Magnetic Effects of Electric Current

किसी चुंबक के चारों ओर का वह क्षेत्र जिसमें उसके चुंबकीय बल का संसूचन (अनुभव) किया जा सकता है, उस चुंबक का चुंबकीय क्षेत्र (Magnetic Field) कहलाता है।

• चुंबकीय क्षेत्र एक सदिश राशि (Vector quantity) है, जिसका परिमाण और दिशा दोनों होते हैं।
• इसका SI मात्रक टेस्ला (Tesla, T) है।

(क) चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं (Magnetic Field Lines)

चुंबकीय क्षेत्र को निरूपित करने के लिए खींचे गए वे काल्पनिक सतत वक्र जिन पर कोई स्वतंत्र काल्पनिक उत्तरी ध्रुव गमन करेगा, चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं कहलाती हैं।

(ख) चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के 4 प्रमुख गुण (JAC Board पसंदीदा 3 अंक):

1. दिशा (उत्तरी से दक्षिणी ध्रुव): चुंबक के बाहर क्षेत्र रेखाएं उत्तरी ध्रुव (N) से निकलकर दक्षिणी ध्रुव (S) में प्रवेश करती हैं; जबकि चुंबक के अंदर इनकी दिशा दक्षिणी ध्रुव (S) से उत्तरी ध्रुव (N) की ओर होती है। अतः ये रेखाएं बंद सतत वक्र (Closed continuous loops) बनाती हैं।
2. स्पर्श रेखा द्वारा दिशा: क्षेत्र रेखा के किसी बिंदु पर खींची गई स्पर्श रेखा उस बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की परिणामी दिशा को दर्शाती है।
3. क्षेत्र की प्रबलता (सघनता): जहाँ क्षेत्र रेखाएं एक-दूसरे के अत्यधिक निकट (सघन / Crowded) होती हैं, वहाँ चुंबकीय क्षेत्र अत्यधिक प्रबल होता है (जैसे चुंबक के ध्रुवों के समीप); और जहाँ रेखाएं दूर-दूर होती हैं, वहाँ चुंबकीय क्षेत्र दुर्बल होता है।
4. दो क्षेत्र रेखाएं कभी एक-दूसरे को नहीं काटतीं (प्रतिच्छेद नहीं करतीं):
   यदि दो क्षेत्र रेखाएं किसी बिंदु पर एक-दूसरे को काटेंगी, तो कटान बिंदु पर दो स्पर्श रेखाएं खींची जा सकेंगी, जिसका अर्थ होगा कि उस एक ही बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की दो दिशाएं होंगी—जो कि भौतिक रूप से सर्वथा असंभव है!

(क) सीधे धारावाही चालक का चुंबकीय क्षेत्र

जब किसी सीधे ताँबे के तार में विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है, तो उसके चारों ओर चुंबकीय क्षेत्र संकेंद्रीय वृत्तों (Concentric Circles) के रूप में उत्पन्न होता है, जिनका केंद्र वह तार स्वयं होता है।

• चुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता ($B$):
  1. तार में प्रवाहित धारा के अनुक्रमानुपाती होती है ($B \propto I$)।
  2. तार से दूरी के व्युत्क्रमानुपाती होती है ($B \propto \frac{1}{r}$)—जैसे-जैसे तार से दूर जाते हैं, वृत्त बड़े और चुंबकीय प्रभाव क्षीण होता जाता है।

(ख) दक्षिण-हस्त अंगुष्ठ नियम (Right-Hand Thumb Rule)

इसे मैक्सवेल का कॉर्कस्क्रू नियम (Maxwell's Corkscrew Rule) भी कहते हैं।

(ग) परिनालिका (Solenoid) एवं विद्युत चुंबक

पास-पास लिपटे विद्युतरोधी ताँबे के तार की बेलनाकार अनेक फेरों वाली कुंडली को परिनालिका कहते हैं:

• जब परिनालिका में धारा प्रवाहित की जाती है, तो इसका चुंबकीय क्षेत्र ठीक एक छड़ चुंबक (Bar Magnet) के चुंबकीय क्षेत्र के समान व्यवहार करता है। इसका एक सिरा उत्तरी ध्रुव (N) तथा दूसरा सिरा दक्षिणी ध्रुव (S) बन जाता है।
• परिनालिका के भीतर क्षेत्र: परिनालिका के भीतर सभी स्थानों पर चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं समानांतर सरल रेखाएं होती हैं। इसका अर्थ है कि परिनालिका के भीतर चुंबकीय क्षेत्र सभी बिंदुओं पर एकसमान (Uniform) होता है।
• विद्युत चुंबक (Electromagnet): परिनालिका के भीतर के तीव्र चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग किसी चुंबकीय पदार्थ (जैसे नर्म लोहे की छड़ / Soft Iron core) को उसके अंदर रखकर चुंबकित करने में किया जाता है। इस प्रकार बने चुंबक को विद्युत चुंबक कहते हैं।
• विद्युत चुंबक बनाम स्थायी चुंबक:
  • विद्युत चुंबक एक अस्थायी चुंबक है; धारा बंद करते ही इसका चुंबकत्व समाप्त हो जाता है। इसकी शक्ति धारा बढ़ाकर या फेरों की संख्या ($N$) बढ़ाकर इच्छानुसार बहुत अधिक की जा सकती है।
  • स्थायी चुंबक (जैसे कार्बन स्टील का चुंबक) का चुंबकत्व आसानी से समाप्त नहीं होता और इसकी शक्ति स्थिर होती है।

