बिजली क्षेत्र

विद्युत क्षेत्र के बारे में लेख

विद्युत आवेश के विषय में यह सीखा गया कि समान आवेश एक दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, जबकि विपरीत आवेश एक दूसरे को आकर्षित करते हैं। यदि किसी धनात्मक आवेशित वस्तु को ऋणात्मक आवेशित वस्तु के निकट लाया जाए, तो दोनों वस्तुएँ एक दूसरे को प्रतिकर्षित करती हैं और एक दूसरे की ओर गति करती हैं। इसके विपरीत, यदि किसी धनात्मक आवेशित वस्तु को किसी धनात्मक आवेशित वस्तु के निकट लाया जाए, तो दोनों वस्तुएँ एक दूसरे को प्रतिकर्षित करती हैं और एक दूसरे से दूर गति करती हैं। कूलम्ब के नियम के अध्ययन के अनुसार, विद्युत आवेशित वस्तुएँ अन्य विद्युत आवेशित वस्तुओं को त्वरित कर सकती हैं क्योंकि इन विद्युत आवेशित वस्तुओं के बीच विद्युत बल कार्य करता है। किसी विद्युत आवेशित वस्तु द्वारा अन्य विद्युत आवेशित वस्तुओं पर लगाया गया विद्युत बल एक ऐसे बल का उदाहरण है जो बिना संपर्क के कार्य कर सकता है। दूरी पर कार्य करने वाले बल का एक अन्य उदाहरण गुरुत्वाकर्षण बल है । गुरुत्वाकर्षण बल एक द्रव्यमान वाली वस्तु द्वारा अन्य द्रव्यमान वाली वस्तुओं पर लगाया जाता है।

घर्षण बल , प्रतिकर्षण बल और अभिलंब बल ऐसे बल हैं जिन्हें समझना आसान है क्योंकि ये संपर्क होने पर ही कार्य करते हैं। इसके विपरीत, विद्युत बल एक ऐसा बल है जिसे समझना कठिन है क्योंकि यह बिना स्पर्श किए भी एक निश्चित दूरी से कार्य कर सकता है। एक निश्चित दूरी से कार्य करने वाले विद्युत बल को समझने के लिए विद्युत क्षेत्र की अवधारणा सामने आती है। विद्युत क्षेत्र की अवधारणा ब्रिटिश वैज्ञानिक माइकल फैराडे (1791-1867) द्वारा विकसित की गई थी।

विद्युत क्षेत्र (E) की परिभाषा

मान लीजिए कि एक कांच की छड़ प्रारंभ में विद्युत रूप से उदासीन थी। कपड़े से रगड़ने के बाद, कांच की छड़ विद्युत आवेशित हो जाती है। जब कांच की छड़ विद्युत आवेशित होती है, उसी समय कांच के चारों ओर एक विद्युत क्षेत्र उत्पन्न हो जाता है। यदि कांच उदासीन हो जाता है, तो उसी समय विद्युत क्षेत्र लुप्त हो जाता है। अतः, विद्युत आवेश की उपस्थिति से ऊर्जा का अस्तित्व अविभाज्य है। ऊर्जा वायु की तरह कोई पदार्थ नहीं है और न ही विद्युत चुम्बकीय तरंगों की तरह कोई तरंग है। ऊर्जा विद्युत आवेश के कारण उत्पन्न होती है और विद्युत आवेश के आसपास के क्षेत्र को प्रभावित करती है, जबकि अन्य विद्युत आवेश केवल ऊर्जा के प्रभाव को महसूस करते हैं।

किसी कमरे में विद्युत क्षेत्र (E) की उपस्थिति का परीक्षण करने के लिए, यह माना जाता है कि उस स्थान में एक परीक्षण आवेश मौजूद है। परीक्षण आवेश न्यूनतम आवेश (Q) है , जिससे उत्पन्न विद्युत क्षेत्र नगण्य होता है, इसलिए इसे अनदेखा किया जा सकता है। हालांकि, परीक्षण आवेश अन्य विद्युत आवेशों द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र के प्रभाव को महसूस कर सकता है। परीक्षण आवेश केवल विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति का पता लगाने के लिए मौजूद है। यदि उस स्थान में विद्युत क्षेत्र मौजूद है,

