चुंबकत्व (Magnetism)

Contents

 मोठ्या लोखंडी चकतीमध्ये विद्युत धारेच्या साहाय्याने तात्पुरते चुंबकत्व निर्माण केले जाते. अशा चुंबकाला विद्युत चुंबक (electromagnet) म्हणतात.

चुंबकीय बलरेषा (Magnetic lines of force) 

ज्यावेळी एखाद्या चुंबकाभोवती लोहकिस पसरवले असता ते एका विशिष्ट रेषेनी चुंबकाला घेरते या रेषा चुंबक आणि लोह यांच्यातील बलामुळे तयार होतात यास चुंबकीय बलरेषा म्हणतात.

चुंबकीय बलरेषांचे गुणधर्म 

• चुंबकीय बलरेषा या सलग वक्रेषा असून त्यांची सुरवात उत्तर ध्रुवापासून होते व शेवट दक्षिण ध्रुवापाशी होतो.

• चुंबकीय बलरेषेवर कोणत्याही बिंदूपाशी काढलेली लंबरेषा चुंबकीय क्षेत्राची दिशा दर्शवितात,

दोन चुंबकीय बलरेषा एकमेकींना कधीही छेदत नाहीत.

• जास्त प्रभावी चुंबकीय क्षेत्राच्या जागी बलरेषा अधिक घट्ट असतात तर कमी प्रभावी चुंबकीय क्षेत्राच्या जागी बलरेषा विरळ असतात.

सारख्या ध्रुवाला जवळ आणल्यास ते दूर ढकलले जातात याला चुंबकीय प्रतिकर्षण म्हणतात.

विभिन्न ध्रुव (N-S) जवळ आणल्यास ते ऐकमेकांकडे खेचले जातात याला चुंबकीय आकर्षण म्हणतात.

एखादा चुंबक कितीही कापत गेला तरीही त्याला नेहमी दोन ध्रुव असतातच.

चुंबकाचा शोध

• इ.स. पूर्व सुमारे 800 ते 600 या काळात मॅग्नेशिया या आशिया मायनर भागातील रहिवाशांना एक दगड सापडला. या दगडाला लोखंडाला आकर्षित करण्याचा गुणधर्म होता, पुढे या दगडाला गावकऱ्यानी मॅग्नेटाइट हे नाव दिले आणि पुढे हे नाव मॅग्नेट म्हणून रुढ झाले.

विद्युत धारा व चुंबकीय क्षेत्र (Electric Current and Magnetic Field) 

जर वाहक तारेतून विदयुत धारा जाऊ दिली तर तिच्या सभोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते हा गुणधर्म ओरस्टेड या शास्त्रज्ञाने शोधून काढला.

विद्युत व चुंबकत्व हे दोन्ही परस्परांशी संबधित आहेत हे त्याने दाखवून दिले.

हान्स ओरस्टेड (Hans Oersted) : 

डेन्मार्क मधील भौतिक शास्त्रज्ञ हान्स ख्रिस्तन ओरस्टेड हे विद्युत उपकरणांशी संबंधित असे काही प्रयोग करत होते.

 जेव्हा त्यांनी एका वाहक तारेतून शक्तिशाली विद्युतधारा जाऊ दिली तेव्हा त्या तारेच्या जवळच असलेल्या एका चुंबक सुईचे विचलन झाल्याचे त्यांनी पाहिले. तेव्हा ओरस्टेड यांची खात्री झाली की, विद्युतधारा चुंबकत्व निर्माण करते.

.जेवढी जास्त विद्युत धारा तेवढेच जास्त प्रभावी चुंबकीय क्षेत्र असते.

अ) उजव्या हाताच्या अंगठ्याचा नियम

+ जेव्हा आपल्या उजव्या हातात एक सरळ विद्युत वाहक धरला असता, आपला ताठ अंगठा विद्युत धारेची दिशा दर्शवतो व उर्वरीत वाहकाभोवती असलेली हाताची बोटे चुंबकीय क्षेत्राची दिशा दाखवतात. यालाच उजव्या हाताच्या अंगठ्याचा नियम म्हणतात.

ब ) वर्तुळाकार तारेतून वाहणाऱ्या विदयुत धारेमुळे निर्माण होणारे चुंबकीय क्षेत्र

 + वर्तुळाकार मार्गावर प्रत्येक बिंदूजवळ समकेंद्री वर्तुळाच्या रूपात चुंबकीय रेषा आढळतात.

