विद्युत और चुंबकत्व: नियम, सूत्र और परीक्षा प्रश्न

विद्युत और चुंबकत्व दो अलग विषय नहीं बल्कि एक ही विषय हैं, क्योंकि धारा से चुंबकीय क्षेत्र बनता है और बदलते चुंबकीय क्षेत्र से धारा उत्पन्न होती है। एसएससी, रेलवे और रक्षा परीक्षाओं का लगभग हर विज्ञान प्रश्नपत्र इस अध्याय से तीन-चार प्रश्न पूछता है, प्रायः किसी परिभाषा, मात्रक, दिशा के नियम या एक चरण वाले संख्यात्मक प्रश्न पर। इस लेख में धारा और विभवांतर, ओम का नियम, प्रतिरोध, ऊष्मीय प्रभाव, चुंबक, धारा का चुंबकीय प्रभाव, प्रेरण तथा घरेलू परिपथ क्रम से लिए गए हैं।

आवेश, धारा और विभवांतर

विद्युत आवेश कूलॉम में मापा जाता है। धारा आवेश के प्रवाह की दर है, इसलिए प्रवाहित आवेश धारा और समय के गुणनफल के बराबर होता है, अर्थात Q बराबर I गुणा t, और धारा एम्पियर में मापी जाती है तथा अमीटर श्रेणीक्रम में जोड़ा जाता है। परंपरागत धारा सेल के बाहर धन सिरे से ऋण सिरे की ओर मानी जाती है, जो इलेक्ट्रॉनों के वास्तविक अपवाह की विपरीत दिशा है। दो बिंदुओं के बीच विभवांतर वह कार्य है जो एकांक धन आवेश को एक बिंदु से दूसरे तक ले जाने में किया जाता है, इसलिए एक वोल्ट का अर्थ है प्रति कूलॉम एक जूल; इसे वोल्टमीटर से मापते हैं, जो दोनों बिंदुओं के बीच समांतर क्रम में जोड़ा जाता है।

ओम का नियम और प्रतिरोध

ओम का नियम कहता है कि स्थिर ताप पर किसी चालक से बहने वाली धारा उसके सिरों के बीच के विभवांतर के अनुक्रमानुपाती होती है, जिससे V बराबर I गुणा R मिलता है। यह स्थिरांक R प्रतिरोध है, जिसे ओम में मापा जाता है। प्रतिरोध पदार्थ और चालक के आकार दोनों पर निर्भर है: यह लंबाई के अनुक्रमानुपाती और अनुप्रस्थ काट के क्षेत्रफल के व्युत्क्रमानुपाती होता है, इसलिए लंबा पतला तार छोटे मोटे तार से अधिक प्रतिरोध देता है। इसमें पदार्थ का गुण प्रतिरोधकता है, जिसका मात्रक ओम मीटर है। धातुओं की प्रतिरोधकता कम होती है, विद्युतरोधियों की बहुत अधिक, और नाइक्रोम, मैंगनिन तथा कॉन्स्टेंटन जैसी मिश्रधातुओं की प्रतिरोधकता उन शुद्ध धातुओं से अधिक होती है जिनसे वे बनी हैं, इसीलिए ऊष्मक तत्व ताँबे के नहीं बल्कि नाइक्रोम के बनाए जाते हैं।

श्रेणीक्रम और समांतर क्रम

श्रेणीक्रम में हर प्रतिरोधक से एक ही धारा गुजरती है और कुल प्रतिरोध सभी प्रतिरोधों का योग होता है, इसलिए कुल प्रतिरोध सबसे बड़े प्रतिरोध से भी अधिक होता है। समांतर क्रम में हर प्रतिरोधक पर एक ही विभवांतर लगता है, कुल प्रतिरोध का व्युत्क्रम सभी व्युत्क्रमों के योग के बराबर होता है, और कुल प्रतिरोध सबसे छोटे प्रतिरोध से भी कम रहता है। घरेलू वायरिंग समांतर क्रम में की जाती है, ताकि हर उपकरण को पूरा आपूर्ति वोल्टेज मिले, हर एक को अलग से चालू-बंद किया जा सके, और एक के खराब होने पर दूसरों का परिपथ न टूटे।

