Physics chapter 12: Magnetic Effects of Current

দ্বাদশ অধ্যায়

বিদ্যুতের চৌম্বক ক্রিয়া

(Magnetic Effects of Current)

Figure: কুলিয়ারচরে আয়োজিত পৃথিবীর সবচেয়ে বড় প্র্যাক্টিক্যাল ক্লাসে ছেলেমেয়েরা বৈদ্যুতিক চুম্বক তৈরি করছে।

আমরা সবাই আমাদের জীবনে কখনো না কখনো চুম্বকের আকর্ষণ এবং বিকর্ষণ দেখে চমৎকৃত হয়েছি। আপাতদৃষ্টিতে চৌম্বকত্ব এবং বিদ্যুৎপ্রবাহকে পুরোপুরি ভিন্ন দুটি বিষয় বলে মনে হলেও এই দুটোই যে একই শক্তির ভিন্ন রূপ সেটি এই অধ্যায়ে আলোচনা করা হবে। আমরা দেখব বিদ্যুতের প্রবাহ হলে যেরকম চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি হতে পারে ঠিক সেরকম চৌম্বক ক্ষেত্রকে পরিবর্তন করে বিদ্যুৎ প্রবাহ করা যেতে পারে।

এই অধ্যায়ে বিদ্যুতের চৌম্বক ক্রিয়ার সাথে সাথে কীভাবে চুম্বক এবং বিদ্যুৎকে ব্যবহার করে নানা ধরনের যন্ত্রপাতি তৈরি করা হয় এবং ব্যবহার করা হয় সেই বিষয়গুলোও আলোচনা করা হয়েছে।

Printed page 330

এ অধ্যায় শেষে আমরা –

• তড়িৎপ্রবাহের চৌম্বক ক্রিয়া ব্যাখ্যা করতে পারব।
• তড়িৎচৌম্বক আবেশ ব্যাখ্যা করতে পারব।
• আবিষ্ট তড়িৎপ্রবাহ ও আবিষ্ট তড়িচ্চালক শক্তি ব্যাখ্যা করতে পারব।
• মোটর ও জেনারেটরের মূলনীতি ব্যাখ্যা করতে পারব।
• ট্রান্সফর্মারের মূলনীতি ব্যাখ্যা করতে পারব।
• স্টেপ আপ ও স্টেপ ডাউন ট্রান্সফর্মারের কার্যপ্রণালি ব্যাখ্যা করতে পারব।
• আমাদের জীবনে তড়িতের নানারূপের ব্যবহার ও এর অবদানকে প্রশংসা করতে পারব।

Printed page 331

১২.১ চুম্বক (Magnet)

তোমরা সবাই নিশ্চয়ই চুম্বক দেখেছ, একটা চুম্বক লোহাজাতীয় পদার্থের কাছে আনলে সেটা লোহাকে আকর্ষণ করে। চুম্বক এবং লোহার মাঝখানে কিছু নেই; কিন্তু একটা অদৃশ্য বল সেটাকে টেনে আনছে। সেটি প্রথমবার দেখার পর সবারই এক ধরনের বিস্ময় হয়। যারা দুটি চুম্বক হাতে নিয়ে নাড়াচাড়া করার সুযোগ পেয়েছ তারা নিশ্চয়ই লক্ষ করেছ (চিত্র ১২.০১) যে চুম্বকের দুটি মেরু আছে

Figure: চিত্র১২.০১: চুম্বকের বিপরীত মেরুতে আকর্ষণ ও সমমেরুতে বিকর্ষণ হয়।

লেবেল: S, N, N, S, N বর্ণনা: দুটি ঝুলন্ত চুম্বক দেখানো হয়েছে, প্রতিটির কাছে হাতে ধরা একটি করে চুম্বক। বাঁদিকে হাতের চুম্বকের N মেরু ঝুলন্ত চুম্বকের দিকে আনা হচ্ছে, ডানদিকে হাতের চুম্বকের N মেরু ঝুলন্ত চুম্বকের দিক থেকে সরানো হচ্ছে। গতির দিক তীর চিহ্ন দিয়ে দেখানো হয়েছে।