+ जसजसे तारेपासून दुर जावे तसतसे ही वर्तुळे मोठी होत जातात.

+ त्या तारेतील जेवढी धारा असते त्याच्याच समानुपाती (directly Proportional) चुंबकीय क्षेत्र असते.

+ तयार होणारे चुंबकीय बल बेरजेने वाढत जाते.

क) नालकुंतलातून (Solenoid) वाहणाऱ्या विद्युतधारेमुळे निर्माण होणारे चुंबकीय क्षेत्र

 + विसंवाहक वेष्टन (Insulated-wrapped) असलेल्या तांब्याच्या तारेचे अनेक फेरे गुंडाळून तयार केलेल्या वृत्तचितीस नालकुंतल (Clinder) म्हणतात.

+ यात तयार होणारे चुंबकीय क्षेत्र याचे गुणधर्म हे पट्टी चुंबकक्षेत्रा प्रमाणेच असतात.

+ नालकुंतलाच्या साहाय्याने आपण दिलेल्या पदार्थाच्या दांड्यामध्ये चुंबकत्व निर्माण करु शकतो.

+ जर दिलेला दांडा पोलादी असेल तर अधिक प्रभावी चुंबक-क्षेत्र तयार करुन कायमस्वरुपी चुंबक तयार करता येते. 

येते.

सर्वसाधारणपणे कायमस्वरुपी चुंबक तयार करण्यासाठी कार्बन स्टील (पोलाद), क्रोमियम स्टील, कोबाल्ट आणि स्टील तसेच काही संमिश्रे वापरतात.

साधारणतः औद्योगिक क्षेत्रात निपरमँग आणि अल्निको दोन संमिश्र वापरतात.

निपरमँग = लोखंड + निकेल + अल्युमिनियम + टायटॅनिअम 

अल्निको = अॅल्युमिनियम + निकेल + कोबाल्ट

सझ्मश्रवणी, ध्वनीवर्धक, विजेवर चालणारी घड्याळे, मीटर, व्होल्टमीटर, स्पीडोमीटर सारखी उपकरणे यामध्ये अशाप्रकारे तयार केलेले संमिश्र यांचे कायम चुंबक वापरतात.

चुंबकीय क्षेत्रातील विद्युत वाहकावर क्रिया करणारे बल (Force on current currying conductor in a magnetic field)

आपण आता पाहिले की साधारणत: वाहकातून धारा वाहत असताना त्याच्या भोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होते.

+ पण जर या क्षेत्राभोवती आपण एखादे चुंबक नेले, तर काय होईल..

* फ्रेच शास्त्रज्ञ आद्रे मारी अॅम्पिअर यांच्या मते चुंबकसुदधा तेवढ्याच परिणामाचे बल वाहकावर विरुद्ध दिशेने प्रयुक्त करते.

* जर आपण एखादी अॅल्युमिनिअमची विद्यत वहन करणारी दांडी चुंबकाच्या जवळ नेली तर त्या दाडीवर बल प्रयुक्त कले जाते, जव्हा विद्युत धारेची दिशा ही चुंबकाच्या क्षेत्राच्या लंब असते तेव्हा दांडीचे विचलन सर्वात जास्त होते.

फ्लेमिंगचा डाव्या हाताचा नियम (Fleming’s left hand rule)

+ आपल्या डाव्या हाताची तर्जनी, मधले बोट आणि अंगठा परस्परांना लंब राहतील असे धरल्यास

तर्जनी (Index) = चुंबकीय क्षेत्राची दिशा 

मधले बोट =विद्युत धारेची दिशा 

अंगठा = वाहकाच्या गतीची दिशा दर्शवितो. उदा. विद्युत चलित्र (Electric Motor)

विद्युत चलित्र (Electric Motor)

+ जे उपकरण विद्युत ऊर्जेचे यांत्रिक ऊर्जेत रुपांतर करते त्याला विद्युत मोटर म्हणतात.

तत्व (Principle) 

+ विद्युतधारा वाहून नेणारा वाहक चुंबकीय क्षेत्राशी लंब दिशेत असेल तर त्यावर बल प्रयुक्त होते. या तत्वावर विद्युत मोटरचे कार्य चालते.

रचना

विद्युत मोटर खालील पाच उपघटकानी बनलेली असते. 

