विद्युत आवेश और क्षेत्र

यहां पाठ के सारांश के लिए बुलेट पॉइंट दिए गए हैं:

Electric Charges and Fields

• बिजली के झटके का अनुभव आमतौर पर सूखे मौसम में सिंथेटिक कपड़े या ऊन उतारते समय होता है, इसका कारण इन्सुलेट सतहों के आपस में रगड़ने से स्थैतिक बिजली का उत्पन्न होना है।
• स्थिर का अर्थ है "कुछ भी जो समय के साथ नहीं बदलता है," स्थिरविद्युत स्थैतिक आवेशों से उत्पन्न होने वाली बलों, क्षेत्रों और क्षमता का अध्ययन है।

Electric Charge

• लगभग 600 ईसा पूर्व में थेल्स ऑफ मिलेटस, ग्रीस ने एम्बर को ऊन या रेशम के कपड़े से रगड़ने पर हल्की वस्तुओं को आकर्षित करने की खोज की।
• "इलेक्ट्रॉन" शब्द की उत्पत्ति ग्रीक शब्द "एम्बर" से हुई है।
• कांच की छड़ों को ऊन या रेशम के कपड़े से रगड़ने पर वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करती हैं।
• प्लास्टिक की छड़ों को बिल्ली के फर से रगड़ने पर वे एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करती हैं, लेकिन फर को आकर्षित करती हैं।
• प्लास्टिक की छड़ कांच की छड़ को आकर्षित करती है और कांच की छड़ को रगड़ने वाले रेशम या ऊन को प्रतिकर्षित करती है।
• विद्युत आवेश के दो प्रकार हैं: समान आवेश एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं और विपरीत आवेश एक-दूसरे को आकर्षित करते हैं।
• आवेश के प्रकार को अलग करने वाले गुण को "आवेश की ध्रुवता" कहते हैं।
• कांच की छड़ को रेशम से रगड़ने पर छड़ एक प्रकार का आवेश प्राप्त करती है और रेशम दूसरे प्रकार का।
• बेंजामिन फ्रैंकलिन नाम के एक अमेरिकी वैज्ञानिक ने आवेशों को धनात्मक और ऋणात्मक नाम दिया।
• कांच की छड़ या बिल्ली के फर पर आवेश को धनात्मक और प्लास्टिक की छड़ या रेशम पर आवेश को ऋणात्मक माना जाता है।
• यदि किसी वस्तु में विद्युत आवेश होता है, तो उसे आवेशित कहा जाता है; यदि कोई वस्तु में आवेश नहीं है, तो उसे विद्युत रूप से तटस्थ कहा जाता है।
• गोल्ड-लीफ इलेक्ट्रोस्कोप एक उपकरण है जिसका उपयोग किसी वस्तु पर आवेश का पता लगाने के लिए किया जाता है।

परमाणु

• पदार्थ परमाणुओं और/या अणुओं से बना होता है और सामान्यतः विद्युत रूप से तटस्थ होता है, लेकिन इसमें आवेश होते हैं जिनका संतुलन बना रहता है।
• अणु और ठोस को एक साथ रखने वाली ताकत मूलतः विद्युत प्रकृति की होती है, जो आवेशित कणों के बीच काम करती है।
• किसी तटस्थ वस्तु को आवेशित करने के लिए हमें एक प्रकार के आवेश को जोड़ना या हटाना होगा।
• ठोस पदार्थों में, कुछ इलेक्ट्रॉन परमाणु में कम मजबूती से बंधे होते हैं, और एक वस्तु से दूसरी वस्तु में स्थानांतरित हो जाते हैं।
• रगड़ने की प्रक्रिया में कोई नया आवेश नहीं बनाया जाता है, और स्थानांतरित इलेक्ट्रॉनों की संख्या सामग्री में इलेक्ट्रॉनों की कुल संख्या का एक बहुत छोटा सा हिस्सा है।
• कांच की छड़ को रेशम से रगड़ने पर छड़ से कुछ इलेक्ट्रॉन रेशम के कपड़े में स्थानांतरित हो जाते हैं, जिससे छड़ धनात्मक और रेशम ऋणात्मक आवेशित हो जाता है।

