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LR परिपथ: प्रेरक धारा को कैसे धीमा करता है

प्रेरक (inductor) एक कुंडली है जो अपनी धारा में किसी भी बदलाव का विरोध करती है। वह उल्टा विद्युत वाहक बल बनाती है: ε_L = −L dI/dt (L हेनरी में)। बैटरी ε, प्रतिरोध R और प्रेरक L श्रेणी में हों तो धारा अचानक नहीं बदल सकती। स्विच दबाने पर I = (ε/R)(1 − e^(−t/τ)), जहाँ समय नियतांक τ = L/R। t = τ पर धारा अंतिम मान ε/R का लगभग 63% होती है; करीब 5τ बाद स्थिर, तब प्रेरक सादे तार जैसा। बैटरी हटाकर लूप R से बंद करें तो धारा I = I₀ e^(−t/τ) से घटती है, τ पर 37% बचती है। इसे चलाने वाली ऊर्जा प्रेरक के चुंबकीय क्षेत्र में जमा थी: U = ½LI²। किरचॉफ़ का लूप नियम: ε − IR − L dI/dt = 0।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. बिना कुंडली: स्विच दबाते ही धारा तुरंत अपने अंतिम मान ε/R पर पहुँचती है।
  2. कुंडली जोड़ो। अब धारा धीरे बढ़ती है, क्योंकि कुंडली ε_L = −L dI/dt से पीछे धकेलती है।
  3. समय नियतांक τ = L/R। t = τ पर धारा अंतिम मान के 63% तक पहुँचती है।
  4. L दोगुना करो तो τ दोगुना। अंतिम धारा वही, बस पहुँचने में देर।
  5. बैटरी हटाओ। धारा रुकने की बजाय धीरे घटती है, कुंडली की ऊर्जा ½LI² से। τ पर 37% बचती है।
  6. अब तुम खेलो: ε, R, L बदलो और बढ़ना/घटना चुनो। τ का अंदाज़ा लगाओ, फिर हरी रेखा जाँचो।

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

बिना कुंडली धारा तुरंत क्यों पहुँचती है?

सादे प्रतिरोध में लगभग कोई प्रेरकत्व नहीं, इसलिए अचानक बदलाव का कोई विरोध नहीं। कदम 1 में छलांग दिखती है।

कुंडली पीछे धकेलती है तो धारा फिर भी क्यों बढ़ती है?

उल्टा बल हमेशा ε से थोड़ा कम रहता है, इसलिए धारा बढ़ती रहती है। बढ़त धीमी होने पर उल्टा बल भी घटता है (कदम 2 में तीर छोटा होता है)।

63% ही क्यों, 50% क्यों नहीं?

क्योंकि 1 − e⁻¹ ≈ 0.632। एक समय नियतांक पर घातांकी वक्र ऐसा ही होता है। कदम 3 की हरी रेखा देखो।

बड़ा R परिपथ को तेज़ क्यों बनाता है?

τ = L/R। बड़ा R = छोटी अंतिम धारा, जो जल्दी मिल जाती है। कदम 4 में L बदलता है; फ्री प्ले में R आज़माओ।

क्षय में ऊर्जा कहाँ जाती है?

चुंबकीय क्षेत्र की ½LI² ऊर्जा प्रतिरोध में ऊष्मा बनती है। कदम 5 का नारंगी लेबल उसे घटते दिखाता है।

क्या बैटरी वोल्टेज τ बदलता है?

नहीं, सिर्फ़ अंतिम धारा ε/R बदलती है। फ्री प्ले में ε बदलो: हरी τ रेखा वहीं रहती है।

प्रेरक क्या करता है

प्रेरक तार की कुंडली है। उसमें धारा चुंबकीय क्षेत्र बनाती है। धारा बदले तो क्षेत्र बदलता है, और फैराडे के नियम से कुंडली में ही वि.वा.बल प्रेरित होता है। लेंज़ के नियम से यह बदलाव का विरोध करता है।

εL = −L dI/dt

L = स्वप्रेरकत्व (inductance), मात्रक हेनरी (H): 1 H का मतलब, धारा 1 A प्रति सेकंड बदले तो 1 V उल्टा वि.वा.बल।

