காந்தவியல் மற்றும் மின்னோட்டத்தின் காந்த விளைவுகள்: ஒரு மதிப்பெண் வினாக்கள், புத்தக வினா விடைகள் மற்றும் குறிப்புகள்

காந்தவியல் மற்றும் மின்னோட்டத்தின் காந்த விளைவுகள் பற்றி

கடினம் ~180 நிமிடப் படிப்பு

மின்சாரத்தைப் பற்றி அறிவதற்கு நீண்ட காலம் முன்பே காந்தங்கள் மனிதருக்குத் தெரியும். பல நூற்றாண்டுகளாகக் கப்பல்கள் திசை அறிய காந்த திசைகாட்டி பயன்பட்டது. மின்னோட்டம் பாயும் கம்பி திசைகாட்டி ஊசியை விலகச் செய்கிறது என்பதை ஆர்ஸ்டெட் கண்டார். இதுவே பெரிய திருப்புமுனை. இந்த ஆய்வு மின்னியலையும் காந்தவியலையும் இணைத்தது. மின் மோட்டார், ஒலிபெருக்கி, உங்கள் இயற்பியல் ஆய்வகத்தில் உள்ள கால்வனோமீட்டர் ஆகிய அனைத்தும் இங்கிருந்துதான் தொடங்குகின்றன.

இந்த அலகு தெரிந்த கருத்துகளில் தொடங்கி புதிய கருத்துகளுக்குச் செல்கிறது. முதலில் சட்டக்காந்தம், அச்சுக்கோடு மற்றும் நடுவரைக்கோட்டில் காந்தப்புலம், புவிகாந்தப்புலத்தின் கூறுகள் ஆகியவற்றைப் படிக்கிறீர்கள். அடுத்து, மின்னோட்டத்தால் ஏற்படும் புலத்தைக் கணக்கிட இரண்டு விதிகள் வருகின்றன. சிறிய மின்னோட்டக் கூறுக்கு பயட்-சாவர்ட் விதி (Biot-Savart Law). நீண்ட வரிச்சுருள், வட்டவரிச்சுருள் (Toroid) போன்ற சீர்மை உள்ள அமைப்புகளுக்கு ஆம்பியர் சுற்று விதி (Ampere's Circuital Law). அதன் பிறகு, காந்தப்புலம் இயங்கும் மின்துகள் மீதும் மின்னோட்டம் பாயும் கம்பி மீதும் என்ன செய்கிறது என்பதைப் படிக்கிறீர்கள்.

இந்த அலகில் தருவித்தல்கள், திசை விதிகள், கணக்குகள் மூன்றும் கலந்து வருகின்றன. வலக்கை பெருவிரல் விதி, பிளெமிங் இடக்கை விதி, \( \vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B}) \) இல் உள்ள வெக்டர் பெருக்கல் ஆகியவற்றை நம்பிக்கையுடன் பயன்படுத்தத் தெரிய வேண்டும். அடுத்த அலகான மின்காந்தத் தூண்டல் மற்றும் மாறுதிசை மின்னோட்டத்திலும் இந்தக் கருத்துகள் மீண்டும் வருகின்றன.

நீங்கள் கற்பவை

• நேரான கடத்தி, வட்டச் சுருள், வரிச்சுருள் ஆகியவற்றால் ஏற்படும் காந்தப்புலத்தைக் கணக்கிடுதல்.
• டயா, பாரா, பெர்ரோ காந்தப் பொருட்களை வேறுபடுத்துதல்.
• திசை விதிகளையும் வெக்டர் பெருக்கலையும் பயன்படுத்தி இயங்கும் மின்துகள் மீதான விசையைக் காணுதல்.
• சைக்ளோட்ரானின் அமைப்பையும் செயல்பாட்டையும் விளக்குதல்.
• சீரான காந்தப்புலத்தில் உள்ள மின்னோட்டச் சுற்று மீதான திருப்புவிசைக்கான கோவையைத் தருவித்தல்.
• கால்வனோமீட்டரை அம்மீட்டராகவும் வோல்ட்மீட்டராகவும் மாற்றுவது எப்படி என்று விளக்குதல்.