Conductors and Insulators (चालक और कुचालक)

• कुछ पदार्थ आसानी से बिजली के प्रवाह की अनुमति देते हैं, उन्हें चालक कहते हैं, उदाहरण के लिए धातु, मानव और जानवर के शरीर और पृथ्वी।
• अधिकांश अधातुएँ बिजली के प्रवाह के लिए उच्च प्रतिरोध प्रदान करती हैं और उन्हें कुचालक कहा जाता है, जैसे कि कांच, चीनी मिट्टी के बरतन, प्लास्टिक, नायलॉन और लकड़ी।
• अर्धचालक नामक तीसरी श्रेणी भी है, जो चालकों और कुचालकों के बीच प्रतिरोध प्रदान करते हैं।
• चालकों को स्थानांतरित किया गया कोई भी आवेश आसानी से चालक की पूरी सतह पर फैल जाता है, इसके विपरीत, कुचालक पर रखा गया कोई भी आवेश एक ही स्थान पर रहता है।
• प्लास्टिक या नायलॉन की कंघी सूखे बालों में कंघी करने या रगड़ने पर आवेशित हो जाती है, जबकि धातु के बर्तन नहीं होते हैं क्योंकि धातुएं बिजली को जमीन में प्रवाहित करती हैं।
• लकड़ी या प्लास्टिक के हैंडल वाली धातु की छड़ को बिना छुए रगड़ने पर आवेश का अनुभव होता है।

Basic Properties of Electric Charge (विद्युत आवेश के मूलभूत गुण)

• आवेश दो प्रकार के होते हैं: धनात्मक और ऋणात्मक
• छोटे आकार के आवेशित पिंडों को उनके बीच की दूरी की तुलना में बिंदु आवेश माना जाता है, और पिंड का सारा आवेश सामग्री एक बिंदु पर केंद्रित होती है।
• यदि किसी सिस्टम में दो बिंदु आवेश q1 और q2 शामिल हैं, तो सिस्टम पर कुल आवेश q1 + q2 के बराबर होता है, अर्थात आवेश वास्तविक संख्याओं की तरह जुड़ते हैं।
• एक प्रणाली में n आवेश q1, q2, q3, ..., qn शामिल हैं, तो प्रणाली पर कुल आवेश q1 + q2 + q3 + ... + के बराबर होता है।
• आवेश में परिमाण(magnitude) होता है लेकिन द्रव्यमान के समान कोई दिशा नहीं होती है
• द्रव्यमान हमेशा धनात्मक होता है जबकि आवेश धनात्मक या ऋणात्मक हो सकता है।
• किसी प्रणाली में आवेश जोड़ते समय उचित चिह्नों (+/-) का उपयोग किया जाना चाहिए।
• +1, +2, -3, +4, और -5 के पांच आवेशों वाली एक प्रणाली का कुल आवेश एक मनमाना इकाई में -1 होता है।

Charge is conserved (आवेश संरक्षित है)

• रगड़ने पर आवेशित होने पर, एक वस्तु से दूसरी वस्तु में इलेक्ट्रॉनों का स्थानांतरण होता है, लेकिन कोई भी नया आवेश न तो बनता है और न ही नष्ट होता है।
• विद्युत आवेश के कणों की तस्वीर आवेश के संरक्षण के विचार को समझने में हमारी सहायता करती है।
• जब हम दो वस्तुओं को रगड़ते हैं, जो एक वस्तु आवेश में प्राप्त करती है, उसे दूसरी वस्तु खो देती है।
• आवेशित वस्तुओं से युक्त एक पृथक प्रणाली के भीतर, वस्तुओं के बीच क्रियाओं के कारण आवेश पुनर्वितरित हो सकते हैं, लेकिन पृथक प्रणाली का कुल आवेश हमेशा संरक्षित रहता है।
• आवेश का संरक्षण प्रयोगात्मक रूप से स्थापित किया गया है।
• किसी भी पृथक प्रणाली द्वारा ले जाए गए शुद्ध आवेश को बनाना या नष्ट करना संभव नहीं है, हालाँकि आवेश ले जाने वाले कण बन या नष्ट हो सकते हैं।