इसे आवेश का भारी चक्का समझो: शुरू करना भी मुश्किल, रोकना भी।

स्विच दबाने पर धारा का बढ़ना

किरचॉफ़ का लूप नियम:

ε − IR − L dI/dt = 0

t = 0 पर धारा 0 है, इसलिए पूरा वोल्टेज प्रेरक पर: dI/dt = ε/L (सबसे तेज़ बढ़त)। उस पल प्रेरक खुले स्विच जैसा है।

हल करने पर

I(t) = (ε/R)(1 − e−t/τ), जहाँ τ = L/R (सेकंड)।

प्रेरक पर वोल्टेज उल्टी तरह घटता है: VL = ε e−t/τ।

धारा का क्षय और संचित ऊर्जा

बैटरी हटाकर कुंडली को R से जुड़ा छोड़ दें तो धारा तुरंत नहीं रुकती:

I(t) = I₀ e−t/τ

τ के बाद 37% बचती है; 5τ के बाद 1% से कम।

ऊर्जा कहाँ से आई? धारा बनाते समय कुंडली के चुंबकीय क्षेत्र में ऊर्जा जमा हुई थी:

U = ½ L I²

क्षय के समय यह ऊर्जा प्रतिरोध में ऊष्मा बनती है। अगर परिपथ बस तोड़ दिया जाए (कोई रास्ता नहीं), तो धारा लगभग तुरंत शून्य होना चाहती है, dI/dt बहुत बड़ा, और उल्टा वि.वा.बल चिंगारी बना सकता है।

RC परिपथ से तुलना

दोनों में घातांकी वक्र और समय नियतांक है, पर:

LR व्यवहार के उपयोग: चोक और फ़िल्टर जो अचानक उछाल रोकते हैं, इग्निशन कुंडली, रिले, मोटर की नरम शुरुआत।

करके देखो: फ्री प्ले में L = 2 H, R = 4 Ω रखो (τ = 0.5 s)। अंदाज़ा लगाओ हरी τ रेखा कहाँ आएगी, फिर R = 8 Ω करके दोबारा अंदाज़ा लगाओ।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 2 H का प्रेरक और 4 Ω प्रतिरोध 12 V बैटरी के साथ श्रेणी में हैं। τ और अंतिम धारा ज्ञात करो।

τ = 2/4 = 0.5 s। अंतिम धारा = 12/4 = 3 A।

2. इसी परिपथ में स्विच दबाने के 0.5 s बाद धारा?

t = τ, इसलिए I = 3 × 0.632 ≈ 1.90 A।

3. स्विच दबाते ही धारा बढ़ने की दर?

t = 0 पर I = 0, इसलिए L dI/dt = ε → dI/dt = 12/2 = 6 A/s।

4. स्थिर धारा पर प्रेरक में कितनी ऊर्जा जमा है?

U = ½ × 2 × 9 = 9 J।

5. बैटरी हटाकर कुंडली 4 Ω से डिस्चार्ज होती है। 1.0 s बाद धारा?

t = 2τ: I = 3 e⁻² ≈ 0.41 A।

6. बढ़ती धारा को अंतिम मान का आधा होने में कितना समय?

e^(−t/τ) = ½ → t = τ ln 2 = 0.5 × 0.693 ≈ 0.35 s।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. स्वप्रेरकत्व का मात्रक:
2. LR परिपथ का समय नियतांक:
3. स्विच दबाने के बहुत देर बाद आदर्श प्रेरक:
4. वृद्धि में t = τ पर धारा लगभग:
5. प्रेरक में संचित ऊर्जा:

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

LR परिपथ का समय नियतांक क्या है?

τ = L/R। बढ़ती धारा को अंतिम मान के 63% तक, या घटती धारा को 37% तक पहुँचने का समय।

t = 0 और t = ∞ पर प्रेरक कैसा व्यवहार करता है?

t = 0 पर खुले स्विच जैसा (धारा नहीं), बहुत देर बाद सादे तार जैसा।

प्रेरक में संचित ऊर्जा कितनी है?

U = ½LI², उसके चुंबकीय क्षेत्र में।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

अमेरिकाGrade 12Electromagnetic Induction

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