परीक्षण आवेश पर विद्युत बल लगना आवश्यक है, जबकि यदि E मौजूद नहीं है, तो परीक्षण आवेश पर विद्युत बल नहीं लगता है।

बगल में दिए गए चित्र को देखें।

चित्र 1 में, आवेश +q₁ _और आवेश +q₂ _{आसपास} के क्षेत्र में विद्युत क्षेत्र (E) उत्पन्न करते हैं। जब परीक्षण आवेश +q₀ को _किसी बिंदु पर रखा जाता है, तो परीक्षण आवेश +q₀ पर _{विद्युत} बल लगता है। F₁ _वह विद्युत बल है जो आवेश +q₁ द्वारा परीक्षण आवेश +q₀ पर लगाया जाता है _, और _F₂ वह _{विद्युत} बल है जो आवेश +q₂ द्वारा परीक्षण आवेश +q₀ पर लगाया जाता है _। चित्र ₂ में, जब परीक्षण आवेश को हटा दिया जाता है, तो विद्युत क्षेत्र (E) बना रहता है और उस बिंदु से गायब नहीं होता है। E₁ _{विद्युत आवेश + q₁} द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र है , और E₂ _{विद्युत} आवेश +q₂ द्वारा उत्पन्न विद्युत क्षेत्र _है ।

विद्युत क्षेत्र का परिमाण

E एक सदिश राशि है, जिसमें विद्युत क्षेत्र का परिमाण और दिशा होती है। E के परिमाण को आमतौर पर E की तीव्रता कहा जाता है। किसी बिंदु पर E की तीव्रता को उस बिंदु पर रखे गए धनात्मक परीक्षण आवेश पर विद्युत आवेश द्वारा लगाए गए विद्युत बल को परीक्षण आवेश के आकार से भाग देकर परिभाषित किया जाता है।

E = विद्युत क्षेत्र की तीव्रता

F = विद्युत बल

q = परीक्षण आवेश

विद्युत बल की इकाई न्यूटन है और विद्युत आवेश की इकाई कूलम्ब है, इसलिए E की इकाई न्यूटन/कूलम्ब है, जिसे N/C के रूप में संक्षिप्त किया जाता है।

विद्युत क्षेत्र की दिशा

चित्र 1a में, एक धनात्मक विद्युत आवेश (+Q) धनात्मक परीक्षण आवेश (+q) पर विद्युत बल लगाता है, जहाँ विद्युत बल (F) की दिशा +Q आवेश से दूर होती है।

चित्र 1बी में, जब परीक्षण आवेश को हटा दिया जाता है, तो इस बिंदु पर एक विद्युत क्षेत्र (ई) होता है जिसकी दिशा विद्युत आवेश क्यू से दूर होती है।

चित्र 2a में, एक ऋणात्मक विद्युत आवेश (-Q) एक धनात्मक परीक्षण आवेश (+q) पर विद्युत बल लगाता है, जहाँ विद्युत बल (F) की दिशा आवेश -Q की ओर अग्रसर होती है।

चित्र 2बी में, जब परीक्षण आवेश को हटा दिया जाता है, तो इस बिंदु पर एक विद्युत क्षेत्र (ई) होता है जिसकी दिशा विद्युत आवेश -क्यू के निकट होती है।

उपरोक्त आकृति और व्याख्या के आधार पर, यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि विद्युत क्षेत्र की दिशा धनात्मक विद्युत आवेश से दूर और ऋणात्मक विद्युत आवेश की ओर अग्रसर होती है।

विद्युत क्षेत्र रेखाएँ

विद्युत आवेश द्वारा उत्पन्न ऊर्जा (E) उस आवेश के आसपास के क्षेत्र को प्रभावित करती है, जहां इसका प्रभाव केवल अन्य विद्युत आवेशों पर ही पड़ता है। जब किसी विद्युत आवेश द्वारा उत्पन्न ऊर्जा के क्षेत्र में कोई अन्य विद्युत आवेश मौजूद होता है, तो वह विद्युत बल के प्रभाव को महसूस करता है।

