Physics chapter 10: Static Electricity

দশম অধ্যায়

স্থির বিদ্যুৎ

(Static Electricity)

শীতকালে চিরুনি দিয়ে চুল আঁচড়ানোর পর সেই চিরুনি ছোট ছোট কাগজের টুকরোর কাছে আনা হলে কাগজের টুকরোগুলো লাফিয়ে চিরুনির দিকে ছুটে আসে। আবার ঝড়ের সময় বজ্রপাতের আলোর ঝলকানির সাথে দিগ্বিদিক প্রকম্পিত করে প্রচণ্ড শব্দে বজ্রপাত হয়। এই দুটো বিষয়ের জন্য দায়ী স্থির বিদ্যুৎ। আমাদের চারপাশের সবকিছুই আসলে অণু-পরমাণু দিয়ে তৈরি। পরমাণুর কেন্দ্রে থাকে নিউক্লিয়াস এবং সেটিকে ঘিরে বাইরে ইলেকট্রন বিচরণশীল। ইলেকট্রনের ঋণাত্মক চার্জ এবং নিউক্লিয়াসের চার্জ ধনাত্মক। কোনো প্রক্রিয়ায় যদি পরমাণুর এক বা একাধিক ইলেকট্রনকে আলাদা করে ফেলা হয় তাহলে স্থির বিদ্যুতের জন্ম হয়। এই অধ্যায়ে আমরা এই স্থির বিদ্যুতের বিভিন্ন প্রক্রিয়া আলোচনা করব। দুটো চার্জকে পাশাপাশি রাখা হলে তারা কী বল দ্বারা নিজেদের আকর্ষণ করে সেটিও আমরা এই অধ্যায়ে জেনে নেব।

Printed page 271

এ অধ্যায় শেষে আমরা –

• পরমাণু গঠনের ভিত্তিতে আধান প্রাপ্তির মৌলিক কারণ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• ঘর্ষণ ও আবেশ প্রক্রিয়ায় আধান প্রাপ্তি ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িৎবীক্ষণ যন্ত্রের সাহায্যে আধান শনাক্ত করতে পারব।
• কুলম্বের সূত্র ব্যবহার করে তড়িৎ বল পরিমাপ করতে পারব।
• তড়িৎ ক্ষেত্র সৃষ্টির কারণ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িৎ বলরেখার দিক তড়িৎ ক্ষেত্রের দিককে কেমনভাবে নির্দেশ করে ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িৎ বিভব ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িৎ শক্তি সংরক্ষণে ধারকের কার্যক্রম ব্যাখ্যা করতে পারব।
• স্থির তড়িৎ ব্যবহার ব্যাখ্যা করতে পারব।
• স্থির তড়িৎজনিত বিপজ্জনক ঝুঁকি হতে রক্ষার কৌশল ব্যাখ্যা করতে পারব।

Printed page 272

১০.১ আধান বা চার্জ (Charge)

শীতকালে শুকনো চুল চিরুনি দিয়ে আঁচড়িয়ে তোমাদের প্রায় সবাই নিশ্চয়ই কখনো না কখনো ছোট ছোট কাগজের টুকরাকে সেই চিরুনি দিয়ে আকর্ষণ করেছ। শীতপ্রধান দেশে শীতকালে বাতাস খুব শুকনো থাকে, তখন ছোট শিশু যখন কার্পেটে হামাগুড়ি দেয়,তখন তাদের চুল খাড়া হয়ে যায়, দেখে মনে হয় একটি চুল বুঝি অন্য চুলকে ঠেলে খাড়া করিয়ে দিয়েছে। তোমরা সবাই নিশ্চয়ই ঝড়ের রাতে আকাশ চিরে বিদ্যুতের ঝলককে নিচে নেমে আসতে দেখেছ।

কাগজের আকর্ষণ, চুলের বিকর্ষণ কিংবা বজ্রপাত– এই তিনটি ব্যাপারের মূলেই কিন্তু একই বিষয় কাজ করেছে, সেটি হচ্ছে চার্জ বা আধান। চার্জ বা আধান কী, কেন সেটা কখনো আকর্ষণ করে, কখনো বিকর্ষণ করে আবার কখনো বিদ্যুৎ ঝলক তৈরি করে, ইত্যাদি বোঝার জন্য আমাদের একেবারে গোড়ায় যেতে হবে, এবং অণু-পরমাণু কেমন করে তৈরি হয় সেটা জানতে হবে।