1) आर्मेचर कॉईल 

+ आकृतीत दाखविल्याप्रमाणे आयाताकृती ठोकळ्यावर विसंवाहक वेष्टन (Insulator wrap) असलेल्या तांब्याच्या तारेचे असंख्य फेरे गुंडाळले असता अर्मेचर कॉईल तयार होते.

2) शक्तीशाली चुंबक (Strong Magnet) 

+ आर्मेचर कॉइलच्या बाजूला दोन शक्तीशाली चुंबक बसवतात, ज्यामुळे प्रभावी असे चुंबकीय क्षेत्र निर्माण केले जाते.

3) अर्धवर्तुळाकार परिवर्तक (Split ring commutator) 

+ अर्मेचर कॉइलची टोके या रिंगाना जोडलेली असतात.

+ हा परिवर्तक आर्मेचर कॉइलमधील विद्युत धारा दिशा बदलतो.

4) ब्रशेस

+ परिवर्तकाला घट्ट धरुन ठेवण्यासाठी कार्बन ब्रशेस वापरतात.

5) विजेरी (Battery) 

+ ही आर्मेचर कॉइल विद्युत धारा पुरविते.

विद्युत मोटर चे उपयोग

1) या प्रकारच्या मोटर्स मिश्रणाची, विद्युत रवी, प्रशितक, धुलाई मशीन मध्ये वापरतात.

2) विद्युत पंखा, हेअर ड्रायर, टेपरेकॉर्डर, भाते यामध्ये वापरले जाते.

3) विजेवर चालणारी कार, विद्युत क्रेन, लिफ्ट, रेल्वे, यामध्ये वापरतात.

मायकेल फॅरेडे यांनी 1821 मध्ये विद्युतधारेमुळे परिवलन गती निर्माण होते, हे शोधून काढले. याच तत्वावर आजच्या विद्युत मोटर्स कार्य चालते. चुंबक आणि कॉईल यांच्यातील परस्पर हालचालीमुळे विद्युतधारा प्रवर्तित होते. हे त्यांनी 1831 मध्ये दाखवून दिले. याच कल्पनेतून विद्युत जनरेटरचा जन्म झाला.

विद्युत चुंबकीय प्रवर्तन (Electromagnetic Induction) 

आपण हे पाहिले आहे की जर विद्युत धारेची दिशा चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेस लंब असेल तर वाहकावर विद्युत बल क्रिया करते.

* पंरतु जर वाहक चुंबकीय क्षेत्रात फिरत असेल किंवा वाहक स्थिर व चुंबकीय क्षेत्र बदलत असेल तर विद्युतधारा निर्माण होते.

 मायकेल फॅरेडे या शास्त्रज्ञाने हे सर्वप्रथम अभ्यासले

ज्या प्रक्रियेमध्ये वाहकातील बदलत्या चुंबकीय क्षेत्रामुळे दुसऱ्या वाहकामध्ये विद्युतधारा प्रवर्तित होते त्या प्रक्रियेला विद्युत चुंबकीय प्रवर्तन म्हणतात.

फ्लेमिंगचा उजव्या हाताचा नियम

 आपल्या उजव्या हाताचा अंगठा, तर्जनी आणि मधले बोट एकमेकांस लंब राहतील असा धरा, तर

 तर्जनी = चुंबकीय क्षेत्राच्या दिशेत 

अंगठा = वाहकाच्या गतीच्या दिशेत

मधले बोट = प्रवर्तित विद्युत धारेची दिशा दाखवतो. उदा. जनरेटर =

दिष्ट व प्रत्यावर्ती विद्युत धारा (DC and AC)

दिष्ट विद्युत धारा Direct Current

1. विद्युतधारेचे परिणाम आणि दिशा (magnitude and direction) स्थिर राहते. 

2. घरगुती उपकरणासाठी ही विद्युतधारा मोठ्या प्रमाणात वापरता येत नाही.

3. दिष्ट विद्युतधारेंची वारंवारता शून्य असते.

व प्रत्यावर्ती विद्युत धारा (Alternating Current) 

1. विद्युतधारेचे परिणाम आणि दिशा ठरावीक काळाने बदलत राहतात.

2. घरगुती, विद्युत हिटर, इस्त्री, रेफ्रिजरेटर, यासारख्या उपकरणात वापरतात.

3. याची आपल्या देशातील वारंवारता 50Z इतकी आहे.