যদি দুইটি চুম্বকের কাছাকাছি নিয়ে আনা মেরু দুটি একই ধরনের হয়ে থাকে তাহলে তারা পরস্পর বিকর্ষণ করে; আর মেরু দুটি যদি ভিন্ন ধরনের হয় তাহলে তারা পরস্পর আকর্ষণ করে। চুম্বকের মেরু দুটিকে উত্তর আর দক্ষিণ মেরু নাম দেওয়া হয়েছে। কারণ দেখা গেছে একটা চুম্বককে মুক্তভাবে ঝুলিয়ে দিলে সেটা উত্তর-দক্ষিণ বরাবর থাকে। যে অংশটুকু উত্তর দিকে থাকে সেটার নাম উত্তর মেরু (বা উত্তরসন্ধানী মেরু) যেটা দক্ষিণ দিক বরাবর থাকে সেটা দক্ষিণ মেরু (দক্ষিণ সন্ধানী মেরু)। এটা ঘটে তার কারণ পৃথিবীর একটা চৌম্বক ক্ষেত্র রয়েছে। কোনো চুম্বক ঝোলালে সেই ক্ষেত্র বরাবর চুম্বকটা নিজেকে সাজিয়ে নেয়। দুটো চুম্বক কেমন করে একে অন্যকে আকর্ষণ করে আমরা সেগুলো নিয়ে আলোচনা করতেই পারি কিন্তু সবার আগে জানা দরকার চুম্বকের যে বল। সেটা আসে কোথা থেকে?

১২.২ বিদ্যুতের চৌম্বক ক্রিয়া (Magnetic Effects of Current)

যারা সাধারণভাবে চুম্বক হাতে নিয়ে নাড়াচাড়া করেছে, তারা নিশ্চয়ই কল্পনাও করতে পারবে না যে এর সাথে তড়িৎ বা বিদ্যুতের সম্পর্ক আছে এবং তড়িৎ বা বিদ্যুতের প্রবাহ দিয়ে চুম্বক তৈরি করা যায়। একটা চার্জ থাকলে তার পাশে যেমন তড়িৎ ক্ষেত্র থাকে ঠিক সে রকম একটা তারের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হলে সেই তারের চারপাশে চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি হয়। ধরা যাক তুমি একটা কার্ডবোর্ডের মাঝখান দিয়ে একটা তার ঢুকিয়েছ এবং কার্ডের ওপর অনেকগুলো ছোট ছোট কম্পাস

Printed page 332

রেখেছ (চিত্র ১২.০২)। তারের ভিতর দিয়ে কোন বিদ্যুৎপ্রবাহ না থাকলে কম্পাসগুলো অবশ্যই উত্তর-দক্ষিণ বরাবর থাকবে ঠিক যে রকম থাকার কথা। এখন যদি এই তারের ভেতর দিয়ে কোনোভাবে বিদ্যুৎ বা তড়িৎ প্রবাহিত করতে পারো (মোটামুটি শক্তিশালী) তাহলে তুমি অবাক হয়ে দেখবে হঠাৎ করে সবগুলো কম্পাসের কাঁটা একটা আরেকটার পেছনে সারিবদ্ধভাবে নিজেদের সাজিয়ে নেবে। তোমার স্পষ্ট অনুভূতি হবে যে এই বিদ্যুৎপ্রবাহের জন্য তারকে ঘিরে একটা বৃত্তাকার চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি হয়েছে।

Figure: চিত্র১২.০২: বিদ্যুৎ প্রবাহকে ঘিরে কম্পাসের দিক।

লেবেল: $I = 0$, $I \uparrow$, $I \downarrow$ বর্ণনা: তিনটি পাশাপাশি চিত্র; প্রতিটিতে একটি খাড়া তার একটি কার্ডবোর্ডের মধ্য দিয়ে গেছে এবং তারকে ঘিরে একটি বৃত্তে অনেকগুলো কম্পাস সাজানো। প্রথম চিত্রে $I = 0$, দ্বিতীয়টিতে ওপরের দিকে তীর ($I \uparrow$) এবং তৃতীয়টিতে নিচের দিকে তীর ($I \downarrow$) দিয়ে বিদ্যুৎপ্রবাহের দিক দেখানো হয়েছে।

