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विद्युत और चुंबकत्व

विद्युत आवेश और चुंबक एक ही बात के दो रूप हैं। रगड़ी वस्तु पर स्थिर आवेश रहता है; चुंबक के ध्रुव और क्षेत्र होता है; धारा चुंबकीय क्षेत्र बनाती है; और बदलता चुंबकीय क्षेत्र धारा बनाता है (विद्युत चुंबकीय प्रेरण)। मोटर, जनित्र और ट्रांसफ़ॉर्मर इन्हीं चार बातों पर चलते हैं।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. यह प्लास्टिक की छड़ है और कागज़ के टुकड़े। छड़ पर अभी आवेश नहीं है, इसलिए कुछ नहीं होता।
  2. हम छड़ को रगड़ते हैं। इलेक्ट्रॉन छड़ पर आ जाते हैं, यानी उस पर आवेश आ गया (नीले बिंदु)। अब वह कागज़ के टुकड़ों को ऊपर खींचती है। यही स्थिर वैद्युत है।
  3. अब छड़ चुंबक। छोटी कंपास सुइयाँ उसके क्षेत्र की दिशा में टिकती हैं: वे लाल उत्तरी ध्रुव से निकलकर घूमते हुए नीले दक्षिणी ध्रुव में जाती हैं।
  4. अब धारा वाला तार। तार के पास की कंपास सुइयाँ उसके चारों ओर गोल घेरे में घूम जाती हैं। धारा चुंबकीय क्षेत्र बनाती है!
  5. अब उल्टा। चुंबक को कुंडली में अंदर-बाहर चलाओ तो बल्ब जलता है। बदलता चुंबकीय क्षेत्र धारा बनाता है। यही विद्युत चुंबकीय प्रेरण है। चुंबक रोको तो बल्ब बुझ जाता है।
  6. खुला खेल: कोई स्टेशन चुनो और पट्टी चलाओ। ज़्यादा रगड़ो, चुंबक घुमाओ, धारा उलटो, या चुंबक को तेज़ और धीमे चलाओ।

टिप: 3D दृश्य को घुमाने के लिए खींचें। ज़ूम के लिए दो उंगलियाँ इस्तेमाल करें।

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

कागज़ के टुकड़े तो आवेशित नहीं हैं, फिर आवेशित छड़ की ओर क्यों उछलते हैं?

छड़ हर टुकड़े के विपरीत आवेश को थोड़ा पास खींचती है और समान आवेश को दूर धकेलती है। पास वाले आवेश पर खिंचाव ज़्यादा होता है, इसलिए कागज़ खिंच जाता है। और रगड़ो तो उसे ऊपर उठता देखो।

क्या चुंबक हर चीज़ को खींचता है?

नहीं। वह कुछ ही पदार्थ खींचता है: लोहा, इस्पात, निकल और कोबाल्ट। कागज़, लकड़ी, प्लास्टिक और ताँबा नहीं खिंचते।

धारा वाले तार के पास लाने पर कंपास की सुई क्यों हिलती है?

धारा तार के चारों ओर गोल घेरों में अपना चुंबकीय क्षेत्र बनाती है। सुई इस क्षेत्र और पृथ्वी के क्षेत्र के जोड़ की दिशा में टिकती है। धारा बड़ी करो तो सुइयाँ और घूमती हैं।

धारा उलटने पर क्या होता है?

चुंबकीय क्षेत्र उलटी दिशा में घूमने लगता है और सुइयाँ उलटी ओर घूम जाती हैं। खुले खेल में पट्टी को शून्य से नीचे ले जाकर देखो।

बल्ब जलाने के लिए चुंबक को चलाना क्यों ज़रूरी है?

वोल्टता तभी बनती है जब कुंडली से गुज़रता चुंबकीय क्षेत्र बदले। रुका चुंबक कोई बदलाव नहीं देता, इसलिए न emf, न रोशनी।

क्या विद्युत और चुंबकत्व एक ही चीज़ हैं?

ये एक ही बल, यानी विद्युत चुंबकत्व, के दो रूप हैं। गतिमान आवेश चुंबकीय क्षेत्र बनाता है और बदलता चुंबकीय क्षेत्र आवेशों को धकेलता है। चारों स्टेशन आज़माकर देखो।

स्थिर वैद्युत

हर पदार्थ में छोटे आवेश होते हैं: धनात्मक प्रोटॉन और ऋणात्मक इलेक्ट्रॉन। आमतौर पर ये बराबर होते हैं, इसलिए वस्तु उदासीन रहती है। दो अलग पदार्थों को रगड़ने पर इलेक्ट्रॉन एक से दूसरे में चले जाते हैं। जिसे इलेक्ट्रॉन मिले वह ऋणात्मक हो जाता है और जिसके गए वह धनात्मक। प्लास्टिक और काँच आवेश को बहने नहीं देते, इसलिए आवेश वहीं टिका रहता है (यह स्थिर है)।

