विद्युत धारा, विद्युत आवेश, चुंबकीय क्षेत्र और चुंबकीय बल से संबंधित लेख
1819 में, हंस क्रिश्चियन ओर्स्टेड (1777-1851) नामक एक डेनिश वैज्ञानिक ने चुंबकत्व और विद्युत धाराओं या गतिशील आवेशों के बीच संबंध की खोज की। उन्होंने पाया कि जब एक कंपास की सुई किसी जीवित तार के पास होती है, तो वह विक्षेपित हो जाती है। जब कोई धारा नहीं होती है, तो कंपास की सुई उत्तर दिशा की ओर इंगित करती है।
कंपास की सुई एक चुंबक होती है, इसलिए इसे चुंबकीय बल द्वारा गतिमान किया जा सकता है। चुंबकीय बल (F) कहाँ से आता है? कंपास की सुई के पास एक तार होता है जिसमें विद्युत धारा प्रवाहित होती है, इसलिए चुंबकीय बल विद्युत धारा द्वारा ही उत्पन्न होता है।
बगल में दिए गए चित्र को देखें। विद्युत धारा की दिशा और चुंबकीय क्षेत्र की दिशा को दाहिने हाथ के नियम का उपयोग करके ज्ञात किया जा सकता है। यदि विद्युत धारा (I) ऊपर की ओर प्रवाहित होती है, तो चुंबकीय क्षेत्र (B) की दिशा बाईं ओर दिखाए गए चित्र के अनुसार होगी। यदि विद्युत धारा नीचे की ओर प्रवाहित होती है, तो चुंबकीय क्षेत्र की दिशा दाईं ओर दिखाए गए चित्र के अनुसार होगी।
चुंबकीय क्षेत्र धारा प्रवाहित करने वाले तार पर बल लगाता है।
पहले यह बताया गया था कि विद्युत धारा चुंबकीय दिशासूचक यंत्र की सुई पर बल लगा सकती है। क्या चुंबक भी विद्युत धारा पर बल लगा सकता है?
मान लीजिए कि एक चुंबक के उत्तरी और दक्षिणी ध्रुवों के बीच एक विद्युत धारा प्रवाहित करने वाला तार रखा है। चुंबकीय क्षेत्र की दिशा को उत्तरी ध्रुव से दक्षिणी ध्रुव की ओर जाने वाले तीर से दर्शाया जाता है। यदि विद्युत धारा (I) की दिशा को लाल तीर से दर्शाया जाए, तो एक चुंबकीय बल (F) उत्पन्न होता है जिसकी दिशा को नीले तीर से दर्शाया जाता है।
चुंबकीय बल F की दिशा विद्युत धारा I की दिशा के लंबवत होती है और चुंबकीय क्षेत्र B की दिशा के भी लंबवत होती है।
विद्युत धारा की दिशा, चुंबकीय क्षेत्र की दिशा और चुंबकीय बल की दिशा को दाहिने हाथ के नियम का उपयोग करके निर्धारित किया जा सकता है।
चुंबकीय बल, विद्युत धारा और चुंबकीय क्षेत्र के बीच संबंध को निम्नलिखित समीकरण द्वारा व्यक्त किया जाता है।
F = BI l sin θ
F चुंबकीय बल का प्रतीक है, B चुंबकीय क्षेत्र का प्रतीक है, I विद्युत धारा का प्रतीक है, और l चुंबकीय क्षेत्र में मौजूद तार की लंबाई का प्रतीक है।
θ विद्युत धारा की दिशा और चुंबकीय क्षेत्र की दिशा के बीच का कोण है। यदि विद्युत धारा चुंबकीय क्षेत्र के लंबवत (90°) है, तो sin 90° का मान 1 होता है। सूत्र बदलकर F = θl हो जाता है। इसके विपरीत, यदि विद्युत धारा चुंबकीय क्षेत्र के समानांतर (0°) है, तो sin θ का मान 0 होता है, जिससे चुंबकीय बल शून्य हो जाता है।
चुंबकीय क्षेत्र की गणना करने के लिए, उपरोक्त सूत्र को इस प्रकार बदला जाता है: B = F / I l.
चुंबकीय बल की अंतर्राष्ट्रीय इकाई न्यूटन (संक्षिप्त रूप में N) है, जबकि चुंबकीय क्षेत्र की अंतर्राष्ट्रीय इकाई टेस्ला (संक्षिप्त रूप में T) है। टेस्ला का नाम सर्बियाई-अमेरिकी आविष्कारक और भौतिक विज्ञानी निकोला टेस्ला (1856-1943) के नाम पर रखा गया है। ऊपर दिए गए चुंबकीय क्षेत्र सूत्र के आधार पर, चुंबकीय क्षेत्र को न्यूटन प्रति एम्पीयर मीटर (N/A मीटर) की इकाइयों में भी व्यक्त किया जा सकता है। टेस्ला के अलावा, चुंबकीय क्षेत्र को गॉस (G) की इकाइयों में भी व्यक्त किया जाता है। गॉस का नाम जर्मन गणितज्ञ, खगोलशास्त्री और भौतिक विज्ञानी जोहान कार्ल फ्रेडरिक गॉस (1777-1855) के नाम पर रखा गया है। 1G = 10⁻⁴T
चुंबकीय क्षेत्र में गतिमान विद्युत आवेशों पर लगने वाला चुंबकीय बल
चुंबकीय क्षेत्र किसी धारावाही तार पर चुंबकीय बल लगा सकता है। विद्युत धाराएँ गतिमान विद्युत आवेश होती हैं, इसलिए चुंबकीय क्षेत्र न केवल चालक तारों पर, बल्कि स्वतंत्र रूप से गतिमान विद्युत आवेशों पर भी चुंबकीय बल लगा सकता है।
चुंबकीय क्षेत्र में गतिमान विद्युत आवेशों पर लगने वाले चुंबकीय बल की गणना का सूत्र पूर्ववर्ती चुंबकीय बल सूत्र F = BI l sin θ से लिया गया है। चूँकि I = q/t और l = vt है, इसलिए चुंबकीय बल का सूत्र परिवर्तित होकर यह हो जाता है:
सूत्र का विवरण: F = चुंबकीय बल, B = चुंबकीय क्षेत्र, q = विद्युत आवेश, v = आवेश की गति, θ = v और B के बीच का कोण
यदि v, B के लंबवत है, तो θ = 90 ° , जहाँ sin 90 ° = 1 होता है। इसके विपरीत, यदि v, B के समानांतर है, तो θ = 0 ° , जहाँ sin 0 ° = 0 होता है। अतः, चुंबकीय बल अधिकतम तब होता है जब v, B के लंबवत होता है और चुंबकीय बल शून्य तब होता है जब v, B के समानांतर होता है।
चुंबकीय बल F की दिशा चुंबकीय क्षेत्र B के लंबवत और विद्युत आवेश v की गति के लंबवत होती है।
