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नए पदार्थ: नैनो पदार्थ, अतिचालक और क्रियाशील पदार्थ

नैनो पदार्थों के टुकड़े लगभग 1 से 100 nm के होते हैं। ठोस को बारीक टुकड़ों में बाँटने पर आयतन वही रहता है पर सतह बहुत बढ़ती है, इसलिए गुण बदलते हैं। अतिचालक क्रांतिक ताप से नीचे अपना सारा विद्युत प्रतिरोध खो देता है और चुंबकीय क्षेत्र बाहर धकेलता है, इसलिए चुंबक उसके ऊपर तैरता है। क्रियाशील पदार्थ ताप, प्रकाश, दाब या बिजली लगने पर उपयोगी तरीके से बदलते हैं।

🎬 कदम-दर-कदम कहानी

  1. एक बड़ा घन लो और उसे बहुत से छोटे घनों में तोड़ो। पदार्थ वही रहता है पर बाहरी सतह बढ़ जाती है। स्लाइडर चलाकर ज़्यादा टुकड़े गिनो।
  2. अतिचालक को एक खास तापमान से नीचे ठंडा करो। उसका प्रतिरोध ठीक शून्य हो जाता है और चुंबक उसके ऊपर तैरने लगता है।
  3. क्रियाशील पदार्थ दुनिया की बात का जवाब देते हैं: गर्मी से स्प्रिंग वापस अपने आकार में आता है, दाब से क्रिस्टल चिंगारी देता है और ताप से टाइल का रंग बदलता है।
  4. अब खुद खेलो: नैनो, अतिचालक या क्रियाशील चुनो और स्लाइडर चलाओ। क्या बदलता है और क्या वही रहता है?

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

🤔 आम शंकाएँ और उनके जवाब

आयतन वही है तो सतह क्यों बढ़ती है?

हर छोटे घन के अपने छह फलक हैं। जितने ज़्यादा घन, कुल फलक उतने ज़्यादा, जबकि अंदर का पदार्थ वही रहता है।

T_c पर प्रतिरोध धीरे घटता है या अचानक?

अचानक। ग्राफ़ में रेखा T_c पर एक मान से सीधे शून्य पर गिरती है। स्लाइडर को उसके आर-पार चलाओ।

स्प्रिंग और क्रिस्टल प्रतिक्रिया कैसे करते हैं?

गर्मी और दाब अंदर की बनावट पर असर करते हैं, जिससे आकार बदलता है या वोल्टेज बनता है। स्लाइडर चलाकर गर्म करो या दबाओ।

किस विचार में ठंडक चाहिए?

सिर्फ़ अतिचालक में। नैनो और क्रियाशील पदार्थ सामान्य तापमान पर चलते हैं। खुला खेल में हर एक आज़माओ।

नैनो पदार्थ

एक नैनोमीटर मीटर का एक अरबवाँ भाग है (10⁻⁹ m)। नैनो पदार्थ का कम से कम एक आकार लगभग 1 से 100 nm के बीच होता है। एक बाल लगभग 80 000 nm चौड़ा होता है।

छोटे टुकड़े अलग व्यवहार क्यों करते हैं? भुजा L वाले घन में सतह और आयतन का अनुपात 6 ÷ L होता है। घन को n × n × n छोटे घनों में काटो तो कुल आयतन वही रहता है पर कुल सतह n गुना हो जाती है। नैनो आकार में बहुत-से परमाणु सतह पर होते हैं, इसलिए पदार्थ तेज़ी से अभिक्रिया करता है, कम तापमान पर पिघल सकता है या रंग बदल सकता है। सोने के नैनो कण पीले नहीं, लाल दिख सकते हैं।

उपयोग: दवा पहुँचाना, मज़बूत हल्के संयुक्त पदार्थ, फ़िल्टर, सौर सेल, सनस्क्रीन। सुरक्षा की जाँच अब भी ज़रूरी है क्योंकि छोटे कण शरीर में आसानी से जा सकते हैं। और जानें नैनो कण में।

