडस्पीकर), माइक्रोफ़ोन और विद्युत मापक यंत्र ऐसी युक्तियाँ हैं जिनमें धारावाही चालक और चुंबकीय क्षेत्र साथ काम करते हैं।

इलेक्ट्रॉन पर नियम लगाते समय सावधानी: धारा की दिशा इलेक्ट्रॉनों की गति के उल्टी मानी जाती है। मान लीजिए चुंबकीय क्षेत्र कागज़ के तल में दाईं ओर है और एक इलेक्ट्रॉन नीचे की ओर चलता हुआ क्षेत्र में लंबवत घुसता है। तब धारा की दिशा ऊपर की ओर मानी जाएगी। तर्जनी दाईं ओर और मध्यमा ऊपर की ओर रखने पर अँगूठा कागज़ के भीतर की ओर जाता है। यही इलेक्ट्रॉन पर बल की दिशा है।

चुंबकीय क्षेत्र में चलते आवेशित कण (जैसे प्रोटॉन) पर बल उसकी गति के लंबवत लगता है। इससे कण की दिशा मुड़ती है, इसलिए उसका वेग और संवेग बदलते हैं, पर उसका द्रव्यमान और चाल वही रहते हैं।

विद्युत मोटर

विद्युत मोटर एक घूमने वाली युक्ति है, जो विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलती है। पंखा, रेफ़्रिजरेटर, मिक्सी, वाशिंग मशीन, कंप्यूटर और MP3 प्लेयर जैसी चीज़ों में मोटर लगी होती है।

सिद्धांत: चुंबकीय क्षेत्र में रखे धारावाही चालक पर बल लगता है, जिसकी दिशा फ्लेमिंग के वामहस्त नियम से मिलती है।

बनावट:

• चुंबक के दो ध्रुव N और S, आमने-सामने।
• विद्युतरोधी तार की आयताकार कुंडली ABCD, जिसकी भुजाएँ AB और CD क्षेत्र के लंबवत हैं।
• कुंडली के दोनों सिरे विभक्त वलय के दो अर्धभागों P और Q से जुड़े हैं। इनकी भीतरी सतह विद्युतरोधी है और ये धुरी से जुड़े हैं।
• P और Q के बाहरी सिरों को दो स्थिर चालक ब्रुश X और Y छूते हैं।
• ब्रुश, बैटरी और कुंजी K से जुड़े हैं।

कार्यविधि:

1. धारा बैटरी से ब्रुश X होकर कुंडली में घुसती है और ब्रुश Y से वापस जाती है। AB में धारा A से B और CD में C से D बहती है। दोनों भुजाओं में धारा उल्टी दिशाओं में है।
2. वामहस्त नियम से AB पर बल नीचे की ओर और CD पर ऊपर की ओर लगता है। कुंडली और धुरी वामावर्त घूमने लगती हैं।
3. आधा चक्कर पूरा होते ही Q का संपर्क ब्रुश X से और P का ब्रुश Y से हो जाता है। अब कुंडली में धारा DCBA की दिशा में बहती है।
4. धारा उलटने से दोनों भुजाओं पर बल भी उलट जाते हैं। जो भुजा पहले नीचे धकेली गई थी, अब ऊपर धकेली जाती है। कुंडली उसी दिशा में अगला आधा चक्कर पूरा कर लेती है।

हर आधे घूर्णन के बाद यही क्रम दोहराता है और कुंडली लगातार एक ही दिशा में घूमती रहती है।

परिपथ में धारा की दिशा उलटने वाली युक्ति दिक्परिवर्तक कहलाती है। मोटर में विभक्त वलय दिक्परिवर्तक का काम करता है। विभक्त वलय न हो, तो आधे चक्कर के बाद बल कुंडली को उल्टा घुमाने लगेंगे और कुंडली बस आगे-पीछे झूलती रहेगी।

व्यावसायिक मोटरों में: (i) स्थायी चुंबक की जगह विद्युत चुंबक लगते हैं, (ii) कुंडली में बहुत अधिक फेरे होते हैं, और (iii) कुंडली नर्म लौह-क्रोड पर लपेटी जाती है। नर्म लौह-क्रोड और उस पर लिपटी कुंडली मिलकर आर्मेचर कहलाते हैं। इन सबसे मोटर की शक्ति बढ़ जाती है।

वैद्युतचुंबकीय प्रेरण: चुंबक हिलाओ, धारा पाओ

मोटर में धारा से गति मिली। क्या उल्टा भी हो सकता है, कि गति से धारा मिले? इसका पहला अध्ययन माइकेल फैराडे ने सन् 1831 में किया।

क्रियाकलाप: कुंडली और छड़ चुंबक

बहुत फेरों वाली तार की कुंडली AB के सिरों को गैल्वेनोमीटर से जोड़िए।

निष्कर्ष: कुंडली के सापेक्ष चुंबक की गति से कुंडली में एक प्रेरित विभवांतर बनता है, और परिपथ में प्रेरित विद्युत धारा बहती है। गति रुकी, तो धारा भी रुकी। चुंबक हिले या कुंडली, बात दोनों की आपसी गति की है।