তুমি যদি বিদ্যুৎপ্রবাহ বন্ধ করে দাও তাহলে আবার সবগুলো ছোট ছোট কম্পাসের কাঁটা উত্তর-দক্ষিণ বরাবর হয়ে যাবে। এবারে তুমি যদি বিদ্যুৎপ্রবাহের দিক পাল্টে দাও তাহলে দেখবে আবার কম্পাসগুলো নিজেদের সাজিয়ে নেবে কিন্তু এবারের বৃত্তটিতে কম্পাসের দিকটা হবে উল্টো দিকে। তার কারণ বিদ্যুৎ প্রবাহ সব সময় তাকে ঘিরে একটা নির্দিষ্ট দিকে চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি করে। চৌম্বক ক্ষেত্রের কোন

Figure: চিত্র১২.০৩: বিদ্যুৎপ্রবাহকে ঘিরে তৈরি চৌম্বক ক্ষেত্রের দিক নির্ণয়ের ডানহাতি নিয়ম।

লেবেল: চৌম্বক ক্ষেত্র, বিদ্যুৎপ্রবাহ, ii. বিদ্যুৎপ্রবাহ বর্ণনা: দুটি পাশাপাশি চিত্রে একটি খাড়া তার দেখানো হয়েছে। বাঁদিকের চিত্রে তারের ওপরের দিকে বিদ্যুৎপ্রবাহ (উপরে তীর) এবং ডান হাতের বুড়ো আঙুল উপরের দিকে রেখে তারকে ধরা হয়েছে; ডানদিকের চিত্রে বিদ্যুৎপ্রবাহ নিচের দিকে (নিচে তীর) এবং বুড়ো আঙুল নিচের দিকে রেখে তারকে ধরা হয়েছে। প্রতি চিত্রে তারের ওপরের অংশে চৌম্বক ক্ষেত্রের বৃত্তাকার রেখা দেখানো হয়েছে।

Printed page 333

একটা তারের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হলে তার জন্য তৈরি হওয়া চৌম্বক বলরেখাগুলোর দিক কোন দিকে হবে সেটা ডান হাতের নিয়ম দিয়ে বের করা যায়। বুড়ো আঙুলটা যদি বিদ্যুৎপ্রবাহের দিক দেখায় তাহলে হাতের অন্য আঙুলগুলো চৌম্বক ক্ষেত্রের দিকটি নির্দেশ করে (চিত্র ১২.০৩)।

বিন্দুতে ক্ষেত্র বরাবর আমরা কতকগুলো রেখা কল্পনা করতে পারি, যাদের চৌম্বক বলরেখা বলে। এর সাথে তোমরা বৈদ্যুতিক বলরেখার তুলনা করতে পারো। তাদের পার্থক্য হলো যে চৌম্বক বলরেখাসমূহ সবসময় আবদ্ধ হয় কিন্তু বৈদ্যুতিক বলরেখাসমূহ ধনাত্মক চার্জে শুরু হয়ে ঋণাত্মক চার্জে শেষ হয়।

নিজে করো

তোমার ঘরের এক মাথা থেকে অন্য মাথায় ইলেকট্রনের রশ্মিগুচ্ছ পাঠাতে গিয়ে যদি দেখো সেটা উপরে উঠে যাচ্ছে তাহলে তুমি কী ব্যাখ্যা দেবে?

উদাহরণ

প্রশ্ন: ১২.০৪ চিত্রে দেখানো উপায়ে বিদ্যুৎ বইয়ের ভেতর থেকে উপরের দিকে যাচ্ছে, চৌম্বক ক্ষেত্র কোনটি সঠিক?