আমরা সবাই জানি সকল বস্তুই অণু-পরমাণু দিয়ে তৈরি। এখন পর্যন্ত 118টি ভিন্ন ভিন্ন মৌলের পরমাণু পাওয়া গিয়েছে, এর মাঝে মাত্র ৪০টি মৌলের পরমানু (এক বা একাধিক আইসোটোপ) স্থায়ী। মাত্র এই কয়টি পরমাণু দিয়ে লক্ষ লক্ষ ভিন্ন অণু তৈরি হয়েছে। একটা অক্সিজেন পরমাণুর সাথে দুটো হাইড্রোজেন পরমাণু যুক্ত হয়ে পানি, একটা সোডিয়াম পরমাণুর সাথে একটা ক্লোরিন পরমাণু যুক্ত হয়ে লবণ, একটা কার্বন পরমাণুর সাথে চারটা হাইড্রোজেন পরমাণু দিয়ে মিথেন গ্যাস, ইত্যাদি গঠিত হয়। (অবাক হবার কিছু নেই বাংলায় মাত্র পঞ্চাশটা বর্ণ, সেই বর্ণমালা দিয়ে হাজার হাজার শব্দ তৈরি হয়েছে।)

পরমাণু হচ্ছে সবকিছুর গাঠনিক একক বা বিল্ডিং ব্লক (Building Block)। এই পরমাণুর কেন্দ্রে থাকে ছোট একটা নিউক্লিয়াস, তাকে ঘিরে থাকে ইলেকট্রন। নিউক্লিয়াস তৈরি হয় প্রোটন আর নিউট্রন দিয়ে। এর ভেতরে প্রোটনের চার্জ হচ্ছে ধনাত্মক বা পজিটিভ (নিউট্রনের কোনো চার্জ নেই) আর ইলেকট্রনের চার্জ ঋণাত্মক বা নেগেটিভ। প্রোটন আর ইলেকট্রনের চার্জ সমান কিন্তু বিপরীত অর্থাৎ তার মান $(1.6 \times 10^{-19} \text{ Coulomb})$ কিন্তু একটা পজিটিভ অন্যটা নেগেটিভ। একটা পরমাণুর নিউক্লিয়াসে যে কয়টা প্রোটন থাকে তার বাইরে ঠিক সেই কয়টা ইলেকট্রন বিচরণশীল থাকে তাই পরমাণুর সম্মিলিত চার্জ শূন্য, অর্থাৎ পরমাণু হচ্ছে বিদ্যুৎ নিরপেক্ষ বা নিস্তড়িৎ বা নিউট্রাল। সবচেয়ে সহজ পরমাণু হচ্ছে হাইড্রোজেন,তার নিউক্লিয়াসটা হচ্ছে শুধু একটা প্রোটন, তাকে ঘিরে বিচরণশীল একটা ইলেকট্রন। এরপরের মৌল হচ্ছে হিলিয়ামের নিউক্লিয়াসে আছে দুটো প্রোটন (এবং চার্জবিহীন দুটো নিউট্রন) আর বাইরে আছে দুটো ইলেকট্রন। এভাবে আস্তে আস্তে আরো বড় বড় পরমাণু তৈরি হয়েছে। নিউক্লিয়াসে যতগুলো প্রোটন থাকে সাধারণত ততগুলো অথবা আরো বেশি নিউট্রন থাকে। শুধু হাইড্রোজেন পরমাণু (কোন নিউট্রন নাই $^{1}\text{H}$) এবং হিলিয়াম-$3$ ($^{3}\text{He}$) পরমাণুতে প্রোটনের সংখ্যা নিউট্রনের সংখ্যার চেয়ে বেশি।

Printed page 273

নিউক্লিয়াসের বাইরে ইলেকট্রনগুলো সব একই কক্ষপথে থাকে না, ১০.০১ চিত্রটিতে পরমাণুর একটি মডেল যেভাবে দেখানো হয়েছে, যেখানে একটা কক্ষপথ পূর্ণ করে ইলেকট্রন পরের কক্ষপথে যেতে পারে। ভেতরের কক্ষপথের ইলেকট্রনগুলো অনেক শক্তভাবে আটকে থাকে। কিছু কিছু পরমাণুর বেলায় বাইরের কক্ষপথের ইলেকট্রনগুলোকে একটু চেষ্টা করলে আলাদা করা যায়। ইলেকট্রন আলাদা করার একটা উপায় হচ্ছে ঘর্ষণ।