गैल्वेनोमीटर ऐसा उपकरण है जो परिपथ में धारा की उपस्थिति बताता है। धारा शून्य हो तो इसका संकेतक पैमाने के बीच में शून्य पर रहता है। धारा की दिशा के अनुसार यह शून्य के बाईं या दाईं ओर विक्षेपित होता है।

माइकेल फैराडे (1791-1867): फैराडे ने कोई औपचारिक शिक्षा नहीं पाई थी। बचपन में वे एक जिल्दसाज़ की दुकान पर काम करते थे और जिल्द के लिए आई किताबें पढ़ा करते थे, यहीं से विज्ञान में रुचि जागी। रॉयल इंस्टीट्यूट के वैज्ञानिक सर हम्फ्री डेवी के व्याख्यान सुनकर उन्होंने ध्यान से नोट्स बनाए और डेवी को भेज दिए, जिसके बाद उन्हें डेवी की प्रयोगशाला में सहायक रख लिया गया। उनकी खोजों में वैद्युतचुंबकीय प्रेरण और वैद्युत अपघटन के नियम शामिल हैं। कई विश्वविद्यालयों ने उन्हें मानद उपाधियाँ देनी चाहीं, पर उन्होंने ठुकरा दीं, क्योंकि उन्हें सम्मान से ज़्यादा अपना काम प्यारा था।

दो कुंडलियाँ और फ्लेमिंग का दक्षिण-हस्त नियम

क्रियाकलाप: बिना चुंबक के प्रेरण

ताँबे के तार की दो कुंडलियाँ लीजिए, जिनमें फेरे काफ़ी अधिक हों (जैसे 50 और 100)। दोनों को एक विद्युतरोधी खोखले बेलन पर चढ़ाइए (मोटे कागज़ को लपेटकर भी बेलन बन जाता है)। ज़्यादा फेरों वाली कुंडली-1 को बैटरी और प्लग कुंजी से, और कुंडली-2 को गैल्वेनोमीटर से जोड़िए।

• कुंजी लगाते ही गैल्वेनोमीटर की सुई तेज़ी से एक ओर झटका खाकर तुरंत शून्य पर लौट आती है। कुंडली-2 में क्षणिक धारा बनी।
• धारा स्थिर हो जाने पर कोई विक्षेप नहीं होता।
• बैटरी हटाने (कुंजी निकालने) पर फिर क्षणिक धारा बनती है, पर उल्टी दिशा में।

जब भी कुंडली-1 की धारा बदलती है (शुरू या बंद होती है), उसका चुंबकीय क्षेत्र बदलता है। इससे कुंडली-2 से जुड़ी क्षेत्र रेखाएँ बदलती हैं और कुंडली-2 में धारा प्रेरित होती है। कुंडली-1 को प्राथमिक कुंडली और कुंडली-2 को द्वितीयक कुंडली कहते हैं।

परिभाषा: जिस प्रक्रम में किसी चालक के परिवर्ती चुंबकीय क्षेत्र के कारण दूसरे चालक में विद्युत धारा प्रेरित होती है, उसे वैद्युतचुंबकीय प्रेरण कहते हैं।

कुंडली में धारा प्रेरित करने के दो ढंग हैं: कुंडली को चुंबकीय क्षेत्र में गति कराना, या कुंडली के चारों ओर के क्षेत्र को बदलना (चुंबक हिलाकर या पास की कुंडली की धारा बदलकर)। ज़्यादातर कामों में क्षेत्र के भीतर कुंडली को घुमाना सबसे सुविधाजनक रहता है। प्रेरित धारा तब सबसे अधिक होती है जब कुंडली की गति क्षेत्र के लंबवत हो।

फ्लेमिंग का दक्षिण-हस्त नियम:

अपने दाहिने हाथ की तर्जनी, मध्यमा और अँगूठे को परस्पर लंबवत फैलाइए। यदि तर्जनी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और अँगूठा चालक की गति की दिशा बताए, तो मध्यमा प्रेरित धारा की दिशा बताएगी।

दोनों फ्लेमिंग नियमों में तर्जनी क्षेत्र ही बताती है। फ़र्क़ यह है कि बायाँ हाथ मोटर (बल निकालना) के लिए है और दायाँ हाथ जनित्र (प्रेरित धारा निकालना) के लिए।

विद्युत जनित्र, प्रत्यावर्ती और दिष्ट धारा

प्रयोगशाला के क्रियाकलापों में प्रेरित धारा बहुत छोटी होती है। इसी सिद्धांत से घरों और कारखानों के लिए बड़ी मात्रा में बिजली बनाई जाती है। विद्युत जनित्र में यांत्रिक ऊर्जा से चुंबकीय क्षेत्र में रखे चालक को घुमाया जाता है और विद्युत ऊर्जा मिलती है।