ऊष्मीय प्रभाव और विद्युत शक्ति

जूल के तापन नियम के अनुसार किसी प्रतिरोधक में उत्पन्न ऊष्मा धारा के वर्ग, प्रतिरोध और धारा प्रवाहित होने के समय के अनुक्रमानुपाती होती है। विद्युत ऊष्मक, विद्युत इस्तरी, गीजर, तंतु वाला बल्ब और फ्यूज सभी इसी प्रभाव पर चलते हैं। बल्ब का तंतु टंगस्टन का बनता है, क्योंकि उसका गलनांक बहुत ऊँचा है और वह पिघले बिना दमक सकता है। विद्युत शक्ति विभवांतर और धारा का गुणनफल है, और इसे धारा के वर्ग गुणा प्रतिरोध या वोल्टेज के वर्ग भाग प्रतिरोध के रूप में भी लिखा जा सकता है। इसका एसआई मात्रक वाट है, जबकि ऊर्जा का व्यावसायिक मात्रक किलोवाट घंटा है, जिसी पर बिजली का बिल बनता है।

चुंबक और धारा का चुंबकीय प्रभाव

स्वतंत्र रूप से लटकाई गई छड़ चुंबक लगभग उत्तर-दक्षिण दिशा में ठहरती है, इसीलिए उसके सिरों को उत्तरमुखी और दक्षिणमुखी ध्रुव कहा जाता है। समान ध्रुव प्रतिकर्षण करते हैं और असमान आकर्षण, तथा चुंबकीय ध्रुव सदैव युग्म में ही होते हैं। चुंबकीय क्षेत्र रेखाएँ चुंबक के बाहर उत्तर ध्रुव से दक्षिण ध्रुव की ओर और भीतर दक्षिण से उत्तर की ओर जाकर बंद वक्र बनाती हैं; जहाँ क्षेत्र प्रबल होता है वहाँ वे सघन होती हैं और वे कभी नहीं काटतीं, क्योंकि एक बिंदु पर क्षेत्र की दो दिशाएँ असंभव हैं। 1820 में ओर्स्टेड ने देखा कि धारावाही तार के पास रखी चुंबकीय सुई विक्षेपित हो जाती है, जिससे सिद्ध हुआ कि धारा से चुंबकीय क्षेत्र बनता है। सीधे चालक के चारों ओर इस क्षेत्र की दिशा दाहिने हाथ के अंगूठे के नियम से मिलती है: तार को दाहिने हाथ में इस प्रकार पकड़ें कि अंगूठा धारा की दिशा में हो, तो उँगलियों के मुड़ने की दिशा क्षेत्र की दिशा बताती है। अनेक फेरों वाली कुंडली या परिनालिका छड़ चुंबक की तरह व्यवहार करती है, और उसके भीतर नरम लोहे की क्रोड रखने पर विद्युत चुंबक बनता है, जिसे चालू-बंद किया जा सकता है और जो क्रेन, घंटी तथा रिले में काम आता है।

मोटर, प्रेरण और जनित्र

चुंबकीय क्षेत्र में रखे धारावाही चालक पर बल लगता है, और उस बल की दिशा फ्लेमिंग के वाम हस्त नियम से मिलती है, जिसमें तर्जनी क्षेत्र की दिशा, मध्यमा धारा की दिशा और अंगूठा बल की दिशा बताता है। यही विद्युत मोटर का सिद्धांत है, जो विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलती है। इसकी उलटी प्रक्रिया विद्युत चुंबकीय प्रेरण है, जिसे माइकल फैराडे ने 1831 में खोजा: जब किसी कुंडली से जुड़ा चुंबकीय फ्लक्स बदलता है तो उसमें धारा प्रेरित हो जाती है। प्रेरित धारा की दिशा फ्लेमिंग के दक्षिण हस्त नियम से मिलती है, और यही विद्युत जनित्र का सिद्धांत है, जो यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलता है।

घरेलू विद्युत परिपथ

भारत में घरेलू आपूर्ति प्रत्यावर्ती धारा के रूप में लगभग दो सौ बीस वोल्ट और पचास हर्ट्ज आवृत्ति पर होती है, अर्थात धारा की दिशा एक सेकंड में सौ बार पलटती है। घर में तीन तार आते हैं: विद्युन्मय तार, उदासीन तार और भू-तार, जो जमीन में गड़ी धातु की पट्टी से जुड़ा होता है और उपकरण की धात्विक बॉडी से रिसने वाली धारा को सुरक्षित रूप से जमीन में पहुँचा देता है। फ्यूज या लघु परिपथ वियोजक सदैव विद्युन्मय तार में लगाया जाता है, ताकि धारा सुरक्षित मान से अधिक होने पर उपकरण आपूर्ति से कट जाए। दो सामान्य दोष हैं अतिभारण, जब बहुत से उपकरण एक साथ धारा खींचते हैं, और लघु पथन, जब विद्युन्मय और उदासीन तार सीधे छू जाते हैं और प्रतिरोध लगभग शून्य हो जाता है।