4. बहुंताश ऊर्जा ऊर्जानिर्मिती केंद्रामध्ये AC ची निर्मिती होते 

5. ही विद्युत धारा, विद्युत शक्ती मध्ये कोणतीही घट न होता खूप लांब अंतरांवर पोहचता येते.

विद्युत जनित्र (जनरेटर) 

जे उपकरण यांत्रिक ऊर्जेचे विद्युत ऊर्जेत रूपांतर करते त्याला विद्युत जनित्र म्हणतात.

तत्व = विद्युत चुंबकीय प्रवर्तन

प्रकार

 अ) AC जनित्र

जे विद्युत जनित्र यांत्रिक ऊर्जेचे रूपांतर प्रत्यावर्ती विद्युतधारेत (AC) करते त्याला AC जनरेटर म्हणतात.

ब) DC जनमित्र

जे विद्युत जनित्र यांत्रिक ऊर्जेचे रुपांतर दिष्ट विद्युतधारेत (DC) करते त्यास DC जनरेटर म्हणतात.

घरगुती विद्युत जोडणी 

आपल्या घरांना व इतर व्यवसायांना वीजपुरवठा करण्याची जबाबदारी राज्य शासनाकडे असते. त्या साठी तारा केबल्स लागतात. याचे तीन प्रकार पडतात.

1) वीजयुक्त तारा (Phase wire)

2) तटस्थ तारा (Neutral wire)

3) भूसंपर्क तारा (Earthing wire) 

 वीजयुक्त तार आणि तटस्थ तार यांच्यातील विभवांतर 220 ते 250 व्होल्ट इतके असते.

घरात प्रत्येक उपकरणाला समान विभवांतर पुरवले जाते आणि उपकरणे नेहमी समांतर (Parallel) जोडणीत जोडलेली असतात.

 जर वीजयुक्त तार आणि तटस्थ तार एकमेकींच्या प्रत्यक्ष संपर्कात आल्या किंवा एकमेकीस चिकटल्या तर लघुपरिपथन होते.

लघुपरिपथन (Short Circuiting)

या क्रियेत परिपथाचा रोध अतिशय कमी होतो.

यामुळे, प्रचंड उष्णता निर्माण होऊन आग लागण्याची शक्यता असते.

अतिभार (Overloading)

परिपथातून आवश्यकतेपेक्षा कितीतरी पटीने जास्त क्षमतेने विद्युतधारा वाहणे म्हणजेच अतिभार होय.

1)MRI (Magnetic Resonance Imaging) हे तंत्र शरीरातील हृदय, मेंदू इतर महत्वाच्या अवयवाच्या प्रतिमा मिळविण्यासाठी वापरतात.

आपल्या शरीरात चेतांच्या भोवती चुंबकीय क्षेत्र निर्माण होत असते.

2) Magnetic Levitation Trains या गाड्या (रेल्वे) रुळावरून तरंगतात.

विद्युतधारा जाऊ दिली जाते, व चुंबकत्व तयार होते ज्यामुळे रेल्वे वर उचलली जाते.

3) चीन आणि ग्रीक दर्यावदीनी सर्वप्रथम चुंबक वापरून होकायंत्राची निर्मिती केली.

4) साधारणत: वीजयुक्त तार (live wire) ही लाल रंगांच्या विसंवाहकाने तर तटस्थ तार काळ्या रंगांच्या

विसंवाहक घेरलेली असते.

5) जास्त धारा लागणाच्या घरातील उपकरणाला

15 A धारा लागते. उदा : हिटर, इस्त्री आणि कमी धारा लागणाऱ्या घरातील उपकरणाला 5A धारा लागते. 

उदा : ब्ल्ब फॅन 

6) भुपृष्ठ तार ही हिरव्या रंगांच्या विसंवाहकाने घेरलेली असते.

7) विद्युत धारा प्रती 1/100 सेकदांत आपली दिशा बदलतात.

8) गॅल्व्हानोमीटर = परिपथामध्ये असलेले विद्युत धारेचे अस्तित्व ओळखण्यासाठी या उपकरणाचा उपयोग करतात या उपकरणाच्या दर्शकाचे विचलन कोणत्या दिशेस होईल हे विदयुतधारेच्या दिशेवर अवलंबून असते.

9) मुक्त टांगलेला चुंबक दक्षिणोत्तर दिशेतच स्थिर राहतो याचे शास्त्रीय कारण विल्यम गिल्बर्टने दिले.