बनावट: स्थायी चुंबक के दो ध्रुवों के बीच एक घूर्णी आयताकार कुंडली ABCD। इसके दोनों सिरे दो पूरे वलयों R₁ और R₂ से जुड़े हैं, जो भीतर से धुरी से जुड़े हैं। दो स्थिर चालक ब्रुश B₁ और B₂ इन वलयों पर दबाकर रखे जाते हैं। धुरी को बाहर से यांत्रिक रूप से घुमाया जाता है। ब्रुशों के बाहरी सिरे गैल्वेनोमीटर से जुड़े हैं, जो बाहरी परिपथ में धारा दिखाता है।

कार्यविधि: कुंडली को दक्षिणावर्त घुमाने पर भुजा AB ऊपर और CD नीचे जाती है और दोनों क्षेत्र रेखाओं को काटती हैं। दक्षिण-हस्त नियम से इनमें धारा AB और CD की दिशा में बनती है, यानी कुंडली में ABCD की दिशा में। बाहरी परिपथ में धारा B₂ से B₁ की ओर बहती है। बहुत फेरे हों, तो हर फेरे की धारा जुड़कर प्रबल धारा बनाती है।

आधे घूर्णन के बाद CD ऊपर और AB नीचे जाने लगती है। धारा अब DCBA की दिशा में बहती है और बाहरी परिपथ में B₁ से B₂ की ओर। हर आधे घूर्णन के बाद धारा की ध्रुवता बदलती रहती है।

• जो धारा समान समय-अंतराल के बाद अपनी दिशा बदलती है, वह प्रत्यावर्ती धारा (AC) है, और यह युक्ति AC जनित्र।
• विभक्त वलय वाला दिक्परिवर्तक लगाने पर एक ब्रुश हमेशा ऊपर जाती भुजा से और दूसरा नीचे जाती भुजा से जुड़ा रहता है। तब धारा एक ही दिशा में मिलती है। इसे दिष्ट धारा (DC) जनित्र कहते हैं।

आजकल ज़्यादातर बिजलीघर AC ही बनाते हैं। भारत में AC हर 1/100 s के बाद दिशा उलटती है, इसलिए इसकी आवृत्ति 50 Hz है। AC का बड़ा लाभ यह है कि बिजली को दूर-दूर तक बिना अधिक ऊर्जा क्षय के भेजा जा सकता है।

घरेलू विद्युत परिपथ

घर में बिजली मुख्य तारों से आती है, जिन्हें मेंस भी कहते हैं। ये तार खंभों के सहारे या ज़मीन के नीचे केबल से घर तक पहुँचते हैं।

विद्युन्मय और उदासीन तार के बीच हमारे देश में 220 V का विभवांतर होता है, और यह आपूर्ति 50 Hz की प्रत्यावर्ती धारा है। पुस्तक इन दोनों तारों को धनात्मक और ऋणात्मक तार भी कहती है। AC में यह नाम बस पहचान के लिए है, क्योंकि विद्युन्मय तार का विभव हर पल बदलता रहता है।

मीटर बोर्ड से घर तक का क्रम: विद्युत प्रदाय बोर्ड का मुख्य फ़्यूज़ → विद्युत मीटर (विद्युतमापी) → वितरण बक्स, जिसमें मुख्य स्विच और हर परिपथ का अलग फ़्यूज़ होता है → घर के लाइन-तार।

घरों में प्रायः दो अलग परिपथ होते हैं:

• 15 A धारा अनुमतांक वाला परिपथ: गीज़र, कूलर जैसे अधिक शक्ति वाले साधित्रों के लिए।
• 5 A धारा अनुमतांक वाला परिपथ: बल्ब, पंखे आदि के लिए।

हर परिपथ में साधित्र विद्युन्मय और उदासीन तार के बीच पार्श्वक्रम में जोड़े जाते हैं, ताकि सबको एक जैसी वोल्टता (220 V) मिले। हर साधित्र का अपना ऑन/ऑफ़ स्विच होता है, ताकि जिसे चाहें उसे ही चलाएँ।

भूसंपर्कण क्यों: इस्त्री, टोस्टर, मेज़ का पंखा, रेफ़्रिजरेटर जैसे धातु के आवरण वाले साधित्रों का आवरण भूसंपर्क तार से जुड़ा रहता है। यह तार धारा के लिए कम प्रतिरोध का रास्ता है। अगर किसी खराबी से आवरण में धारा का क्षरण (लीक) हो, तो आवरण का विभव भूमि के विभव के बराबर रहता है और धारा ज़मीन में चली जाती है। छूने वाले व्यक्ति को तेज़ झटका नहीं लगता।