தொடங்குவதற்கு முன்

• மின்னோட்டம் மற்றும் மின்னழுத்த வேறுபாடு.
• வெக்டர் பெருக்கல் மற்றும் வலக்கை விதிகள்.
• சீரான வட்ட இயக்கம் மற்றும் மையநோக்கு விசை.

காந்தவியல் மற்றும் மின்னோட்டத்தின் காந்த விளைவுகள் — விரிவான விளக்கம்

இந்த அலகில் என்ன படிக்கிறோம்

சட்டக்காந்தமும் புவிகாந்தப்புலமும்

சட்டக்காந்தம் வடமுனை, தென்முனை கொண்ட ஒரு காந்த இருமுனையாகச் செயல்படுகிறது. அச்சுக்கோட்டில் உள்ள ஒரு புள்ளியிலும் நடுவரைக்கோட்டில் உள்ள ஒரு புள்ளியிலும் அதன் காந்தப்புலத்தைக் கணக்கிடுகிறீர்கள். சீரான புலத்தில் அது உணரும் திருப்புவிசையையும் கணக்கிடுகிறீர்கள். புவியும் ஒரு மிகப்பெரிய சட்டக்காந்தம் போலச் செயல்படுகிறது. ஓர் இடத்தில் புவிகாந்தப்புலத்தை மூன்று கூறுகள் விவரிக்கின்றன: காந்த ஒதுக்கம் (Declination), காந்தச் சரிவு (Inclination / Dip), புவிகாந்தப்புலத்தின் கிடைத்தளக் கூறு.

காந்தப் பொருட்கள்

புறக் காந்தப்புலத்தில் வைக்கும்போது பொருள் எப்படி நடந்துகொள்கிறது என்பதைப் பொறுத்து அதை டயா காந்தப் பொருள், பாரா காந்தப் பொருள், பெர்ரோ காந்தப் பொருள் என வகைப்படுத்துகிறோம். இந்தப் பண்பு அணுக்களின் காந்தத் திருப்புத்திறனால் வருகிறது. அந்தத் திருப்புத்திறன் எலக்ட்ரான்களின் சுற்றியக்கத்தாலும் தற்சுழற்சியாலும் உண்டாகிறது. பெர்ரோ காந்தப் பொருளின் காந்தத்தயக்கக் கண்ணி (Hysteresis loop) பேணுதிறனையும் (Retentivity) காந்தநீக்குதிறனையும் (Coercivity) காட்டுகிறது. எஃகு போன்ற பேணுதிறனும் காந்தநீக்குதிறனும் அதிகமுள்ள பொருட்கள் நிலைக்காந்தங்கள் செய்ய ஏற்றவை. குறுகிய கண்ணியும் குறைந்த காந்தத்தயக்க இழப்பும் உள்ள தேனிரும்பு மின்காந்தங்களுக்கும் மின்மாற்றி உள்ளகங்களுக்கும் ஏற்றது.

மின்னோட்டத்தால் ஏற்படும் காந்தப்புலம்

மின்னோட்டம் காந்தப்புலத்தை உருவாக்குகிறது என்பதை ஆர்ஸ்டெட் சோதனை காட்டியது. சிறிய மின்னோட்டக் கூறால் ஏற்படும் புலத்தை பயட்-சாவர்ட் விதி தருகிறது. நீண்ட நேரான கடத்தியால் ஏற்படும் புலத்தையும் வட்டச் சுருளின் அச்சில் உள்ள புலத்தையும் காண இந்த விதியைப் பயன்படுத்துகிறோம். ஒரு மூடிய பாதையைச் சுற்றி \( \vec{B} \) இன் கோட்டுத் தொகையீடு, அந்தப் பாதை உள்ளடக்கும் மின்னோட்டத்தின் \( \mu_0 \) மடங்குக்குச் சமம் என்று ஆம்பியர் சுற்று விதி கூறுகிறது. நீண்ட நேரான கம்பி, வரிச்சுருள், வட்டவரிச்சுருள் ஆகியவற்றுக்கு இந்த விதி விரைவாக விடை தருகிறது.

