क्रियात्मक पदार्थ क्या है?
संरचनात्मक पदार्थ मज़बूती के लिए चुना जाता है। क्रियात्मक पदार्थ इसलिए चुना जाता है कि वह कुछ करता है: चुंबकीय खिंचाव देता है, आवाज़ बनाता है, प्रकाश मोड़ता है, बिजली बनाता है या गर्मी पहचानता है।
इनमें से ज़्यादातर पदार्थ एक तरह की ऊर्जा या संकेत को दूसरे में बदलते हैं। जैसे प्रकाश से बिजली, या बिजली से ध्वनि।
विद्युत-चुंबकीय पदार्थ
ये पदार्थ विद्युत धारा और चुंबकीय क्षेत्र पर असर दिखाते हैं।
- चालक जैसे ताँबा धारा आसानी से बहने देते हैं, इसलिए तार इनसे बनते हैं।
- कुचालक जैसे रबड़ और प्लास्टिक धारा रोकते हैं, इसलिए तारों पर चढ़ाए जाते हैं।
- नरम चुंबकीय पदार्थ (नरम लोहा, सिलिकॉन स्टील) धारा बहने पर तेज़ चुंबक बनते हैं और धारा रुकते ही चुंबकत्व खो देते हैं। विद्युत चुंबक, ट्रांसफ़ॉर्मर क्रोड और रिले में।
- कठोर चुंबकीय पदार्थ (स्टील की मिश्रधातुएँ, फ़ेराइट) लंबे समय तक चुंबकित रहते हैं। स्थायी चुंबक, स्पीकर और फ़्रिज चुंबक में।
3D में कुंडली के अंदर लोहे की क्रोड हवा से कहीं ज़्यादा क्लिप उठाती है।
ध्वनिक और प्रकाशीय पदार्थ
ध्वनिक पदार्थ आवाज़ से जुड़े हैं। पीज़ोविद्युत पदार्थ (क्वार्ट्ज़, कुछ सेरामिक) वोल्टता लगाने पर काँपता है, और दबाने पर वोल्टता भी बनाता है। इसी से बजर, माइक्रोफ़ोन और गैस लाइटर की "टिक" चलती है। झाग और कॉर्क भी ध्वनिक पदार्थ हैं: वे आवाज़ सोख लेते हैं।
प्रकाशीय पदार्थ प्रकाश से जुड़े हैं। काँच प्रकाश को गुज़रने देता है और मोड़ता है; लेंस इसी से बनते हैं। पतला काँच का रेशा प्रकाश को अपनी लंबाई में राह देता है (ऑप्टिकल फ़ाइबर) और इंटरनेट डेटा ले जाता है। LCD स्क्रीन के खास क्रिस्टल थोड़ी वोल्टता बदलने पर प्रकाश को गुज़रने देते या रोक देते हैं।
ऊर्जा-रूपांतरण पदार्थ
ये ऊर्जा को एक रूप से दूसरे में बदलते हैं।
- सौर सेल (सिलिकॉन): प्रकाश से बिजली।
- ताप-विद्युत पदार्थ: ताप के अंतर से बिजली (और उल्टा भी, जैसे छोटे कूलर में)।
- पीज़ोविद्युत पदार्थ: दाब से बिजली।
- बैटरी पदार्थ (लिथियम यौगिक): रासायनिक ऊर्जा से बिजली, और चार्ज करने पर उल्टा।
एक सामान्य सिलिकॉन सौर सेल प्रकाश का लगभग पाँचवाँ हिस्सा बिजली में बदलता है। बाक़ी गर्मी बन जाता है।
सेंसर पदार्थ
सेंसर पदार्थ आसपास बदलने पर अपना कोई गुण बदलता है। उस बदलाव को हम बिजली के संकेत की तरह मापते हैं।
- थर्मिस्टर: तापमान बढ़ने पर प्रतिरोध घटता है। डिजिटल थर्मामीटर और फ़्रिज में।
- LDR (प्रकाश-निर्भर प्रतिरोधक): तेज़ रोशनी में प्रतिरोध घटता है। शाम को अपने-आप जलने वाली स्ट्रीट लाइट में।