फ़्यूज़, लघुपथन और अतिभारण

विद्युत फ़्यूज़ हर घरेलू परिपथ का ज़रूरी हिस्सा है। ज़्यादा धारा बहने पर फ़्यूज़ तार में जूल तापन से इतनी ऊष्मा बनती है कि तार पिघल जाता है और परिपथ टूट जाता है। इस तरह फ़्यूज़ परिपथ और साधित्र को बहुत बड़ी, अनचाही धारा से बचाता है। आजकल बहुत से घरों में फ़्यूज़ की जगह MCB (मिनिएचर सर्किट ब्रेकर) लगता है, जो ज़्यादा धारा होने पर अपने-आप परिपथ तोड़ देता है।

लघुपथन (शॉर्ट सर्किट): जब तारों का विद्युतरोधी आवरण खराब हो जाए या साधित्र में कोई दोष आ जाए, तो विद्युन्मय और उदासीन तार सीधे संपर्क में आ सकते हैं। तब परिपथ का प्रतिरोध बहुत कम हो जाता है और धारा अचानक बहुत अधिक बढ़ जाती है। इसे लघुपथन कहते हैं।

अतिभारण (ओवरलोडिंग): परिपथ में उसकी क्षमता से अधिक धारा बहना अतिभारण है। इसके कारण:

1. विद्युन्मय और उदासीन तार का सीधा संपर्क (लघुपथन)।
2. आपूर्ति वोल्टता में दुर्घटनावश अचानक वृद्धि।
3. एक ही सॉकेट से बहुत से साधित्र जोड़ देना।

बचाव के उपाय:

• हर परिपथ में सही अनुमतांक का फ़्यूज़ लगाना, मोटा तार या कील लगाकर फ़्यूज़ को बेकार न करना।
• एक सॉकेट पर बहुत से साधित्र न जोड़ना।
• कटे-फटे या पुराने विद्युतरोधन वाले तार बदलवा देना।
• अधिक शक्ति वाले साधित्र 15 A वाले परिपथ पर ही चलाना।

विद्युत परिपथ और साधित्रों के दो सबसे आम सुरक्षा उपाय हैं: विद्युत फ़्यूज़ और भूसंपर्कण।

क्षेत्र रेखाएँ एक-दूसरे को क्यों नहीं काटतीं

प्रश्न 1. दो चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ एक-दूसरे को प्रतिच्छेद क्यों नहीं करतीं? (2 अंक)

उत्तर:

किसी बिंदु पर क्षेत्र रेखा की स्पर्श-दिशा उस बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की दिशा बताती है, और वहाँ रखी दिक्सूची का उत्तर ध्रुव उसी ओर संकेत करता है। अगर दो क्षेत्र रेखाएँ किसी बिंदु पर कटें, तो उस बिंदु पर क्षेत्र की दो दिशाएँ हो जाएँगी और दिक्सूची की सुई एक साथ दो दिशाओं में संकेत करेगी। ऐसा संभव नहीं है, इसलिए दो क्षेत्र रेखाएँ कभी एक-दूसरे को नहीं काटतीं।

छड़ चुंबक की क्षेत्र रेखाएँ: लंबा उत्तर

प्रश्न 2. चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ क्या हैं? दिक्सूची की सहायता से छड़ चुंबक के चारों ओर क्षेत्र रेखाएँ खींचने की विधि लिखिए और क्षेत्र रेखाओं के गुणों की सूची बनाइए। (6 अंक)

उत्तर:

चुंबक के चारों ओर का वह क्षेत्र, जिसमें उसके बल का पता लगाया जा सकता है, चुंबकीय क्षेत्र कहलाता है। इस क्षेत्र को दिखाने के लिए जो काल्पनिक रेखाएँ खींची जाती हैं, उन्हें चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ कहते हैं। किसी बिंदु पर रेखा की दिशा वह है, जिधर वहाँ रखी दिक्सूची का उत्तर ध्रुव संकेत करता है।

दिक्सूची से रेखाएँ खींचने की विधि:

1. ड्राइंग बोर्ड पर सफ़ेद कागज़ चिपकाकर बीच में छड़ चुंबक रखिए और उसकी सीमा रेखा अंकित कीजिए।
2. छोटी दिक्सूची को चुंबक के उत्तर ध्रुव के पास रखकर उसकी सुई के दोनों सिरों पर पेंसिल से बिंदु लगाइए।
3. दिक्सूची को इस तरह खिसकाइए कि उसका दक्षिण ध्रुव पिछले उत्तर ध्रुव वाले बिंदु पर आ जाए, फिर नए उत्तर ध्रुव पर बिंदु लगाइए।
4. यह क्रिया चुंबक के दक्षिण ध्रुव तक दोहराइए और सब बिंदुओं को चिकने वक्र से जोड़िए। यह एक क्षेत्र रेखा है।
5. अलग-अलग जगह से शुरू करके कई रेखाएँ खींचिए और उन पर उत्तर से दक्षिण ध्रुव की ओर तीर लगाइए।

आरेख में यह बनाइए: बीच में छड़ चुंबक (N और S लिखकर), उत्तर ध्रुव से निकलकर दक्षिण ध्रुव में जाती बंद वक्र रेखाएँ, ध्रुवों के पास पास-पास और बीच में दूर-दूर, सब पर N से S की ओर तीर।

