पिछले प्रश्नपत्रों के प्रश्न और उनके हल

इस अध्याय पर बोर्ड के प्रश्न

ये प्रश्न बोर्ड परीक्षा में पूछे जा चुके हैं। लिखित प्रश्नों में कुछ विषय बार-बार लौटते हैं: विद्युत मोटर का लंबा प्रश्न, ऑर्स्टेड का प्रयोग, वैद्युतचुंबकीय प्रेरण की परिभाषा और भूसंपर्क तार का काम।

हर लिखित प्रश्न का उत्तर पहले खुद कॉपी में लिखिए, फिर मिलाइए। मोटर और जनित्र जैसे लंबे उत्तरों में आरेख के अंक अलग से मिलते हैं। ऐसे हर उत्तर में पहले लिखा है कि चित्र में क्या-क्या बनाना है और किस भाग पर कौन-सा नाम लिखना है। उस सूची के सहारे कॉपी में खुद चित्र बनाइए, फिर दिए गए चित्र से मिलाइए। उसके बाद क्विज़ में वस्तुनिष्ठ प्रश्न कीजिए।

ऑर्स्टेड का प्रयोग

प्रश्न 1. ऑर्स्टेड के प्रयोग का वर्णन यह दर्शाने के लिए करें कि धारावाही चालक तार के इर्द-गिर्द चुम्बकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है।

उत्तर:

सन् 1820 में ऑर्स्टेड ने देखा कि धारावाही तार के पास रखी दिक्सूची विक्षेपित हो जाती है। यही प्रयोग इस तरह किया जाता है:

सामग्री: एक लंबा सीधा ताँबे का तार, 1.5 V के दो-तीन सेल (बैटरी), प्लग कुंजी और एक दिक्सूची (चुंबकीय सुई)।

विधि और प्रेक्षण:

1. दिक्सूची को मेज़ पर रखिए। सुई उत्तर-दक्षिण दिशा में ठहर जाती है।
2. ताँबे के तार को सुई के ठीक ऊपर, उसके समांतर (उत्तर-दक्षिण दिशा में) रखिए और तार को सेल तथा कुंजी से श्रेणीक्रम में जोड़िए।
3. कुंजी खुली रहने पर धारा नहीं बहती और सुई अपनी जगह स्थिर रहती है।
4. कुंजी लगाते ही सुई विक्षेपित हो जाती है। धारा उत्तर से दक्षिण बहे, तो सुई का उत्तर ध्रुव पूर्व की ओर मुड़ता है।
5. सेलों के सिरे उलटकर धारा की दिशा बदलिए, तो सुई उल्टी दिशा (पश्चिम) में मुड़ती है।
6. धारा बंद करते ही सुई फिर उत्तर-दक्षिण दिशा में लौट आती है।

निष्कर्ष: चुंबकीय सुई चुंबकीय क्षेत्र से ही विक्षेपित होती है। इसलिए धारावाही तार अपने चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र बनाता है। धारा उलटने पर क्षेत्र की दिशा भी उलट जाती है, और धारा बढ़ाने पर विक्षेप बढ़ता है। क्षेत्र की दिशा दक्षिण-हस्त अंगुष्ठ नियम से मिलती है।

आरेख में: दिक्सूची, उसके ऊपर समांतर रखा सीधा तार XY, तार से जुड़े सेल और कुंजी, और धारा की दिशा का तीर।

यही बात ऐसे भी पूछी जाती है: "विद्युत धारा के चुम्बकीय प्रभाव को दिखाने हेतु एक प्रयोग का वर्णन करें"। दो अंक के लिए उत्तर के कदम 2, 4 और 5 और निष्कर्ष काफ़ी हैं।

चुंबकीय क्षेत्र के स्रोत

प्रश्न 2. चुम्बकीय क्षेत्र के दो स्रोतों की एक सूची बनाएँ।

उत्तर:

1. स्थायी चुंबक: जैसे छड़ चुंबक या नाल चुंबक, जो अपने चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र बनाए रखता है।
2. धारावाही चालक: सीधा तार, वृत्ताकार कुंडली या परिनालिका, जिनमें धारा बहते ही चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र बन जाता है। नर्म लोहे वाली परिनालिका (विद्युत चुंबक) बहुत प्रबल क्षेत्र देती है।