दो नियम: समान आवेश एक-दूसरे को हटाते हैं, विपरीत आवेश खींचते हैं। आवेशित छड़ उदासीन कागज़ को भी खींचती है, क्योंकि वह कागज़ के विपरीत आवेश को थोड़ा पास खींच लेती है।

कूलॉम का नियम दो छोटे आवेशों के बीच बल देता है: F = k q₁ q₂ / r², जहाँ k = 9 × 10⁹ N m²/C²। दूरी दोगुनी करो तो बल चार गुना घट जाता है। आवेश का मात्रक कूलॉम (C) है; एक इलेक्ट्रॉन का आवेश 1.6 × 10⁻¹⁹ C है।

चालक (धातुएँ) आवेश को बहने देते हैं; विद्युतरोधी (प्लास्टिक, काँच, सूखी हवा) नहीं। उपयोग और खतरे: फोटोकॉपी मशीन, पेंट स्प्रे और धूल छन्नी स्थिर आवेश इस्तेमाल करते हैं; आकाशीय बिजली एक विशाल विसर्जन है, और ऊँची इमारत पर तड़ित चालक उसे सुरक्षित धरती तक पहुँचाता है।

चुंबकत्व

चुंबक लोहे, निकल और कोबाल्ट को खींचता है। उसका खिंचाव दोनों सिरों, यानी ध्रुवों पर सबसे ज़्यादा होता है: उत्तरी (N) और दक्षिणी (S)। समान ध्रुव हटाते हैं, विपरीत ध्रुव खींचते हैं। अकेला ध्रुव नहीं मिल सकता: चुंबक को बीच से तोड़ो तो हर टुकड़े में दोनों ध्रुव होते हैं।

चुंबक के चारों ओर की वह जगह जहाँ उसका बल महसूस होता है चुंबकीय क्षेत्र है। हम उसे क्षेत्र रेखाओं से दिखाते हैं: ये उत्तरी ध्रुव से निकलती हैं, घूमती हैं और दक्षिणी ध्रुव में घुसती हैं। रेखाएँ पास-पास हों तो क्षेत्र प्रबल है। कंपास एक छोटा चुंबक है जो क्षेत्र की दिशा में टिकता है; वह उत्तर दिखाता है क्योंकि पृथ्वी खुद एक बड़ा चुंबक है।

पदार्थ: चुंबकीय (लोहा, इस्पात, निकल, कोबाल्ट) खिंचते हैं; ताँबा, लकड़ी, प्लास्टिक नहीं। नरम लोहा जल्दी चुंबक बनता है और जल्दी छोड़ देता है (विद्युत चुंबक के लिए अच्छा); इस्पात चुंबकत्व रोके रखता है (स्थायी चुंबक के लिए अच्छा)।

धारा और चुंबकत्व

1820 में हैंस क्रिश्चियन ऑर्स्टेड ने देखा कि धारा वाले तार के पास कंपास की सुई घूम गई। यानी गतिमान आवेश चुंबकीय क्षेत्र बनाता है।

विद्युत चुंबकीय प्रेरण

1831 में माइकल फैराडे ने उल्टा पाया: बदलता चुंबकीय क्षेत्र वोल्टता बनाता है। कुंडली में चुंबक को अंदर डालो तो छोटी वोल्टता (विद्युत वाहक बल, emf) पैदा होती है और बंद परिपथ में धारा बहती है। चुंबक को स्थिर रखो तो कुछ नहीं होता।

फैराडे का नियम: प्रेरित emf = फेरे × (चुंबकीय फ्लक्स में बदलाव ÷ समय), यानी ε = N ΔΦ/Δt। emf बढ़ाने के लिए: चुंबक तेज़ चलाओ, प्रबल चुंबक लो, या ज़्यादा फेरे रखो।

लेंज़ का नियम: प्रेरित धारा उस दिशा में बहती है जो उसे बनाने वाले बदलाव का विरोध करे। (इसी से बंद कुंडली में चुंबक को अंदर धकेलना कठिन लगता है: ऊर्जा बिजली में बदल रही है।)

उपयोग: जनित्र क्षेत्र में कुंडली घुमाकर प्रत्यावर्ती धारा बनाता है; ट्रांसफ़ॉर्मर एक कुंडली के बदलते क्षेत्र से दूसरी कुंडली में वोल्टता प्रेरित करता है: Vs/Vp = Ns/Np; डाइनमो साइकिल की बत्ती जलाता है; इंडक्शन चूल्हा प्रेरित धाराओं से बर्तन गर्म करता है।