ऊपर वर्णित विद्युत क्षेत्र को, जैसा कि E के बारे में लेख में बताया गया है, मन से समझा जा सकता है, लेकिन केवल मन में ही इसकी कल्पना की जा सकती है। E को दृश्य रूप में दर्शाने के लिए विद्युत क्षेत्र रेखाएँ प्रस्तुत की जाती हैं। विद्युत क्षेत्र रेखाएँ विद्युत आवेश के चारों ओर खींची गई रेखाओं का समूह होती हैं जो विद्युत क्षेत्र की उपस्थिति को दर्शाती हैं। चूंकि इसका उद्देश्य E की उपस्थिति को दर्शाना है, इसलिए इन रेखाओं का E से संबंध है। दूसरे शब्दों में, विद्युत क्षेत्र रेखाएँ खींचकर E के परिमाण और दिशा को समझाया जा सकता है।

विद्युत क्षेत्र रेखाओं के साथ दिशा और विद्युत क्षेत्र की तीव्रता के बीच निम्नलिखित संबंध है:

सबसे पहले, विद्युत क्षेत्र की दिशा धनात्मक आवेश से दूर होकर ऋणात्मक आवेश की ओर बढ़ती है। इसी प्रकार, विद्युत क्षेत्र रेखाओं की दिशा भी धनात्मक आवेश से दूर होकर ऋणात्मक आवेश की ओर बढ़ती है।

यदि धनात्मक आवेश ऋणात्मक आवेश के निकट स्थित हो, तो विद्युत क्षेत्र रेखाएँ धनात्मक आवेश से ऋणात्मक आवेश की ओर खींची जाती हैं। इसके विपरीत, यदि एक धनात्मक आवेश दूसरे धनात्मक आवेश के निकट स्थित हो, तो विद्युत क्षेत्र रेखाएँ प्रत्येक धनात्मक आवेश से बाहर की ओर खींची जाती हैं और एक दूसरे से दूर जाती हैं।

दूसरा, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता को विद्युत क्षेत्र रेखाओं के बीच की दूरी से दर्शाया जाता है। विद्युत क्षेत्र की रेखाओं के बीच की दूरी जितनी कम होगी, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता उतनी ही अधिक होगी, और विद्युत क्षेत्र की रेखाओं के बीच की दूरी जितनी अधिक होगी, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता उतनी ही कम होगी।

विद्युत क्षेत्र की तीव्रता उतनी ही अधिक क्यों होती है, जब रेखाओं के बीच की दूरी कम होती है? इसे समझने के लिए, निम्नलिखित व्याख्या देखें। मान लीजिए कि एक धनात्मक आवेश गोले के केंद्र में है और विद्युत क्षेत्र रेखाएँ गोले की सतह पर विभिन्न दिशाओं में फैली हुई हैं। यदि विद्युत क्षेत्र रेखाओं की संख्या N है और गोले का पृष्ठीय क्षेत्रफल 4πr² है ^, तो प्रति इकाई क्षेत्रफल रेखाओं की संख्या या रेखा घनत्व N/4πr² होगा ^। इस सूत्र के आधार पर, समान N के लिए, यदि r छोटा होता है, तो रेखाओं के बीच की दूरी कम होती जाती है और यदि r बड़ा होता है, तो रेखाओं के बीच की दूरी बढ़ती जाती है।

विद्युत क्षेत्र की तीव्रता का सूत्र E = kq / r² ^यह भी दर्शाता है कि विद्युत क्षेत्र की तीव्रता दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होती है। यदि r का मान कम हो, तो विद्युत क्षेत्र की तीव्रता अधिक स्पष्ट हो जाती है, और यदि r का मान अधिक हो, तो विद्युत क्षेत्र की तीव्रता कम हो जाती है।

उपरोक्त समीक्षा के आधार पर यह निष्कर्ष निकाला जा सकता है कि यदि r का मान घटता है (आवेश के निकट आने पर), तो विद्युत क्षेत्र की तीव्रता बढ़ती है और रेखाओं के बीच की दूरी भी कम होती जाती है। इसके विपरीत, यदि r का मान बढ़ता है (आवेश से दूर जाने पर), तो विद्युत क्षेत्र की तीव्रता घटती है और रेखाओं के बीच की दूरी भी बढ़ती जाती है।

तीसरा, विद्युत क्षेत्र रेखाओं की संख्या विद्युत क्षेत्र की तीव्रता के समानुपाती होती है। जितनी अधिक विद्युत क्षेत्र रेखाएं होंगी, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता उतनी ही अधिक होगी। विद्युत क्षेत्र रेखाओं की संख्या जितनी कम होगी, विद्युत क्षेत्र की तीव्रता उतनी ही कम होगी।