- विकृति मापी (स्ट्रेन गेज): पतला धातु का जाल जिसका प्रतिरोध खिंचने पर बदलता है। तौलने की मशीन में।
- पीज़ो क्रिस्टल: दबाने या कंपन पर वोल्टता देता है। नॉक सेंसर में।
क्रियात्मक पदार्थ कैसे चुनें
तीन सवाल पूछो: मेरे पास कौन-सा इनपुट है (धारा, प्रकाश, ताप, दाब)? मुझे कौन-सा आउटपुट चाहिए (बल, ध्वनि, बिजली, संकेत)? क्या यह इतना टिकेगा और इतना सस्ता होगा? फिर वह पदार्थ लो जो यह रूपांतरण करे।
मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ
- नरम चुंबकीय: धारा रुकते ही चुंबकत्व जाता है; कठोर चुंबकीय: बनाए रखता है
- पीज़ो: दाब ↔ वोल्टता
- स्नेल का नियम: sin(i) / sin(r) = n (काँच के लिए n लगभग 1.5)
- सौर सेल दक्षता = विद्युत निर्गत ÷ प्रकाश निवेश × 100%
- थर्मिस्टर (NTC): ताप बढ़ा, प्रतिरोध घटा
हल किए गए उदाहरण
1. एक सौर पैनल को 1000 W धूप मिलती है और उसकी दक्षता 20% है। उससे कितनी बिजली मिलेगी?
निर्गत = 0.20 × 1000 = 200 W। बाक़ी 800 W गर्मी बन जाता है।
2. प्रकाश 30° पर काँच (n = 1.5) में जाता है। काँच के अंदर कोण निकालो। (sin 30° = 0.5)
sin r = sin i / n = 0.5 / 1.5 = 0.333। इसलिए r ≈ 19.5°। प्रकाश अभिलंब की ओर मुड़ता है।
3. विद्युत चुंबक में कठोर स्टील की जगह नरम लोहा क्यों लगाते हैं?
नरम लोहा धारा बहने पर तेज़ चुंबक बनता है और धारा बंद होते ही चुंबकत्व खो देता है, इसलिए चुंबक को चालू-बंद कर सकते हैं। कठोर स्टील चुंबकित ही रहता।
4. LDR का प्रतिरोध अँधेरे में ज़्यादा और रोशनी में कम होता है। यह रात को स्ट्रीट लैंप कैसे जला सकता है?
अँधेरे में प्रतिरोध ज़्यादा होता है, सर्किट उसे पहचानकर लैंप जला देता है। दिन में कम प्रतिरोध पर लैंप बंद हो जाता है।
5. एक थर्मिस्टर 25 °C पर 10 kΩ और 100 °C पर लगभग 1 kΩ पढ़ता है। क्या यह तापमान के लिए अच्छा सेंसर है? क्यों?
हाँ। 75 °C के बदलाव पर प्रतिरोध दस गुना बदलता है, जिसे मापना आसान है, इसलिए छोटे तापमान-बदलाव पर भी साफ़ संकेत मिलता है।
6. पीज़ो बजर 2000 Hz पर चलता है। 3 सेकंड में डिस्क कितनी बार काँपेगी?
2000 × 3 = 6000 बार।
आम गलतियाँ
- नरम और कठोर चुंबकीय पदार्थ को उलट देना। नरम का मतलब "आसानी से चुंबकित और विचुंबकित", "आसानी से मुड़ने वाला" नहीं।
- सोचना कि सौर सेल जितनी ऊर्जा लेता है उतनी ही देता है। लगभग 20% बिजली बनती है; बाक़ी गर्मी है।
- कहना कि काँच में घुसते ही प्रकाश अभिलंब से दूर मुड़ता है। वह अभिलंब की ओर मुड़ता है क्योंकि काँच प्रकाश को धीमा कर देता है।
- हर सेंसर को थर्मिस्टर कहना। थर्मिस्टर तापमान पहचानता है; LDR प्रकाश; स्ट्रेन गेज खिंचाव।