Quantization of Charge (आवेश का परिमाणीकरण)

• सभी स्वतंत्र आवेशों के लिए एक मूल इकाई का एक अभिन्न गुणज है, जिसे e द्वारा दर्शाया जाता है।
• किसी वस्तु पर आवेश q हमेशा q=ne द्वारा दिया जाता है, जहाँ n एक धनात्मक या ऋणात्मक पूर्णांक है।
• आवेश की मूल इकाई एक इलेक्ट्रॉन या प्रोटॉन द्वारा वहन किया जाने वाला आवेश है।
• परम्परा के अनुसार, इलेक्ट्रॉन पर आवेश ऋणात्मक होता है; इसलिए इलेक्ट्रॉन पर आवेश -e के रूप में लिखा जाता है और प्रोटॉन पर आवेश +e के रूप में लिखा जाता है।
• विद्युत आवेश हमेशा e का एक अभिन्न गुणज होता है, इस तथ्य को आवेश का परिमाणीकरण कहा जाता है।
• विद्युत आवेश का परिमाणीकरण पहले इलेक्ट्रोलीज़ के प्रयोगात्मक नियमों द्वारा सुझाया गया था
• आवेश की परिमाणीकरण को 1912 में प्रयोगों द्वारा प्रदर्शित किया गया था
• इकाइयों की अंतर्राष्ट्रीय प्रणाली (SI) में, आवेश की इकाई को कूलॉम कहा जाता है और इसे प्रतीक C द्वारा दर्शाया जाता है
• कूलॉम को विद्युत धारा की इकाई के संदर्भ में परिभाषित किया जाता है।
• इस प्रयोग के अनुसार, मूल इकाई आवेश का मान e = 1.602192 × 10-19 C होता है
• इलेक्ट्रोस्टैटिक्स में, इतने बड़े परिमाण के आवेश का सामना शायद ही कभी होता है और इसलिए हम छोटी इकाइयों का उपयोग करते हैं।
• 1 μC (माइक्रो कूलॉम) = 10-6 C
• 1 mC (मिली कूलॉम) = 10-3 C
• यदि प्रोटॉन और इलेक्ट्रॉन ब्रह्मांड में एकमात्र मूल आवेश हैं, तो सभी देखने योग्य आवेश e के अभिन्न गुणज होने चाहिए
• यदि किसी वस्तु में n1 इलेक्ट्रॉन और n2 प्रोटॉन हैं, तो वस्तु पर आवेश की कुल मात्रा n2 × e + n1 × (-e) = (n2 - n1) e है।
• n1 और n2 पूर्णांक हैं, इसलिए उनका अंतर भी एक पूर्णांक है। इस प्रकार किसी भी वस्तु पर आवेश हमेशा e का एक अभिन्न गुणज होता है और इसे e के चरणों में बढ़ाया या घटाया भी जा सकता है
• स्थूल स्तर पर, हम कुछ μC के आवेशों से निपटते हैं, इस पैमाने पर यह तथ्य कि एक वस्तु का आवेश e की इकाइयों में बढ़ या घट सकता है, दिखाई नहीं देता है।

Coulomb's Law (कूलॉम का नियम)

