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स्थिर विद्युतिकी: प्रेरण, ध्रुवण और आवेश का बँटवारा

स्थिर विद्युतिकी रुके हुए आवेशों का अध्ययन है। वस्तुएँ घर्षण (रगड़), चालन (छूकर) या प्रेरण (बिना छुए पास लाकर) से आवेशित होती हैं। चालक में मुक्त इलेक्ट्रॉन चलते हैं: पास का आवेश उन्हें एक तरफ़ धकेलता है (प्रेरण), और भू-संपर्क करने पर चालक पर उल्टा आवेश रह जाता है। कुचालक (परावैद्युत) में इलेक्ट्रॉन घूम नहीं सकते, पर हर अणु खिंचकर छोटा द्विध्रुव बन जाता है (ध्रुवण); इसीलिए आवेशित कंघी कागज़ खींचती है। आवेशित चालकों को तार से जोड़ने पर आवेश तब तक बहता है जब तक विभव बराबर न हो। दूर रखे गोलों के लिए V = kq/r, इसलिए q₁/q₂ = r₁/r₂, और छोटे गोले का पृष्ठ आवेश घनत्व ज़्यादा होता है। कुल आवेश हमेशा संरक्षित रहता है।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. उदासीन धातु के गोले में + और − आवेश बराबर हैं। कुल आवेश शून्य।
  2. ऋण आवेशित छड़ पास लाओ। धातु के मुक्त इलेक्ट्रॉन दूर वाली तरफ़ धकेल दिए जाते हैं। पास वाली तरफ़ + बचता है। यह प्रेरण है।
  3. दूर वाली तरफ़ भू-संपर्क करो: इलेक्ट्रॉन ज़मीन में चले जाते हैं। पहले भू-संपर्क हटाओ, फिर छड़। गोला धन आवेशित रह जाता है।
  4. कुचालक में मुक्त इलेक्ट्रॉन नहीं होते। इसकी जगह हर अणु खिंचकर मुड़ जाता है। यह ध्रुवण है, इसी से छड़ उदासीन कागज़ को खींचती है।
  5. दो आवेशित गोलों को तार से जोड़ो। आवेश तब तक बहता है जब तक दोनों का विभव बराबर न हो। बड़े गोले पर ज़्यादा आवेश आता है।
  6. अब आप खेलो: छोटे गोले की त्रिज्या और कुल आवेश बदलो, तार जोड़ो या काटो। q₁, q₂ और V पढ़ो।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

प्रेरण से कुल आवेश नहीं बदलता, तो उदासीन गोला क्यों खिंचता है?

उल्टा आवेश छड़ के ज़्यादा पास है और वैसा आवेश दूर। पास में बल ज़्यादा होता है, इसलिए खिंचाव धक्के से जीत जाता है।

छड़ से पहले भू-संपर्क क्यों हटाना है?

छड़ के पास रहने तक वह आवेश का असंतुलन बनाए रखती है। छड़ पहले हटी तो इलेक्ट्रॉन ज़मीन से लौट आएँगे और गोला फिर उदासीन हो जाएगा।

कागज़ तो कुचालक है, कंघी उसे कैसे खींचती है?

कंघी कागज़ के अणुओं को ध्रुवित करती है। उनके पास वाले सिरे कंघी से उल्टे हो जाते हैं, और वे ज़्यादा खिंचते हैं, दूर वाले सिरे कम धकेले जाते हैं।

जोड़ने पर बड़े गोले को ज़्यादा आवेश क्यों मिलता है?

आवेश तब तक बहता है जब तक kq/r बराबर न हो। बड़ी r के लिए उसी V के लिए बड़ा q चाहिए।

तो क्या बड़े गोले पर क्षेत्र ज़्यादा है?

नहीं। छोटे गोले पर आवेश कम है पर क्षेत्रफल बहुत कम, इसलिए उसका पृष्ठ घनत्व और क्षेत्र ज़्यादा है। मुक्त खेल में बहुत छोटी त्रिज्या लेकर देखो।

आवेश, चालक और कुचालक

आवेश दो तरह के हैं: धन (+) और ऋण (−)। समान आवेश एक-दूसरे को धकेलते हैं, असमान आवेश खींचते हैं। आवेश की इकाई कूलॉम (C) है। सबसे छोटा मुक्त आवेश एक इलेक्ट्रॉन का है, e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C, इसलिए हर आवेश e का पूर्ण गुणज है (क्वांटीकरण): q = ne।

आवेश संरक्षित है: न बनता है, न नष्ट होता है, बस एक जगह से दूसरी जगह जाता है। काँच की छड़ को रेशम से रगड़ो तो इलेक्ट्रॉन काँच से रेशम पर जाते हैं; काँच + और रेशम उतना ही − हो जाता है।