पृथ्वी भी एक बड़े चुंबक की तरह काम करती है, इसीलिए दिक्सूची उत्तर-दक्षिण दिशा में ठहरती है।

मैक्सवेल का दक्षिण-हस्त नियम

प्रश्न 3. मैक्सवेल का दक्षिण हस्त नियम लिखें।

उत्तर:

किसी धारावाही चालक को दाहिने हाथ में इस प्रकार पकड़िए कि अँगूठा धारा की दिशा में संकेत करे। तब चालक के चारों ओर लिपटी अँगुलियाँ चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं की दिशा बताती हैं।

पुस्तक में इसे दक्षिण-हस्त अंगुष्ठ नियम कहा गया है। इसे मैक्सवेल का कॉर्कस्क्रू नियम भी कहते हैं: कॉर्कस्क्रू को धारा की दिशा में आगे बढ़ाने के लिए जिस दिशा में घुमाना पड़ता है, वही चुंबकीय क्षेत्र की दिशा है।

चित्र बनाना हो, तो दाहिने हाथ की मुट्ठी में पकड़ा सीधा तार, अँगूठे पर धारा का तीर और मुड़ी अँगुलियों पर क्षेत्र की दिशा का तीर बनाइए।

विद्युत चुंबक कैसे काम करता है

प्रश्न 4. विद्युत चुम्बक कैसे कार्य करता है ?

उत्तर:

1. नर्म लोहे की एक छड़ पर विद्युतरोधी ताँबे के तार की बहुत फेरों वाली कुंडली (परिनालिका) लपेटी जाती है।
2. कुंडली में धारा भेजने पर परिनालिका के भीतर प्रबल और एकसमान चुंबकीय क्षेत्र बनता है।
3. यह क्षेत्र नर्म लोहे की छड़ को चुंबक बना देता है। छड़ का एक सिरा उत्तर ध्रुव और दूसरा दक्षिण ध्रुव बन जाता है।
4. धारा बंद करते ही नर्म लोहे का चुंबकत्व लगभग खत्म हो जाता है। इसलिए विद्युत चुंबक एक अस्थायी चुंबक है।

धारा या फेरों की संख्या बढ़ाने पर विद्युत चुंबक प्रबल होता है, और धारा की दिशा उलटने पर इसके ध्रुव बदल जाते हैं। कबाड़ उठाने वाली क्रेन, विद्युत घंटी और मोटर में इसी का उपयोग होता है।

विद्युत चुंबक और स्थायी चुंबक

प्रश्न 5. विद्युत चुम्बक एवं स्थायी चुम्बक में किस प्रकार का लोहा प्रयुक्त होता है ? दोनों तरह के चुम्बक में अंतर बतायें।

उत्तर:

विद्युत चुंबक में नर्म लोहे की क्रोड लगती है, जिस पर विद्युतरोधी ताँबे के तार की कुंडली लिपटी होती है। नर्म लोहा धारा रहते तुरंत प्रबल चुंबक बनता है और धारा हटते ही चुंबकत्व छोड़ देता है।

स्थायी चुंबक इस्पात (स्टील) से बनता है। स्टील एक बार चुंबकित हो जाए, तो चुंबकत्व को लंबे समय तक बनाए रखता है।

अंतर:

दोनों से चुंबकीय क्षेत्र बनता है और दोनों के ध्रुवों के बीच आकर्षण-प्रतिकर्षण के नियम एक जैसे हैं।

विद्युत मोटर: सिद्धांत, कार्यविधि और विभक्त वलय

प्रश्न 6. विद्युत मोटर का नामांकित आरेख खींचें। इसका सिद्धांत तथा कार्यविधि स्पष्ट करें। विद्युत मोटर में विभक्त वलय का क्या महत्व है ?