• एक कूलॉम की परिभाषा के अनुसार यह आवेश की मात्रा है जो निर्वात में 1 मीटर की दूरी पर रखे समान परिमाण के दूसरे आवेश को 9 * 10⁹ N के बल से प्रतिकर्षित करता है।
• कूलॉम का नियम दो बिंदु आवेशों के बीच बल के बारे में एक मात्रात्मक कथन है।
• यदि आवेशित पिंडों का रैखिक आकार उन्हें अलग करने वाली दूरी से बहुत छोटा है, तो उस आकार को अनदेखा किया जा सकता है और आवेशित पिंडों को बिंदु आवेशों के रूप में माना जाता है।
• वैक्यूम में r की दूरी से अलग किए गए दो-बिंदु आवेशों q1 और q2 के लिए, बल (F) का परिमाण F=k(q1q2)/(r*r) है, जहाँ k कूलॉम स्थिरांक है।
• कूलॉम ने एक मरोड़ संतुलन का उपयोग करके दो आवेशित धातु गोले के बीच बल को मापा।
• कूलॉम ज्ञात नहीं होने पर भी इस नियम पर पहुंचे।

How Coulumb arrived at formula (कूलम्ब के सूत्र पर कूलंब कैसे पहुंचे)

• कूलोंब ने निम्नलिखित सरल तरीके सोचा, मान लीजिए कि एक धातु के गोले पर आवेश q है। यदि गोले को एक समान बिना आवेश वाले गोले के संपर्क में रखा जाता है, तो आवेश दो गोलों पर फैल जाएगा।
• समानता से, प्रत्येक गोले पर आवेश q/२ होगा । इस प्रक्रिया को दोहराकर हम आवेश q/२, q/४ इत्यादि प्राप्त कर सकते हैं ।
• कूलॉम ने आवेशों की एक निश्चित जोड़ी के लिए दूरी को बदला और अलग-अलग पृथक्करण के लिए बल मापा । इसके बाद उन्होंने दूरी को स्थिर रखते हुए आवेशों के जोड़े को बदला ।
• अलग-अलग दूरियों पर आवेशों के अलग-अलग युग्मों के बलों की तुलना करके कूलॉम Eq(1.1) के सूत्र पर पहुंचे ।

Vector Form of Coulomb's Law (कूलॉम के नियम का वेक्टर फॉर्म)

• कूलॉम एक फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी ने बलों की मात्रा को मापने के लिए एक मरोड़ संतुलन का आविष्कार किया और छोटे आवेशित गोलों के बीच विद्युत आकर्षण या प्रतिकर्षण बलों को निर्धारित करने किया ।
• उन्होंने पाया कि यह दो आवेशों के परिमाण के गुणनफल के सीधे आनुपातिक था और आवेशों को अलग करने वाली दूरी के वर्ग के विपरीत आनुपातिक था।

Electrostatic Force (स्थिर विद्युत बल)

• 1 कूलम्ब इतना बड़ा है कि व्यवहार में हम छोटे इकाइयों जैसे 1 μC और 1 nC का का प्रयोग करते है ।
• जहाँ n̂ त्रिज्या के साथ उस बिंदु से मूल तक इकाई वेक्टर है । अगर q > 0 हे तो बल की दिशा बाहर कि तरफ यानि कि +ve होगी और विपरीत और q < 0 हे तो बल की दिशा अंदर कि तरफ यानि कि -ve होगी ।
• अब F=1/4πε0 |q1q2| /r² *r̂ ; सूत्र को हम इस प्रकार भी लिख सकते हे F=qE ; इधर q आवेश हे और E विद्युत क्षेत्र है ।
  जहाँ पर q आवेश है और E विद्युत क्षेत्र है । तो किसी दूसरे आवेश के कारण जो कि Q है F = Qq/4πε0r² r̂ । इधर उस बिंदु पर जहाँ आवेश q हे और E विद्युत क्षेत्र का मान एक सदिश राशि हे और यह सदिश योग का पालन करती हे ।
• विद्युतस्थैतिक बल के सूत्र से गुरुत्वाकर्षण बल की तुलना की तो विद्युतस्थैतिक बल कई ज्यादा शक्तिशाली हे गुरुत्वाकर्षण बल से ।

आशा है कि ये अध्ययन नोट्स सहायक होंगे!