क्षेत्र रेखाओं के गुण:

1. चुंबक के बाहर रेखाएँ उत्तर ध्रुव से निकलकर दक्षिण ध्रुव में जाती हैं।
2. चुंबक के भीतर इनकी दिशा दक्षिण ध्रुव से उत्तर ध्रुव की ओर होती है, इसलिए हर रेखा एक बंद वक्र है।
3. जहाँ रेखाएँ पास-पास होती हैं, वहाँ क्षेत्र प्रबल होता है। ध्रुवों के पास क्षेत्र सबसे प्रबल है।
4. दो क्षेत्र रेखाएँ कभी एक-दूसरे को नहीं काटतीं, वरना उस बिंदु पर क्षेत्र की दो दिशाएँ हो जाएँगी।
5. चुंबकीय क्षेत्र में परिमाण और दिशा, दोनों होते हैं।

पावर लाइन के ऊपर और नीचे क्षेत्र

प्रश्न 3. किसी क्षैतिज पावर लाइन में पूर्व से पश्चिम की ओर धारा बह रही है। इसके ठीक नीचे और ठीक ऊपर के बिंदुओं पर चुंबकीय क्षेत्र की दिशा क्या होगी? (2 अंक)

उत्तर:

दक्षिण-हस्त अंगुष्ठ नियम लगाइए: दाहिने हाथ का अँगूठा धारा की दिशा (पश्चिम) में रखकर तार पकड़िए। पूर्वी सिरे से देखने पर अँगुलियाँ तार के चारों ओर दक्षिणावर्त घूमती हैं।

• तार के ठीक नीचे चुंबकीय क्षेत्र दक्षिण की ओर होगा।
• तार के ठीक ऊपर चुंबकीय क्षेत्र उत्तर की ओर होगा।

दोनों बिंदु एक ही वृत्ताकार क्षेत्र रेखा के आमने-सामने हैं, इसलिए वहाँ दिशाएँ उल्टी हैं।

मेज़ पर रखे पाश में दक्षिणावर्त धारा

प्रश्न 4. मेज़ के तल पर रखे तार के वृत्ताकार पाश में (ऊपर से देखने पर) दक्षिणावर्त धारा बह रही है। दक्षिण-हस्त अंगुष्ठ नियम से पाश के भीतर और बाहर चुंबकीय क्षेत्र की दिशा बताइए। (2 अंक)

उत्तर:

पाश के किसी भी भाग को दाहिने हाथ से ऐसे पकड़िए कि अँगूठा धारा की दिशा में रहे। तब अँगुलियाँ पाश के भीतर वाले भाग में नीचे की ओर मुड़ती हैं। इसलिए:

• पाश के भीतर चुंबकीय क्षेत्र मेज़ के तल के लंबवत नीचे की ओर (मेज़ के अंदर जाता हुआ) है।
• पाश के बाहर क्षेत्र ऊपर की ओर (मेज़ से बाहर निकलता हुआ) है।

परिनालिका के ध्रुव पहचानना

प्रश्न 5. परिनालिका चुंबक की तरह कैसे व्यवहार करती है? क्या आप किसी छड़ चुंबक की सहायता से धारावाही परिनालिका का उत्तर और दक्षिण ध्रुव पहचान सकते हैं? (3 अंक)

उत्तर:

धारावाही परिनालिका के चारों ओर क्षेत्र रेखाओं का पैटर्न छड़ चुंबक जैसा होता है। इसका एक सिरा उत्तर ध्रुव और दूसरा दक्षिण ध्रुव की तरह काम करता है, और भीतर क्षेत्र रेखाएँ समांतर सीधी रेखाएँ होती हैं। धारा उलटने पर इसके ध्रुव भी बदल जाते हैं।

हाँ, ध्रुव पहचाने जा सकते हैं। छड़ चुंबक का उत्तर ध्रुव परिनालिका के एक सिरे के पास लाइए:

• अगर वह सिरा चुंबक को दूर धकेले (प्रतिकर्षण), तो वह परिनालिका का उत्तर ध्रुव है।
• अगर सिरा चुंबक को खींचे, तो वह दक्षिण ध्रुव है। पक्का करने के लिए दूसरे सिरे पर प्रतिकर्षण देखिए।

प्रतिकर्षण ही पक्की पहचान है, क्योंकि आकर्षण तो चुंबक और किसी साधारण लोहे के बीच भी होता है, पर प्रतिकर्षण सिर्फ़ दो चुंबकों के सजातीय ध्रुवों में होता है।

ऐलुमिनियम छड़ AB का विस्थापन

प्रश्न 6. नाल चुंबक के ध्रुवों के बीच लटकी ऐलुमिनियम छड़ AB वाले क्रियाकलाप में छड़ का विस्थापन कैसे बदलेगा, यदि (i) छड़ में धारा बढ़ा दी जाए, (ii) अधिक प्रबल नाल चुंबक लिया जाए, (iii) छड़ की लंबाई बढ़ा दी जाए? (3 अंक)