এমনিতে পরমাণুগুলো চার্জ নিরপেক্ষ হয় অর্থাৎ প্রত্যেক পরমাণুতে সমান সংখ্যক প্রোটন আর ইলেকট্রন থাকে। কিন্তু কোনো কারণে যদি বাইরের কক্ষপথের একটা ইলেকট্রন সরিয়ে নেওয়া হয় তাহলে ইলেকট্রনের তুলনায় প্রোটনের সংখ্যা বেড়ে যায় অর্থাৎ পরমাণুটা আর বিদ্যুৎ নিরপেক্ষ বা চার্জ নিউট্রাল থাকে না, তার ভেতরে পজিটিভ চার্জের পরিমাণ বেড়ে যায়। একটা ইলেকট্রন সরিয়ে নিলে পরমাণুটিতে একটি পজিটিভ চার্জ হয়, দুটি সরিয়ে নিলে দুটি পজিটিভ চার্জ হয়। আমরা তখন বলি পরমাণুটি আয়নিত বা আহিত হয়েছে। একটা পরমাণু যে রকম পজিটিভভাবে আয়নিত হতে পারে ঠিক সে রকম নেগেটিভভাবেও আয়নিত হতে পারে অর্থাৎ যখন বিচ্ছিন্ন একটি বা দুটি ইলেকট্রন পরমাণুর সাথে যুক্ত হয়ে যায়, তখন পরমাণুর মোট চার্জ হয় নেগেটিভ।

Figure: চিত্র ১০.০১ : একটি আরগনের পরমাণুর মডেল। এক কক্ষপথ পূর্ণ করে ইলেকট্রন পরের কক্ষপথে যায়।

লেবেল: ইলেকট্রন, নিউক্লিয়াস বর্ণনা: একটি পরমাণুর মডেল দেখানো হয়েছে। কেন্দ্রে একটি লাল নিউক্লিয়াস; তার চারদিকে তিনটি সমকেন্দ্রিক কক্ষপথে নীল বিন্দু হিসেবে ইলেকট্রন আছে। ভেতরের কক্ষপথে ২টি, মাঝের কক্ষপথে ৮টি এবং বাইরের কক্ষপথে ৮টি ইলেকট্রন আঁকা হয়েছে। একটি তীর দিয়ে নিউক্লিয়াস চিহ্নিত।

পরমাণুগুলোর ইলেকট্রনগুলো তার কক্ষপথে বিচরণশীল থাকে।এগুলো বিভিন্ন কক্ষপথে কীভাবে সাজানো হবে তার সুনির্দিষ্ট নিয়ম আছে। তোমরা তোমাদের রসায়ন বইয়ে সেটি বিস্তৃতভাবে দেখেছ। এখন তার গভীরে আমরা যাব না। শুধু বলে রাখি কখনো কখনো শেষ কক্ষপথে একটি-দুটি ইলেকট্রন প্রায় মুক্ত অবস্থায় থাকে, এ রকম পদার্থে ইলেকট্রনগুলো খুব সহজে পুরো পদার্থের মাঝে ছোটাছুটি করতে পারে। এ রকম পদার্থকে আমরা বলি বিদ্যুৎ সুপরিবাহী। আবার কিছু কিছু পদার্থে ছোটাছুটি করার মতো মুক্ত ইলেকট্রন নেই, যে কয়টি আছে খুব শক্তভাবে আবদ্ধ সেগুলো হচ্ছে বিদ্যুৎ অপরিবাহী। ধাতব পদার্থ যেমন সোনা, রুপা, তামা হচ্ছে বিদ্যুৎ সুপরিবাহী। কাঠ, প্লাস্টিক, কাচ, রাবার এসব হচ্ছে বিদ্যুৎ অপরিবাহী।

পরমাণুর গঠন সম্পর্কে এখন পর্যন্ত যা যা বলা হয়েছে আমরা যদি সেগুলো বুঝে থাকি তাহলে স্থির বিদ্যুতের পরের বিষয়গুলো মনে হবে খুবই সহজ।

Printed page 274

১০.২ ঘর্ষণে স্থির বিদ্যুৎ তৈরি

(Static Electricity due to Friction)

এক টুকরো কাচকে যদি এক টুকরো সিল্ক দিয়ে ঘষা হয় (১০.০২ চিত্র) তাহলে কাচ থেকে ইলেকট্রনগুলো সিল্কে আসতে শুরু করবে অর্থাৎ কাচটি হবে পজিটিভ বা ধনাত্মক চার্জযুক্ত আর সিল্কটি হবে নেগেটিভ চার্জযুক্ত। কারণ ইলেকট্রনের জন্য কাচের যত আসক্তি সিল্কের