उत्तर:

विद्युत मोटर वह घूमने वाली युक्ति है जो विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलती है।

सिद्धांत: चुंबकीय क्षेत्र में रखे धारावाही चालक पर बल लगता है। धारा और क्षेत्र लंबवत हों, तो बल की दिशा फ्लेमिंग के वामहस्त नियम से मिलती है।

नामांकित आरेख में बनाइए:

• आमने-सामने चुंबक के दो ध्रुव N और S
• उनके बीच विद्युतरोधी तार की आयताकार कुंडली ABCD
• कुंडली के सिरों से जुड़े विभक्त वलय के दो अर्धभाग P और Q, जो धुरी पर लगे हों
• P और Q को छूते दो स्थिर ब्रुश X और Y
• ब्रुशों से जुड़ी बैटरी और कुंजी K, और AB तथा CD में धारा की दिशा के तीर

कार्यविधि:

1. बैटरी से धारा ब्रुश X और अर्धभाग P से होकर कुंडली में घुसती है और Q तथा ब्रुश Y से लौटती है। भुजा AB में धारा A से B और भुजा CD में C से D बहती है। दोनों भुजाओं में धारा उल्टी दिशा में है।
2. फ्लेमिंग के वामहस्त नियम से AB पर बल नीचे की ओर और CD पर ऊपर की ओर लगता है। इन दो उल्टे बलों से कुंडली और धुरी वामावर्त घूमने लगती हैं।
3. आधा घूर्णन पूरा होने पर Q का संपर्क ब्रुश X से और P का ब्रुश Y से हो जाता है। अब कुंडली में धारा उलटकर DCBA की दिशा में बहती है।
4. धारा उलटने से दोनों भुजाओं पर बल भी उलट जाते हैं। AB अब ऊपर और CD नीचे धकेली जाती है, और कुंडली उसी दिशा में अगला आधा घूर्णन पूरा करती है।
5. हर आधे घूर्णन पर यही क्रम दोहराता है और कुंडली लगातार घूमती रहती है।

विभक्त वलय का महत्व: परिपथ में धारा की दिशा उलटने वाली युक्ति दिक्परिवर्तक कहलाती है, और मोटर में यह काम विभक्त वलय करता है। यह हर आधे घूर्णन के बाद कुंडली में धारा उलट देता है, जिससे कुंडली एक ही दिशा में लगातार घूमती है। विभक्त वलय न हो, तो आधे चक्कर के बाद बल कुंडली को उल्टा घुमाने लगेंगे और वह आगे-पीछे झूलकर रुक जाएगी।

व्यावसायिक मोटरों में स्थायी चुंबक की जगह विद्युत चुंबक, बहुत अधिक फेरों वाली कुंडली और नर्म लौह-क्रोड (आर्मेचर) लगाए जाते हैं, जिससे शक्ति बढ़ती है। उपयोग: पंखा, मिक्सी, वाशिंग मशीन, रेफ़्रिजरेटर, पानी का पंप।

यही प्रश्न "विद्युत मोटर का सिद्धांत सहित वर्णन कीजिए।" के रूप में भी पूछा जाता है। उसका उत्तर भी यही है।

वैद्युतचुंबकीय प्रेरण

प्रश्न 7. विद्युत चुंबकीय प्रेरण से आप क्या समझते हैं ?

उत्तर:

जब किसी कुंडली (चालक) से जुड़ा चुंबकीय क्षेत्र बदलता है, तो उसमें विद्युत धारा उत्पन्न हो जाती है। इस धारा को प्रेरित धारा और इस घटना को विद्युत चुंबकीय (वैद्युतचुंबकीय) प्रेरण कहते हैं। इसका पहला अध्ययन माइकेल फैराडे ने सन् 1831 में किया।

क्षेत्र दो तरह से बदला जा सकता है:

• चुंबक को कुंडली के पास लाकर या दूर ले जाकर (या कुंडली को चुंबक के सापेक्ष हिलाकर)।
• पास रखी दूसरी कुंडली की धारा बदलकर।

उदाहरण: गैल्वेनोमीटर से जुड़ी कुंडली में छड़ चुंबक धकेलने पर सुई एक ओर और बाहर खींचने पर दूसरी ओर हिलती है। चुंबक स्थिर रहे, तो कोई विक्षेप नहीं होता।

प्रेरित धारा की दिशा फ्लेमिंग के दक्षिण-हस्त नियम से मिलती है, और विद्युत जनित्र इसी सिद्धांत पर चलता है।

यही प्रश्न "विद्युत चुम्बकीय प्रेरण किसे कहते हैं ?" के रूप में भी पूछा जाता है।

फ्लेमिंग का दाएँ हाथ का नियम

प्रश्न 8. फ्लेमिंग का दायाँ हस्त नियम लिखें।

उत्तर:

अपने दाहिने हाथ की तर्जनी, मध्यमा और अँगूठे को इस प्रकार फैलाइए कि तीनों एक-दूसरे के परस्पर लंबवत हों। यदि तर्जनी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और अँगूठा चालक की गति की दिशा में हो, तो मध्यमा चालक में प्रेरित विद्युत धारा की दिशा बताती है।

इस नियम से विद्युत जनित्र जैसी स्थितियों में प्रेरित धारा की दिशा निकाली जाती है। इसे फ्लेमिंग के वामहस्त नियम से मत मिलाइए: बायाँ हाथ बल (मोटर) के लिए है, दायाँ हाथ प्रेरित धारा (जनित्र) के लिए।

चुंबकीय क्षेत्र में घूमता लूप

प्रश्न 9. एकसमान चुम्बकीय क्षेत्र में एक चालक लूप को घूर्णित करने पर किस प्रकार की धारा चलेगी ?

उत्तर:

लूप को एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में घुमाने पर उससे जुड़ी क्षेत्र रेखाएँ लगातार बदलती रहती हैं, इसलिए लूप में प्रेरित धारा बहती है।

हर आधे घूर्णन के बाद लूप की दोनों भुजाओं की गति की दिशा उलट जाती है (जो भुजा ऊपर जा रही थी, वह नीचे आने लगती है)। इसलिए हर आधे घूर्णन पर धारा की दिशा भी बदल जाती है।

अतः लूप में प्रत्यावर्ती धारा (AC) चलेगी। AC जनित्र इसी पर काम करता है।

डायनेमो

प्रश्न 10. डायनेमो क्या है ? इसका क्या उपयोग है ?

उत्तर:

डायनेमो (विद्युत जनित्र) वह युक्ति है जो यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलती है। यह वैद्युतचुंबकीय प्रेरण के सिद्धांत पर काम करता है: चुंबकीय क्षेत्र में कुंडली को घुमाने पर (या कुंडली के पास चुंबक घुमाने पर) उसमें प्रेरित धारा बहती है।

उपयोग:

• बिजलीघरों में बड़े जनित्रों से बिजली बनाई जाती है।
• साइकिल में पहिये से चलने वाला डायनेमो बत्ती जलाता है।
• बिजली कटने पर डीज़ल से चलने वाले जनित्र से घर और दुकानों को बिजली मिलती है।

प्रत्यावर्ती धारा और दिष्ट धारा

प्रश्न 11. प्रत्यावर्ती धारा एवं दिष्ट धारा में अंतर बताएँ।

उत्तर:

भारत में घरों को 220 V की AC मिलती है, जिसकी आवृत्ति 50 Hz है। यह हर 1/100 s के बाद अपनी दिशा उलटती है।

भूसंपर्क तार का कार्य

प्रश्न 12. भूसंपर्क तार का क्या कार्य है ?

उत्तर:

भूसंपर्क तार पर प्रायः हरा विद्युतरोधी आवरण होता है। यह घर के पास ज़मीन में बहुत गहराई पर दबी धातु की प्लेट से जुड़ा होता है। इस्त्री, टोस्टर, रेफ़्रिजरेटर जैसे धातु के आवरण वाले साधित्रों का आवरण इसी तार से जोड़ा जाता है।

• यह तार धारा के लिए कम प्रतिरोध का रास्ता देता है।
• अगर किसी खराबी से साधित्र के धात्विक आवरण में धारा का क्षरण हो जाए, तो आवरण का विभव भूमि के विभव के बराबर रहता है और धारा इस तार से ज़मीन में चली जाती है।
• इसलिए साधित्र छूने वाले व्यक्ति को तेज़ विद्युत झटका नहीं लगता।

यही बात ऐसे भी पूछी जाती है: "धातु के आवरण वाले विद्युत साधित्रों को भूसंपर्कित करना क्यों आवश्यक है ?" वहाँ इसी उत्तर के साथ एक बात और जोड़िए: आवरण को ज़मीन से न जोड़ा जाए, तो क्षरण होने पर आवरण 220 V के विभव पर आ सकता है और छूने वाले को जानलेवा झटका लग सकता है।