उत्तर:

छड़ पर लगा बल धारा, चुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता और क्षेत्र में पड़ी छड़ की लंबाई पर निर्भर करता है।

(i) धारा बढ़ाने पर छड़ पर बल बढ़ेगा, इसलिए विस्थापन बढ़ेगा।

(ii) अधिक प्रबल नाल चुंबक से क्षेत्र प्रबल होगा, बल बढ़ेगा और विस्थापन बढ़ेगा।

(iii) छड़ लंबी करने पर क्षेत्र में पड़ी लंबाई बढ़ेगी (चुंबक के ध्रुवों के बीच), बल बढ़ेगा और विस्थापन बढ़ेगा।

तीनों स्थितियों में बल की दिशा वही रहेगी, क्योंकि न धारा की दिशा बदली है, न क्षेत्र की।

अल्फा कण किधर मुड़ा

प्रश्न 7. पश्चिम की ओर प्रक्षेपित एक धनावेशित कण (अल्फा कण) किसी चुंबकीय क्षेत्र के कारण उत्तर की ओर विक्षेपित हो जाता है। चुंबकीय क्षेत्र की दिशा क्या है? (a) दक्षिण की ओर (b) पूर्व की ओर (c) अधोमुखी (d) उपरिमुखी (2 अंक)

उत्तर:

अल्फा कण धनावेशित है, इसलिए धारा की दिशा उसकी गति की दिशा, यानी पश्चिम मानी जाएगी। बल उत्तर की ओर है।

फ्लेमिंग के वामहस्त नियम में मध्यमा पश्चिम की ओर और अँगूठा उत्तर की ओर रखिए। तर्जनी तब ऊपर की ओर आती है।

इसलिए चुंबकीय क्षेत्र उपरिमुखी (ऊर्ध्वाधर ऊपर की ओर) है। सही विकल्प (d) है।

चैंबर में इलेक्ट्रॉन पुंज

प्रश्न 8. आप एक चैंबर में पीछे की दीवार से पीठ लगाकर बैठे हैं। एक इलेक्ट्रॉन पुंज पीछे की दीवार से सामने की दीवार की ओर क्षैतिज चलता हुआ किसी प्रबल चुंबकीय क्षेत्र के कारण आपकी दाईं ओर मुड़ जाता है। चुंबकीय क्षेत्र की दिशा क्या है? (2 अंक)

उत्तर:

इलेक्ट्रॉन ऋणावेशित हैं, इसलिए धारा की दिशा उनकी गति के उल्टी होगी। इलेक्ट्रॉन सामने की ओर जा रहे हैं, तो धारा सामने से पीछे (आपकी ओर) मानी जाएगी। बल दाईं ओर है।

वामहस्त नियम में मध्यमा अपनी ओर और अँगूठा दाईं ओर रखिए। तर्जनी तब नीचे की ओर आती है।

इसलिए चुंबकीय क्षेत्र ऊर्ध्वाधर नीचे की ओर (अधोमुखी) है।

चुंबकीय क्षेत्र में प्रोटॉन

प्रश्न 9. चुंबकीय क्षेत्र में स्वतंत्र गति करते प्रोटॉन का कौन-सा गुण बदल जाता है? (a) द्रव्यमान (b) चाल (c) वेग (d) संवेग (एक से अधिक उत्तर सही हो सकते हैं) (2 अंक)

उत्तर:

चुंबकीय क्षेत्र प्रोटॉन पर उसकी गति के लंबवत बल लगाता है। ऐसा बल प्रोटॉन की दिशा मोड़ देता है, पर उसकी चाल नहीं बदलता। द्रव्यमान भी वही रहता है।

वेग और संवेग में दिशा भी शामिल होती है, इसलिए दिशा मुड़ते ही ये दोनों बदल जाते हैं। सही उत्तर (c) वेग और (d) संवेग हैं।

कुंडली में चुंबक: अंदर, बाहर, स्थिर

प्रश्न 10. विद्युतरोधी ताँबे के तार की एक कुंडली गैल्वेनोमीटर से जुड़ी है। क्या होगा यदि कोई छड़ चुंबक (i) कुंडली में धकेला जाए, (ii) कुंडली के भीतर से बाहर खींचा जाए, (iii) कुंडली के भीतर स्थिर रखा जाए? (3 अंक)

उत्तर:

(i) चुंबक को कुंडली में धकेलने पर कुंडली से जुड़ा चुंबकीय क्षेत्र बदलता है। कुंडली में प्रेरित धारा बहती है और गैल्वेनोमीटर की सुई क्षण भर के लिए एक दिशा में विक्षेपित होती है।

(ii) चुंबक को बाहर खींचने पर भी क्षेत्र बदलता है, पर उल्टे ढंग से। इसलिए सुई उल्टी दिशा में विक्षेपित होती है।