चालक (धातु, मानव शरीर, पृथ्वी) में कुछ इलेक्ट्रॉन घूमने को आज़ाद हैं। कुचालक या परावैद्युत (प्लास्टिक, काँच, सूखा कागज़, रबर) में इलेक्ट्रॉन अपने परमाणु से बँधे रहते हैं।

आवेशित करने के तीन तरीके: घर्षण (दो अलग पदार्थ रगड़ना), चालन (आवेशित वस्तु को छूना, उसी चिह्न का आवेश मिलता है) और प्रेरण (बिना छुए, उल्टे चिह्न का आवेश)।

स्थिरवैद्युत प्रेरण: बिना छुए आवेशन

पास रखी आवेशित वस्तु के कारण चालक में आवेशों का अलग होना प्रेरण कहलाता है।

  1. कुचालक स्टैंड पर रखे उदासीन धातु गोले के पास ऋण छड़ लाओ।
  2. छड़ मुक्त इलेक्ट्रॉनों को दूर वाली तरफ़ धकेलती है। पास वाली तरफ़ इलेक्ट्रॉन कम होने से + हो जाती है। गोला कुल मिलाकर उदासीन है, फिर भी छड़ की ओर खिंचता है, क्योंकि + तरफ़ ज़्यादा पास है।
  3. दूर वाली तरफ़ को भू-संपर्क तार (या उँगली) से छुओ। छड़ के धक्के से इलेक्ट्रॉन ज़मीन में चले जाते हैं।
  4. पहले भू-संपर्क हटाओ, फिर छड़। गोले पर कुल + आवेश बचता है, जो पूरी सतह पर फैल जाता है।

प्रेरित आवेश हमेशा प्रेरक आवेश से उल्टे चिह्न का होता है। क्रम ज़रूरी है: छड़ पहले हटा दी तो इलेक्ट्रॉन वापस आ जाएँगे और गोला उदासीन रहेगा।

स्वर्णपत्र विद्युतदर्शी प्रेरण दिखाता है: आवेशित छड़ उसकी टोपी के पास लाओ तो पत्तियाँ फैल जाती हैं, क्योंकि दोनों पत्तियों पर एक जैसा आवेश पहुँचता है।

स्थिर अवस्था में चालक के अंदर विद्युत क्षेत्र शून्य होता है; सारा अतिरिक्त आवेश बाहरी सतह पर रहता है। इसीलिए धातु का बक्सा (फ़ैराडे पिंजरा) अंदर की चीज़ों को बचाता है।

कुचालक (परावैद्युत) का ध्रुवण

कुचालक में इलेक्ट्रॉन पदार्थ में घूम नहीं सकते। फिर भी विद्युत क्षेत्र उन्हें हर परमाणु या अणु के अंदर थोड़ा खिसका सकता है।

नतीजा: ऋण छड़ की ओर वाली सतह पर + (बद्ध) आवेश की पतली परत और दूर वाली सतह पर −। यह परावैद्युत ध्रुवण है। बद्ध आवेश भू-संपर्क से नहीं हटते, चालक के प्रेरित आवेशों की तरह नहीं।

उल्टा आवेश पास होने से कुल खिंचाव होता है। इसीलिए आवेशित कंघी कागज़ खींचती है और रगड़ा गुब्बारा दीवार से चिपकता है। अंदर बद्ध आवेश बाहरी क्षेत्र का विरोध करते हैं, जिससे क्षेत्र परावैद्युतांक κ गुना घट जाता है (पानी के लिए लगभग 80, प्लास्टिक के लिए 2–3)।

चालकों के बीच आवेश का पुनर्वितरण

दो आवेशित चालकों को तार से जोड़ो तो आवेश ऊँचे विभव से नीचे विभव की ओर तब तक बहता है जब तक दोनों का विभव बराबर न हो जाए। कुल आवेश वही रहता है।

r त्रिज्या और q आवेश वाले अकेले गोले के लिए: V = kq/r, जहाँ k = 1/(4πε₀) ≈ 9 × 10⁹ N m² C⁻²।

दूर रखे, पतले तार से जुड़े दो गोलों के लिए: kq₁/r₁ = kq₂/r₂, यानी q₁/q₂ = r₁/r₂, और q₁ + q₂ = Q। इसलिए q₁ = Q·r₁/(r₁ + r₂) और साझा विभव V = kQ/(r₁ + r₂)।

पृष्ठ आवेश घनत्व σ = q/(4πr²)। चूँकि q ∝ r, इसलिए σ ∝ 1/r: छोटे गोले का σ ज़्यादा और सतह पर क्षेत्र (E = σ/ε₀) भी ज़्यादा। इसी कारण नुकीले सिरों से आवेश रिसता है (कोरोना विसर्जन) और तड़ित चालक नुकीले होते हैं।

दो एक जैसे गोले छूने पर आवेश बराबर बँटता है। भू-संपर्क चालक का विभव शून्य कर देता है; दूर रखे अकेले गोले का इससे सारा आवेश निकल जाता है।