இயங்கும் மின்துகள் மீது விசை மற்றும் சைக்ளோட்ரான்

காந்தப்புலத்தில் இயங்கும் மின்துகள் ஒரு விசையை உணர்கிறது. இந்த விசை அதன் திசைவேகத்துக்கும் காந்தப்புலத்துக்கும் செங்குத்தாக இருக்கும். மின்புலமும் காந்தப்புலமும் சேர்ந்து இருந்தால், மொத்த விசை லாரன்ஸ் விசை (Lorentz Force) எனப்படும். சீரான காந்தப்புலத்தில், புலத்துக்குச் செங்குத்தாக இயங்கும் மின்துகள் வட்டப்பாதையில் சுற்றும். புலத்துக்கு ஒரு கோணத்தில் இயங்கும் மின்துகள் சுருள்வட்டப் பாதையில் (Helix) செல்லும். சைக்ளோட்ரான் இதைப் பயன்படுத்துகிறது. காந்தப்புலம் அயனிகளை வட்டப்பாதையில் வைத்திருக்கிறது. இரண்டு D வடிவப் பெட்டிகளுக்கு (Dees) இடையிலான இடைவெளியில் உள்ள மாறுதிசை மின்புலம் ஒவ்வொரு அரைச் சுற்றிலும் அவற்றை முடுக்குகிறது.

கடத்தி மீது விசை மற்றும் சுற்று மீது திருப்புவிசை

காந்தப்புலத்தில் வைக்கப்பட்ட மின்னோட்டம் பாயும் கடத்தி ஒரு விசையை உணர்கிறது. அதன் திசையை பிளெமிங் இடக்கை விதி தருகிறது. ஒரே திசையில் மின்னோட்டம் பாயும் இரண்டு இணைக் கம்பிகள் ஒன்றையொன்று கவரும். எதிர்த் திசைகளில் பாய்ந்தால் விலக்கும். பாடநூல் இந்த விசையைப் பயன்படுத்தி ஒரு ஆம்பியரை வரையறுக்கிறது. சீரான புலத்தில் உள்ள மின்னோட்டச் சுற்று ஒரு திருப்புவிசையை உணர்கிறது. இதுவே இயங்கு சுருள் கால்வனோமீட்டரின் தத்துவம். குறைந்த மின்தடை கொண்ட இணைத்தடையை (Shunt) பக்க இணைப்பில் இணைத்தால் கால்வனோமீட்டர் அம்மீட்டராக மாறும். அதிக மின்தடையைத் தொடர் இணைப்பில் இணைத்தால் வோல்ட்மீட்டராக மாறும்.

தவிர்க்க வேண்டிய பொதுவான தவறுகள்

• காந்த விசை காந்தப்புலத்தின் திசையிலேயே இருக்கும் என்று எடுத்துக்கொள்வது. இயங்கும் மின்துகள் மீதான விசை \( \vec{v} \), \( \vec{B} \) இரண்டுக்கும் செங்குத்தாக இருக்கும்.
• விதிகளைக் குழப்பிக்கொள்வது. மின்னோட்டத்தைச் சுற்றியுள்ள புலத்தின் திசையை வலக்கை பெருவிரல் விதி தருகிறது. கடத்தி மீதான விசையின் திசையை பிளெமிங் இடக்கை விதி தருகிறது.
• மின்துகள் புலத்துக்கு இணையாகவோ எதிர் இணையாகவோ இயங்கும்போது காந்த விசை சுழி என்பதை மறந்துவிடுவது.
• காந்த முனையை மின்துகள் போலத் தனியாக இருக்க முடியும் என்று கருதுவது. காந்த முனைகள் எப்போதும் இணையாகவே இருக்கும். தனித்த ஒற்றை முனை (Monopole) இதுவரை கண்டறியப்படவில்லை.