(iii) चुंबक भीतर स्थिर रहे, तो क्षेत्र में कोई बदलाव नहीं होता। कोई धारा प्रेरित नहीं होती और गैल्वेनोमीटर में विक्षेप शून्य रहता है।

यह वैद्युतचुंबकीय प्रेरण है: धारा तभी बनती है जब कुंडली और चुंबक के बीच आपेक्षिक गति हो।

पास-पास रखी दो कुंडलियाँ

प्रश्न 11. दो वृत्ताकार कुंडलियाँ A और B एक-दूसरे के पास रखी हैं। यदि कुंडली A की धारा में कोई परिवर्तन किया जाए, तो क्या कुंडली B में धारा प्रेरित होगी? कारण लिखिए। (2 अंक)

उत्तर:

हाँ, कुंडली B में धारा प्रेरित होगी।

कारण: कुंडली A की धारा बदलने पर उसका चुंबकीय क्षेत्र भी बदलता है। इससे कुंडली B से जुड़ी क्षेत्र रेखाएँ बदलती हैं, और यही बदलाव B में प्रेरित धारा पैदा करता है। यह वैद्युतचुंबकीय प्रेरण है। धारा उतनी ही देर बहती है जितनी देर A की धारा बदल रही हो, स्थिर होते ही B की धारा शून्य हो जाती है।

एक सेकंड में AC की दिशा कितनी बार बदलती है

प्रश्न 12. भारत में घरों को मिलने वाली प्रत्यावर्ती धारा की आवृत्ति 50 Hz है। यह धारा कितने समय बाद अपनी दिशा उलटती है, और एक सेकंड में कितनी बार? (2 अंक)

हल:

आवृत्ति $f = 50$ Hz, यानी एक सेकंड में 50 पूरे चक्र।

एक चक्र का समय: $T = \frac{1}{f} = \frac{1}{50}$ s $= 0.02$ s

एक पूरे चक्र में धारा दो बार दिशा बदलती है (एक बार आगे से पीछे, एक बार पीछे से आगे)। इसलिए दिशा हर $\frac{T}{2} = \frac{1}{100}$ s में उलटती है।

एक सेकंड में दिशा बदलने की संख्या $= 50 \times 2 = 100$

उत्तर: धारा हर 1/100 s के बाद दिशा उलटती है, यानी एक सेकंड में 100 बार।

2 kW का तंदूर, 5 A का परिपथ

प्रश्न 13. 2 kW शक्ति अनुमतांक का एक विद्युत तंदूर 220 V के घरेलू परिपथ में चलाया जाता है, जिसका धारा अनुमतांक 5 A है। आप क्या परिणाम की अपेक्षा करते हैं? स्पष्ट कीजिए। (3 अंक)

हल:

दिया है: $P = 2$ kW $= 2000$ W, $V = 220$ V

तंदूर द्वारा ली गई धारा:

$I = \frac{P}{V} = \frac{2000}{220} \approx 9.1$ A

उत्तर: तंदूर लगभग 9.1 A धारा लेगा, जो परिपथ के 5 A अनुमतांक से लगभग दुगुनी है।

इससे परिपथ में अतिभारण होगा। तार ज़रूरत से ज़्यादा गर्म होंगे, और अगर परिपथ में 5 A का सही फ़्यूज़ लगा है तो वह पिघलकर परिपथ तोड़ देगा। ऐसे साधित्र 15 A वाले परिपथ पर चलाने चाहिए।

विद्युत जनित्र: लंबा उत्तर

प्रश्न 14. नामांकित आरेख का वर्णन करते हुए विद्युत जनित्र का मूल सिद्धांत और कार्यविधि स्पष्ट कीजिए। इसमें ब्रुशों का क्या कार्य है? (6 अंक)

उत्तर:

विद्युत जनित्र वह युक्ति है जो यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलती है।

सिद्धांत: यह वैद्युतचुंबकीय प्रेरण पर काम करता है। चुंबकीय क्षेत्र में कुंडली घुमाने पर उससे जुड़ी क्षेत्र रेखाएँ बदलती हैं और कुंडली में प्रेरित धारा बहती है, जिसकी दिशा फ्लेमिंग के दक्षिण-हस्त नियम से मिलती है।

आरेख में बनाइए और नाम लिखिए:

• स्थायी चुंबक के दो ध्रुव N और S
• दोनों ध्रुवों के बीच आयताकार कुंडली ABCD
• कुंडली के सिरों से जुड़े दो वलय R₁ और R₂, जो धुरी पर लगे हैं
• वलयों को छूते दो ब्रुश B₁ और B₂
• ब्रुशों से जुड़ा बाहरी परिपथ और उसमें गैल्वेनोमीटर (G)

कार्यविधि:

1. धुरी को बाहर से यांत्रिक रूप से घुमाया जाता है, जिससे कुंडली चुंबकीय क्षेत्र में घूमती है।
2. मान लीजिए कुंडली दक्षिणावर्त घूम रही है, भुजा AB ऊपर और CD नीचे जा रही है। दोनों भुजाएँ क्षेत्र रेखाओं को काटती हैं। दक्षिण-हस्त नियम से कुंडली में धारा ABCD की दिशा में बहती है और बाहरी परिपथ में B₂ से B₁ की ओर।
3. आधे घूर्णन के बाद CD ऊपर और AB नीचे जाने लगती है। अब धारा DCBA की दिशा में बहती है और बाहरी परिपथ में B₁ से B₂ की ओर।
4. इस तरह हर आधे घूर्णन के बाद धारा की दिशा बदलती रहती है। ऐसी धारा प्रत्यावर्ती धारा (AC) है और यह जनित्र AC जनित्र है। कुंडली में फेरे बहुत हों, तो सब फेरों की धारा जुड़कर प्रबल धारा बनती है।

ब्रुशों का कार्य: वलय धुरी के साथ घूमते रहते हैं, जबकि बाहरी परिपथ स्थिर है। स्थिर ब्रुश घूमते वलयों को लगातार छूते रहते हैं और कुंडली में बनी धारा को बाहरी परिपथ तक पहुँचाते हैं।

अगर दो पूरे वलयों की जगह विभक्त वलय (दिक्परिवर्तक) लगा दिया जाए, तो बाहरी परिपथ में धारा एक ही दिशा में बहती है। तब यह DC जनित्र बन जाता है।

घरेलू विद्युत परिपथ: लंबा उत्तर

प्रश्न 15. घरेलू विद्युत परिपथ की व्यवस्था का वर्णन कीजिए। इसमें फ़्यूज़ और भूसंपर्क तार का क्या महत्व है? अतिभारण से बचाव के लिए कौन-सी सावधानियाँ रखनी चाहिए? (6 अंक)

उत्तर:

मुख्य तार: घर में बिजली मेंस से आती है। इसमें तीन तार होते हैं:

विद्युन्मय और उदासीन तार के बीच 220 V का विभवांतर होता है और आपूर्ति 50 Hz की AC होती है।

व्यवस्था: मुख्य तार पहले विद्युत प्रदाय बोर्ड के मुख्य फ़्यूज़ से होकर विद्युत मीटर में जाते हैं। फिर वितरण बक्स में मुख्य स्विच से होकर घर के अलग-अलग परिपथों में बँटते हैं, और हर परिपथ का अपना फ़्यूज़ होता है। प्रायः एक 15 A का परिपथ (गीज़र, कूलर के लिए) और एक 5 A का परिपथ (बल्ब, पंखे के लिए) होता है। सभी साधित्र पार्श्वक्रम में जुड़ते हैं ताकि हर एक को 220 V मिले, और हर साधित्र का अलग स्विच होता है।

आरेख में: बाईं ओर तीन तार (भूसंपर्क, विद्युन्मय, उदासीन), फिर फ़्यूज़, विद्युतमापी और वितरण बक्स, उसके बाद 220 V पर पार्श्वक्रम में जुड़े सॉकेट, जिनसे हरा भूसंपर्क तार भी जुड़ा हो।

फ़्यूज़ का महत्व: लघुपथन या अतिभारण में धारा बहुत बढ़ जाती है। तब जूल तापन से फ़्यूज़ तार पिघलकर परिपथ तोड़ देता है और साधित्र तथा वायरिंग जलने से बच जाते हैं।

भूसंपर्क तार का महत्व: धातु के आवरण वाले साधित्रों में आवरण इस तार से जुड़ा रहता है। धारा का क्षरण होने पर आवरण का विभव भूमि के बराबर रहता है और धारा ज़मीन में चली जाती है, इसलिए उपयोग करने वाले को तेज़ झटका नहीं लगता।

अतिभारण से बचाव:

1. एक ही सॉकेट पर बहुत से साधित्र न जोड़ना।
2. सही अनुमतांक का फ़्यूज़ लगाना और उसकी जगह मोटा तार न लगाना।
3. खराब विद्युतरोधन वाले तार बदलवाना, ताकि लघुपथन न हो।
4. अधिक शक्ति वाले साधित्र 15 A वाले परिपथ पर चलाना।

क्विज़ से पहले

इस अध्याय में दिशाओं के प्रश्न सबसे ज़्यादा उलझाते हैं। हाथ वाले नियम किताब पढ़कर नहीं, हाथ बनाकर याद होते हैं। क्विज़ में कोई दिशा पूछी जाए, तो अपना हाथ उठाकर उँगलियाँ उसी तरह मोड़िए और फिर विकल्प चुनिए। सीधे तार के लिए दायाँ हाथ मुट्ठी में, मोटर के लिए बायाँ हाथ फैला हुआ, जनित्र के लिए दायाँ हाथ फैला हुआ।

जो प्रश्न गलत हो, उसका कारण अलग से लिखिए: नियम का हाथ गलत चुना, उँगली का मतलब भूल गए, या इलेक्ट्रॉन की धारा उल्टी लेना भूल गए। तीसरी गलती सबसे आम है।