विद्युत पदार्थ: चालक, चुंबकीय और विद्युतरोधी

चालक पदार्थ

चालक में बहुत सारे मुक्त इलेक्ट्रॉन होते हैं। इसकी प्रतिरोधकता (ρ) बहुत कम होती है। तार का प्रतिरोध R = ρ L / A (L लंबाई, A अनुप्रस्थ काट का क्षेत्रफल)।

• तांबा (ρ ≈ 1.7 × 10⁻⁸ Ω·m): तार और कुंडली के लिए सबसे अच्छा आम चुनाव।
• एल्युमिनियम (ρ ≈ 2.8 × 10⁻⁸ Ω·m): हल्का और सस्ता, ऊपरी लाइनों में प्रयोग।
• नाइक्रोम और टंगस्टन: ऊँची प्रतिरोधकता और गर्मी सहते हैं, इसलिए हीटर तार और बल्ब के तंतु बनते हैं।
• सोल्डर और फ़्यूज़ तार: कम गलनांक, इसलिए पुर्ज़े जोड़ते हैं या धारा काटते हैं।

गरम होने पर धातु का प्रतिरोध बढ़ता है, क्योंकि परमाणु ज़्यादा काँपते हैं और इलेक्ट्रॉन रोकते हैं।

विद्युतरोधी पदार्थ

विद्युतरोधी (कुचालक) में लगभग कोई मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होता। प्रतिरोधकता बहुत ऊँची होती है (काँच में 10¹⁰ Ω·m या ज़्यादा)। यह धारा को सही जगह रखता है और लोगों को सुरक्षित।

हर विद्युतरोधी की एक सीमा है। डाइइलेक्ट्रिक सामर्थ्य वह सबसे बड़ा विद्युत क्षेत्र (kV प्रति mm) है जो वह सह सकता है। इससे ऊपर भंजन (breakdown) होता है: चिंगारी, और विद्युतरोधी खराब। हवा लगभग 3 kV/mm सहती है; अच्छे ठोस कहीं ज़्यादा।

• ठोस: चीनी मिट्टी और काँच (लाइन इंसुलेटर), रबर और PVC (तार का खोल), अभ्रक (हीटर), कागज़ और वार्निश (कुंडली)।
• द्रव: ट्रांसफ़ॉर्मर तेल रोधन भी करता है और ठंडा भी।
• गैस: हवा, और स्विचगियर में SF₆।

गर्मी से रोधन बूढ़ा होता है। रोधन को उसके सहने योग्य अधिकतम ताप से वर्ग में रखते हैं, ताकि मोटर न जले।

चुंबकीय पदार्थ: नरम और कड़े

लोहे के अंदर डोमेन नाम के नन्हे क्षेत्र होते हैं, हर एक छोटे चुंबक जैसा। चुंबकीय क्षेत्र इन्हें एक रेखा में करता है। दो गुण उपयोग तय करते हैं:

• धारणशीलता (retentivity): क्षेत्र हटने के बाद कितना चुंबकत्व बचा रहता है।
• निग्राहिता (coercivity): उसे मिटाने के लिए कितना उल्टा क्षेत्र चाहिए।

नरम चुंबकीय पदार्थ (नरम लोहा, सिलिकॉन स्टील, फ़ेराइट) में दोनों कम होते हैं। वे आसानी से चुंबकित-अचुंबकित होते हैं और हर चक्र में गर्मी कम बनती है। ट्रांसफ़ॉर्मर और मोटर कोर, रिले और विद्युत चुंबक में काम आते हैं।

कड़े चुंबकीय पदार्थ (कार्बन स्टील, एल्निको, नियोडिमियम मिश्रधातु) में दोनों ज़्यादा होते हैं। इन्हें अचुंबकित करना कठिन है। स्पीकर, मीटर और छोटी मोटर के स्थायी चुंबक में प्रयोग।

चुंबकन बनाम क्षेत्र का लूप शैथिल्य लूप (hysteresis loop) है। उसका क्षेत्रफल हर चक्र में खोई ऊर्जा है: नरम का लूप पतला, कड़े का मोटा।

खुद करके देखो: पदार्थ परखो

3D खोलो। चालक दबाओ और वोल्टेज स्लाइडर खींचो। सोचो: वोल्टेज दुगना करने पर इलेक्ट्रॉन दुगनी गति से चलेंगे? जाँचो। कुचालक दबाकर 100 तक खींचो: चिंगारी किस वोल्टेज पर आती है? (स्लाइडर 80।)

नरम चुंबक दबाकर क्षेत्र बढ़ाओ, फिर शून्य करो। क्या तीर एक ओर रहते हैं? कड़े चुंबक में दोहराओ: पहले 6 के पार जाओ। घर पर: स्टील की सुई को चुंबक पर रगड़ो और देखो कि वह पिन उठाती है; नरम लोहे की कील जल्दी भूल जाती है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

• R = ρ L / A
• ρ (तांबा) ≈ 1.7 × 10⁻⁸ Ω·m; ρ (एल्युमिनियम) ≈ 2.8 × 10⁻⁸ Ω·m; ρ (नाइक्रोम) ≈ 1.1 × 10⁻⁶ Ω·m
• भंजन वोल्टेज ≈ डाइइलेक्ट्रिक सामर्थ्य × मोटाई (kV/mm × mm)
• हवा का डाइइलेक्ट्रिक सामर्थ्य ≈ 3 kV/mm
• शैथिल्य लूप का क्षेत्रफल = प्रति चक्र खोई ऊर्जा

हल किए गए उदाहरण

आम गलतियाँ

• यह सोचना कि विद्युतरोधी कभी धारा नहीं देता। भंजन वोल्टेज से ऊपर वह देता है, और खराब हो जाता है।
• नरम और कड़े चुंबक में गड़बड़ करना। "नरम" का मतलब आसानी से अचुंबकित होना है, कमज़ोर या पिलपिला नहीं।
• R = ρL/A में mm² सीधे रख देना। बदलो: 1 mm² = 10⁻⁶ m²।
• गर्मी भूल जाना। गरम धातु का प्रतिरोध बढ़ता है; गरम होने पर रोधन जल्दी बूढ़ा होता है।