इस बँटवारे में ऊर्जा संरक्षित नहीं रहती: कुछ ऊर्जा तार में ऊष्मा और चिंगारी में प्रकाश बनकर निकल जाती है।

करके देखो

गुब्बारे को सूखे बालों या ऊनी स्वेटर पर रगड़ो। उसे कागज़ के छोटे टुकड़ों के पास लाओ: वे उछलकर चिपकते हैं (ध्रुवण)। नल की पतली धार के पास लाओ: धार मुड़ जाती है (पानी के अणु ध्रुवीय हैं)। ज़मीन पर लिटाए खाली एल्युमिनियम कैन के पास लाओ: कैन गुब्बारे की ओर लुढ़कता है (चालक में प्रेरण)। पहले अंदाज़ा लगाओ, फिर करो। 3D का चरण 4 दिखाता है कि कागज़ के अंदर क्या होता है।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. एक छड़ पर 5 × 10¹⁰ अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन आ गए। उसका आवेश कितना है?

q = ne = 5 × 10¹⁰ × 1.6 × 10⁻¹⁹ C = 8 × 10⁻⁹ C = 8 nC, ऋण। यानी q = −8 nC।

2. दो एक जैसे धातु गोलों पर +10 μC और −4 μC है। उन्हें छुआकर अलग किया। हर एक पर आवेश?

कुल = +10 + (−4) = +6 μC। एक जैसे गोले बराबर बाँटते हैं: हर एक पर +3 μC।

3. 10 cm त्रिज्या का गोला (q = 12 nC) लंबे पतले तार से 5 cm के अनावेशित गोले से जोड़ा गया। अंतिम आवेश?

q₁/q₂ = r₁/r₂ = 10/5 = 2 और q₁ + q₂ = 12 nC। इसलिए q₁ = 8 nC, q₂ = 4 nC।

4. पिछले उदाहरण में साझा विभव निकालो।

V = kq₁/r₁ = 9 × 10⁹ × 8 × 10⁻⁹ / 0.10 = 720 V। जाँच: kq₂/r₂ = 9 × 10⁹ × 4 × 10⁻⁹ / 0.05 = 720 V। बराबर, जैसा होना चाहिए।

5. ऊपर के दोनों गोलों के पृष्ठ आवेश घनत्व की तुलना करो।

σ = q/(4πr²)। σ₁/σ₂ = (q₁/q₂)(r₂/r₁)² = 2 × (1/2)² = 1/2। छोटे गोले का पृष्ठ घनत्व दोगुना है, इसलिए उसकी सतह पर क्षेत्र भी दोगुना।

6. +20 nC की छड़ से एक उदासीन गोले को प्रेरण द्वारा आवेशित किया। गोले पर कौन-सा चिह्न आएगा, आवेश कहाँ से आया, और क्या छड़ का आवेश घटा?

गोला ऋण आवेशित होगा (छड़ से उल्टा)। + छड़ भू-संपर्क तार से पृथ्वी के इलेक्ट्रॉन ऊपर खींचती है; भू-संपर्क हटाने पर वे गोले पर फँस जाते हैं। छड़ ने गोले को छुआ नहीं, इसलिए उसका पूरा +20 nC बचा रहता है। गोला + पृथ्वी का कुल आवेश संरक्षित रहता है।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. प्रेरण द्वारा आवेशन में चालक पर अंतिम आवेश होता है:
2. आवेशित कंघी उदासीन कागज़ को क्यों खींचती है?
3. तार से जुड़े दो गोलों में अंत में बराबर होता है:
4. 2 cm और 6 cm त्रिज्या के गोले जोड़े गए। q(छोटा)/q(बड़ा) का अनुपात:
5. स्थिर अवस्था में आवेशित धातु चालक के अंदर विद्युत क्षेत्र होता 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

स्थिरवैद्युत प्रेरण सरल शब्दों में क्या है?

बिना छुए, सिर्फ़ आवेशित वस्तु पास लाकर चालक के अंदर आवेशों को इधर-उधर करना। भू-संपर्क के साथ यह चालक पर उल्टा आवेश छोड़ सकता है।

प्रेरण और ध्रुवण में क्या अंतर है?

प्रेरण चालकों में होता है: मुक्त इलेक्ट्रॉन पूरी वस्तु में चलते हैं। ध्रुवण कुचालकों में होता है: आवेश हर अणु के अंदर बस थोड़ा खिसकते हैं।

जुड़े दो गोलों में आवेश कैसे बँटता है?

उनकी त्रिज्याओं के अनुपात में (q₁/q₂ = r₁/r₂), क्योंकि दोनों का विभव V = kq/r बराबर होना चाहिए।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

अमेरिकाGrade 12Conductors and Capacitors
दक्षिण कोरिया고등학교 2학년Electromagnetic interaction
दक्षिण कोरिया고등학교 3학년Electromagnetic fields

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