अतिचालक

साधारण धातु के तार में चलते इलेक्ट्रॉन परमाणुओं से टकराते रहते हैं। यह प्रतिरोध कुछ विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा बना देता है (P = I²R)। अतिचालक में क्रांतिक ताप Tc से नीचे प्रतिरोध ठीक शून्य हो जाता है। अतिचालक के बंद छल्ले में एक बार शुरू की गई धारा बिना बैटरी के सालों घूम सकती है।

दूसरा लक्षण मेस्नर प्रभाव है: अतिचालक अपने अंदर से चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं को बाहर धकेल देता है। इससे चुंबक उसके ऊपर तैरने लगता है।

पुराने अतिचालकों को द्रव हीलियम (लगभग 4 K) चाहिए। नए अतिचालक द्रव नाइट्रोजन (77 K) में चलते हैं, जो सस्ती है। उपयोग: MRI स्कैनर, कण त्वरक और मैग्लेव रेल के लिए शक्तिशाली चुंबक, और बिना क्षति वाली बिजली केबल। आज की मुख्य दिक़्क़त ठंडा रखने की है।

क्रियाशील पदार्थ

क्रियाशील पदार्थ अपने आसपास के बदलाव के जवाब में कोई उपयोगी काम करता है। उदाहरण:

और उदाहरण स्मार्ट और आधुनिक पदार्थ में हैं।

करके देखें

चीनी की दौड़: गुनगुने पानी के दो कपों में एक में चीनी का डला और दूसरे में उतनी ही पिसी चीनी डालो। पिसी चीनी पहले घुलेगी क्योंकि उसकी सतह ज़्यादा है। यही नैनो टुकड़ों वाली बात है।

गर्मी का असर: गरम चम्मच किसी तापरंजक स्टिकर का रंग बदल देता है। इससे दिखता है कि ताप पदार्थ को कैसे बदलता है।

3D में: अतिचालक चुनो और तापमान का स्लाइडर उस गिराव के आर-पार चलाओ। चुंबक को ऊपर-नीचे होते देखो।

मुख्य सूत्र और परिभाषाएँ

हल किए गए उदाहरण

1. 1 cm भुजा के घन को 1 mm के घनों में काटा गया। कितने घन बने? कुल सतह कितने गुना हुई?

हर भुजा 10 भागों में कटी, इसलिए 10 × 10 × 10 = 1 000 घन। सतह n = 10 गुना बढ़ी।

2. एक तार का प्रतिरोध 0.5 Ω है और उसमें 4 A धारा है। ऊष्मा के रूप में कितनी शक्ति खोती है? अतिचालक बन जाए तो?

P = I²R = 16 × 0.5 = 8 W। अतिचालक में R = 0, इसलिए P = 0।

3. 1 µm के आर-पार एक पंक्ति में 50 nm के कितने कण समाएँगे?

1 µm = 1 000 nm। 1 000 ÷ 50 = 20 कण।

आम गलतियाँ

अभ्यास क्विज़

1. एक नैनोमीटर होता है:
2. घन को 1 000 बराबर छोटे घनों में काटने पर कुल सतह हो जाती है:
3. क्रांतिक ताप से नीचे अतिचालक में होता है:
4. मेस्नर प्रभाव से चुंबक:
5. दबाने पर वोल्टेज देने वाला क्रिस्टल कहलाता 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

नैनो कण बड़े टुकड़ों से अलग व्यवहार क्यों करते हैं?

उनके बहुत-से परमाणु सतह पर होते हैं, इसलिए वे तेज़ी से अभिक्रिया करते हैं और उनके गुण बदलते हैं। छोटा आकार प्रकाश और इलेक्ट्रॉनों से उनके व्यवहार को भी बदल सकता है।

अतिचालक बिना क्षति के धारा कैसे ले जाता है?

क्रांतिक ताप से नीचे इलेक्ट्रॉन साथ-साथ चलते हैं और परमाणुओं से नहीं टकराते, इसलिए प्रतिरोध शून्य होता है और ऊष्मा के रूप में ऊर्जा नहीं खोती।

क्या कमरे के तापमान पर अतिचालक होते हैं?

रोज़मर्रा के उपयोग में नहीं। ज़्यादातर तभी चलते हैं जब उन्हें ख़ूब ठंडा किया जाए, यही आज की मुख्य सीमा है।

यह कहाँ पढ़ाया जाता है

चीन高三Elective 2: Physics and technology

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