करके देखो: दो छोटे प्रयोग

1. स्थिर वैद्युत: प्लास्टिक का पेन सूखे बालों या ऊन पर 20 सेकंड रगड़ो और कागज़ के छोटे टुकड़ों के पास लाओ। पहले अंदाज़ा लगाओ: अगर हाथ में पकड़ा धातु का चम्मच रगड़ो तो क्या यही होगा? (नहीं होगा, क्योंकि आवेश तुम्हारे शरीर से बह जाएगा।)

2. चुंबक और कंपास: छड़ चुंबक को कंपास के पास लाओ। चुंबक को घुमाओ और सुई को घूमते देखो। फिर कील पर तार लपेटकर सेल से जोड़ो: क्या वह पिनें उठा लेगी? फेरे दोगुने करके गिनो कि कितनी ज़्यादा पिनें उठीं।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 2 μC और 3 μC के दो छोटे आवेश हवा में 0.3 m दूर हैं। उनके बीच बल निकालो।

F = k q₁ q₂ / r² = 9 × 10⁹ × (2 × 10⁻⁶) × (3 × 10⁻⁶) ÷ (0.3)² = 9 × 10⁹ × 6 × 10⁻¹² ÷ 0.09 = 0.054 ÷ 0.09 = 0.6 N। दोनों धनात्मक (या दोनों ऋणात्मक) हों तो वे एक-दूसरे को हटाते हैं।

2. 0.3 m लंबे तार में 4 A धारा है और वह 0.5 T के क्षेत्र के लंबवत है। तार पर बल निकालो।

F = B I L = 0.5 × 4 × 0.3 = 0.6 N। धारा उलटो तो बल की दिशा उलट जाती है।

3. 200 फेरों वाली कुंडली का चुंबकीय फ्लक्स 0.5 s में 0.02 Wb बदलता है। प्रेरित emf निकालो।

ε = N ΔΦ/Δt = 200 × 0.02 ÷ 0.5 = 8 V।

4. एक ट्रांसफ़ॉर्मर की प्राथमिक कुंडली में 1000 फेरे और द्वितीयक में 50 फेरे हैं। प्राथमिक पर 230 V है। द्वितीयक वोल्टता कितनी है?

Vs = Vp × Ns/Np = 230 × 50/1000 = 11.5 V। यह अपचायी (step-down) ट्रांसफ़ॉर्मर है, जैसा फोन चार्जर में होता है।

5. ऊर्ध्वाधर तार में धारा ऊपर की ओर है। ऊपर से देखने पर तार के चारों ओर क्षेत्र किस दिशा में घूमता है?

दाएँ अंगूठे को ऊपर (धारा की दिशा) रखो। ऊपर से देखने पर उँगलियाँ वामावर्त मुड़ती हैं, इसलिए क्षेत्र वामावर्त है। यह 3D की उन सुइयों से मेल खाता है जब धारा धनात्मक हो।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. प्लास्टिक की छड़ को ऊन से रगड़ने पर क्या एक वस्तु से दूसरी में जाता है?
2. छड़ चुंबक के बाहर चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ किस ओर जाती हैं?
3. किसने पाया कि धारा चुंबकीय क्षेत्र बनाती है?
4. कुंडली से जुड़ा बल्ब कब जलता है?
5. ट्रांसफ़ॉर्मर किस सिद्धांत पर चलता है?

अभ्यास: खुद जवाब दो

अपना जवाब लिखो या चुनो, फिर जाँचें दबाओ। अटको तो संकेत देखो; जवाब देने के बाद पूरा हल दिखेगा।

अक्सर पूछे जाने वाले प्रश्न

विद्युत और चुंबकत्व में क्या संबंध है?

दोनों जुड़े हैं। धारा (गतिमान आवेश) चुंबकीय क्षेत्र बनाती है, और बदलता चुंबकीय क्षेत्र emf और धारा बनाता है। इन्हें मिलाकर विद्युत चुंबकत्व कहते हैं।

स्थिर वैद्युत और धारा विद्युत में क्या अंतर है?

स्थिर वैद्युत वह आवेश है जो रगड़ने के बाद वस्तु पर टिका रहता है। धारा विद्युत में आवेश परिपथ में चालक के अंदर लगातार बहता है।

चलता चुंबक धारा बनाता है पर रुका हुआ क्यों नहीं?

धारा तभी प्रेरित होती है जब कुंडली से गुज़रने वाला चुंबकीय फ्लक्स बदले। रुका चुंबक स्थिर फ्लक्स देता है, इसलिए ΔΦ/Δt = 0 और emf शून्य रहता है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

जापान高校(専門学科)1〜3年Electrical Theory
जापान高校(専門学科)1〜3年Advanced Physics

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