Figure: চিত্র ১০.০২: কাচকে সিল্ক দিয়ে এবং প্লাস্টিককে ফ্লানেল দিয়ে ঘষে পজিটিভ ও নেগেটিভ চার্জ গঠন করা যায়।

লেবেল: কাচ, সিল্ক, ফ্লানেল, প্লাস্টিক বর্ণনা: বাঁ দিকে একটি কাচের দণ্ড হাতে ধরা, যাকে একটি হলুদ সিল্ক কাপড় দিয়ে ঘষা হচ্ছে। ডান দিকে একটি প্লাস্টিকের দণ্ড হাতে ধরা, যাকে একটি গোলাপি ফ্লানেল কাপড় দিয়ে ঘষা হচ্ছে।

আসক্তি তার থেকে বেশি। আবার যদি এক টুকরো প্লাস্টিককে ফ্লানেল (বা পশমি কাপড়) দিয়ে ঘষা হয় তাহলে ফ্লানেল থেকে ইলেকট্রন চলে আসবে প্লাস্টিকের টুকরোতে। কারণ ইলেকট্রনের জন্য প্লাস্টিকের আকর্ষণ ফ্লানেল থেকে বেশি।

এবারে আমরা একটা এক্সপেরিমেন্ট করতে পারি। ধরা যাক কাচ এবং সিল্ক ব্যবহার করে আমরা দুই টুকরো কাচকে পজিটিভ চার্জ দিয়ে আহিত করেছি। এখন একটাকে যদি সাবধানে একটা বিদ্যুৎ অপরিবাহী সিল্কের সুতা দিয়ে ঝুলিয়ে দিয়ে তার কাছে অন্যটা নিয়ে আসি, তাহলে দেখবে ঝুলন্ত কাচের টুকরোটি বিকর্ষিত হয়ে সরে যাচ্ছে। (চিত্র ১০.০৩)

আমরা যদি একইভাবে দুই টুকরো প্লাস্টিককে নেগেটিভ চার্জ দিয়ে আহিত করে একটাকে সিল্কের সুতা দিয়ে বেঁধে ঝুলিয়ে দিই এবং অন্যটা তার কাছে নিয়ে আসি তাহলে আমরা দেখব, একটা আরেকটাকে বিকর্ষণ করছে। এবারে যদি প্লাস্টিকের দণ্ডটা যখন ঝুলে আছে তখন তার কাছে পজিটিভ চার্জে আহিত কাচের দণ্ডটা নিয়ে আসি তখন দেখব একটা আরেকটাকে আকর্ষণ করছে।

আমরা যখন মহাকর্ষ বল পড়েছি তখন দেখেছি সেখানে শুধু একরকম বল বা আকর্ষণ বল থাকে। এর কারণ ভর শুধু এক রকমের হয়। ঋণাত্মক ভর বলে কিছু নাই। এখন আমরা দেখছি এখানে দুই রকম চার্জ এবং বলটিও দুই রকম, কখনো আকর্ষণ কখনো বিকর্ষণ। এক্সপেরিমেন্টটা যদি

Printed page 275

ঠিকভাবে করে থাকি তাহলে দেখতে পাব একই ধরনের চার্জ একে অন্যকে বিকর্ষণ করে এবং ভিন্ন ভিন্ন চার্জ একে অন্যকে আকর্ষণ করে।

Figure: চিত্র ১০.০৩: একই ধরনের চার্জ বিকর্ষণ করে এবং বিপরীত ধরনের চার্জ আকর্ষণ করে।

বর্ণনা: তিনটি চিত্রে একটি ঝুলন্ত দণ্ড এবং তার কাছে আনা একটি হাতে-ধরা দণ্ড দেখানো হয়েছে। প্রথম ও দ্বিতীয় চিত্রে দুটি দণ্ডে একই ধরনের চার্জ (+ বা −) চিহ্নিত, তীর দিয়ে ঝুলন্ত দণ্ডটি সরে যাওয়া দেখানো হয়েছে। তৃতীয় চিত্রে ঝুলন্ত দণ্ডে − এবং হাতের দণ্ডে + চিহ্নিত, তীর দিয়ে দুটি দণ্ডের একে অন্যের দিকে আসা দেখানো হয়েছে।