இவற்றை பயிற்சித் தேர்வு மூலம் சோதித்துப் பாருங்கள்; பிறகு விடையுடன் கூடிய வினாக்கள் பகுதியில் விரிவான விளக்கத்தைப் படியுங்கள்.

அடிக்கடி கேட்கப்படும் கேள்விகள்

புவியியல் துருவங்களுக்கும் காந்தத் துருவங்களுக்கும் என்ன வேறுபாடு?

புவியின் சுழல் அச்சு புவிப் பரப்பைச் சந்திக்கும் இடங்கள் புவியியல் துருவங்கள். புவிகாந்தப்புலம் செங்குத்தாக இருக்கும் இடங்கள் காந்தத் துருவங்கள். இவை ஒரே இடத்தில் இல்லை. ஓர் இடத்தில் புவியியல் துருவத்தளத்துக்கும் காந்தத் துருவத்தளத்துக்கும் இடையிலான கோணம் காந்த ஒதுக்கம் எனப்படும். இது இடத்துக்கு இடம் மாறுபடும்.

இயங்கும் மின்துகள் மீது காந்தப்புலம் ஏன் வேலை செய்வதில்லை?

காந்த விசை எப்போதும் திசைவேகத்துக்குச் செங்குத்தாக இருக்கிறது. வேலை என்பது விசை மற்றும் இடப்பெயர்ச்சியின் புள்ளிப் பெருக்கல். இரண்டுக்கும் இடையே 90 டிகிரி கோணம் இருப்பதால் வேலை சுழி. எனவே காந்த விசை இயக்கத்தின் திசையை மாற்றும். ஆனால் வேகத்தையோ இயக்க ஆற்றலையோ மாற்றாது.

நேரான கம்பியைச் சுற்றியுள்ள காந்தப்புலத்தின் திசையை எப்படிக் காண்பது?

வலக்கை பெருவிரல் விதியைப் பயன்படுத்துங்கள். மரபு மின்னோட்டத்தின் திசையில் பெருவிரல் இருக்குமாறு கம்பியை வலக்கையால் பிடியுங்கள். மடங்கிய விரல்கள் காந்தப்புலக் கோடுகளின் திசையைக் காட்டும். இந்தக் கோடுகள் கம்பியைச் சுற்றி ஒருமைய வட்டங்களாக இருக்கும்.

இயங்கு சுருள் கால்வனோமீட்டரில் ஆரக் காந்தப்புலம் ஏன் பயன்படுகிறது?

குழிவான முனைத் துண்டுகளும் மையத்தில் உள்ள தேனிரும்பு உருளையும் புலத்தை ஆர வடிவமாக்குகின்றன. அப்போது சுருள் எந்த நிலையில் இருந்தாலும் அதன் தளம் புலத்துக்கு இணையாகவே இருக்கும். எனவே சுருள் திரும்பினாலும் ஒரு குறிப்பிட்ட மின்னோட்டத்துக்கான திருப்புவிசை மாறாது. இதனால் விலகல் மின்னோட்டத்துக்கு நேர்த்தகவில் இருக்கும், அளவுகோல் சீராக இருக்கும்.

ஓய்வில் உள்ள மின்துகள் காந்த விசையை உணருமா?

இல்லை. காந்த விசை \( q(\vec{v} \times \vec{B}) \). திசைவேகம் சுழி என்றால் விசையும் சுழி. காந்தப்புலம் இயங்கும் மின்துகள்கள் மீது மட்டுமே செயல்படும்.

காந்தப்புலத்துக்கு இணையாக இயங்கும் மின்துகளுக்கு என்ன நடக்கும்?

திசைவேகத்துக்கும் புலத்துக்கும் இடையிலான கோணம் 0 அல்லது 180 டிகிரி. எனவே \( \sin\theta = 0 \), காந்த விசை சுழி. மின்துகள் அதே வேகத்தில் நேர்கோட்டில் தொடர்ந்து இயங்கும்.