फ्रांसीसी वैज्ञानिक आंद्रे-मेरी एम्पीयर ने प्रतिपादित किया कि यदि धारावाही चालक चुंबक पर बल लगाता है, तो चुंबक को भी धारावाही चालक पर परिमाण में बराबर और विपरीत दिशा में बल लगाना चाहिए।

(क) चालक पर लगने वाले बल की निर्भरता ($F = BIl \sin\theta$):

• चुंबकीय क्षेत्र की प्रबलता ($B$) पर अनुक्रमानुपाती।
• चालक में प्रवाहित धारा ($I$) पर अनुक्रमानुपाती।
• चालक की लंबाई ($l$) पर अनुक्रमानुपाती।
• अधिकतम बल: जब चालक चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के लंबवत ($90^\circ$) रखा हो, तो उस पर लगने वाला बल अधिकतम होता है।
• शून्य बल: जब चालक चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के समानांतर ($0^\circ$ या $180^\circ$) रखा हो, तो उस पर लगने वाला बल शून्य होता है।

(ख) फ्लेमिंग का वामहस्त नियम (Fleming's Left-Hand Rule)

चुंबकीय क्षेत्र में रखे धारावाही चालक पर लगने वाले बल (या गति) की दिशा ज्ञात करने का स्वर्णिम नियम:

याद रखने की ट्रिक (Father - Mother - Child):

• Forefinger (तर्जनी) = Magnetic Field (चुंबकीय क्षेत्र)
• Center/Middle finger (मध्यमा) = Current (धारा)
• Thumb (अंगूठा) = Force / Motion (बल या गति)

(ग) विद्युत मोटर (Electric Motor) का सिद्धांत

विद्युत मोटर एक ऐसी घूर्णी युक्ति है जो विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में रूपांतरित करती है।

• कार्य सिद्धांत: यह फ्लेमिंग के वामहस्त नियम पर आधारित है। जब किसी चुंबकीय क्षेत्र में रखी आयताकार कुंडली (आर्मेचर) में धारा प्रवाहित की जाती है, तो कुंडली की दोनों विपरीत भुजाओं पर बराबर किंतु विपरीत दिशा में बल कार्य करते हैं। यह बलयुग्म (Torque) कुंडली को लगातार एक ही दिशा में घुमाता है।
• विभक्त वलय (Split Rings / दिक्परिवर्तक - Commutator) का कार्य: विभक्त वलय प्रत्येक आधे घूर्णन के पश्चात कुंडली में धारा की दिशा को उलट देता है, जिससे कुंडली लगातार एक ही दिशा में घूमती रहती है।

(क) विद्युत चुंबकीय प्रेरण (Electromagnetic Induction)

सन् 1831 में माइकल फैराडे ने यह युगांतरकारी खोज की कि जब किसी चालक और चुंबकीय क्षेत्र के बीच आपेक्षिक गति होती है (या कुंडली से बद्ध चुंबकीय क्षेत्र में परिवर्तन होता है), तो कुंडली में एक विद्युत विभवांतर और धारा प्रेरित होती है। इस परिघटना को विद्युत चुंबकीय प्रेरण कहते हैं और उत्पन्न धारा को प्रेरित धारा (Induced Current) कहते हैं।

(ख) फ्लेमिंग का दक्षिण-हस्त नियम (Fleming's Right-Hand Rule)

प्रेरित धारा की दिशा ज्ञात करने हेतु अपने दाहिने हाथ के अँगूठे, तर्जनी और मध्यमा को परस्पर लंबवत फैलाएं:

• तर्जनी = चुंबकीय क्षेत्र की दिशा
• अंगूठा = चालक की गति की दिशा
• मध्यमा = प्रेरित विद्युत धारा की दिशा को दर्शाएगी।

(ग) दिष्ट धारा (DC) बनाम प्रत्यावर्ती धारा (AC)

हमारे घरों में बिजली के खंभों या भूमिगत केबलों द्वारा मुख्य आपूर्ति (Main Supply) प्राप्त होती है। यह आपूर्ति 220 वोल्ट विभवांतर एवं 50 Hz आवृत्ति की प्रत्यावर्ती धारा होती है।

(क) घरेलू परिपथ के तीन मुख्य तार एवं रंग संहिता (Color Code):

(ख) भूसंपर्क तार का क्या कार्य है और यह क्यों आवश्यक है? (JAC Board 3 अंक)

• धातु के आवरण वाले विद्युत उपकरणों (जैसे विद्युत प्रेस, टोस्टर, मेज का पंखा, रेफ्रिजरेटर, कूलर) के धात्विक खोल को भूसंपर्क तार से जोड़ दिया जाता है।
• सुरक्षा कार्य: यदि कभी उपकरण का पुराना या कटा हुआ सजीव तार (Live wire) उपकरण की धातु की बॉडी को छू लेता है, तो भूसंपर्क तार उस क्षरित करंट को अत्यंत कम प्रतिरोध का मार्ग प्रदान करके सीधे जमीन (पृथ्वी) में पहुँचा देता है।
• इससे उपकरण का विभव पृथ्वी के विभव (शून्य) के बराबर बना रहता है, और यदि कोई व्यक्ति उस उपकरण को छू ले, तो उसे कोई गंभीर या जानलेवा बिजली का झटका (Electric Shock) नहीं लगता।

(ग) लघुपथन बनाम अतिभारण (Short-Circuit vs Overloading):