উত্তর: বাম দিকেরটি সঠিক।

Figure: চিত্র ১২.০৪ : বিদ্যুৎপ্রবাহী তারকে ঘিরে চৌম্বক ক্ষেত্র। কোনটি সঠিক?

বর্ণনা: দুটি চিত্রে একটি বিদ্যুৎপ্রবাহী তারকে কেন্দ্র করে একাধিক বৃত্তাকার চৌম্বক বলরেখা দেখানো হয়েছে; তারের অবস্থান কেন্দ্রে একটি বিন্দু দিয়ে চিহ্নিত এবং বলরেখার তীরচিহ্নগুলো বাম ও ডান চিত্রে বিপরীত দিকে নির্দেশিত।

১২.২.১ সলিনয়েড (Solenoid)

একটা তার যদি সোজা থাকে এবং তার ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎপ্রবাহ হলে চৌম্বক বলরেখা কেমন হয় সেটা ১২.০৩ চিত্রে দেখানো হয়েছিল। যদি তারটা সোজা না হয়ে বৃত্তাকার হয় তাহলে চৌম্বক বলরেখা কেমন হবে? ১২.০৫ চিত্রে সেটা দেখানো হয়েছে। বুঝতেই পারছ বিদ্যুৎপ্রবাহ যত বেশি হবে, চৌম্বক ক্ষেত্রটি তত শক্তিশালী হবে। একটা তারের ভেতর দিয়ে কতখানি বিদ্যুৎ প্রবাহিত করা যায় তার একটা সীমা আছে, তারটা $I^2R$ হিসেবে গরম হয়ে যায় তা ছাড়াও সবচেয়ে বেশি কতখানি বিদ্যুৎ প্রবাহ দেওয়া সম্ভব সেটা বিদ্যুতের উৎসের ওপর নির্ভর করে। তাই যদি শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি করতে হয় তাহলে একটা মাত্র বৃত্তাকার লুপ-এর ওপর নির্ভর না করে অপরিবাহী আস্তরণ দিয়ে ঢাকা তার দিয়ে অনেকবার প্যাঁচিয়ে

Printed page 334

একটা কুণ্ডলী বা কয়েল তৈরি করা হয়। এরকম কুণ্ডলীকে বলে সলিনয়েড। সেই কুণ্ডলী দিয়ে শক্তিশালী চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি করা যায়। কয়েলের প্রত্যেকটা লুপই তার ভেতর দিয়ে প্রবাহিত বিদ্যুতের জন্য চৌম্বক ক্ষেত্র তৈরি করবে, তাই সম্মিলিত চৌম্বক ক্ষেত্র হবে অনেক বেশি।

Figure: চিত্র ১২.০৫: লুপের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎপ্রবাহের কারণে তৈরি চৌম্বক ক্ষেত্র।

লেবেল: I, I বর্ণনা: একটি বৃত্তাকার তারের লুপ দেখানো হয়েছে; তারের দুই প্রান্ত নিচের দিকে বেরিয়ে আছে এবং প্রান্তে তীরচিহ্নসহ I লেখা আছে। লুপের চারপাশে ও ভেতর দিয়ে চৌম্বক বলরেখা আঁকা হয়েছে; লুপের একটি দিকে তীরচিহ্ন দিয়ে ক্ষেত্রের দিক দেখানো হয়েছে।

Figure: চিত্র ১২.০৬: লুপের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎপ্রবাহ করলে ডান হাতের নিয়ম ব্যবহার করে।

লেবেল: বিদ্যুৎ প্রবাহ, চৌম্বক ক্ষেত্র বর্ণনা: একটি ডান হাতের চিত্র দেখানো হয়েছে যার বুড়ো আঙুল ডান দিকে প্রসারিত এবং অন্য আঙুলগুলো বাঁকানো; উপরে একটি বৃত্তাকার তীরচিহ্ন বিদ্যুৎপ্রবাহের দিক এবং বুড়ো আঙুলের দিকে তীরচিহ্ন চৌম্বক ক্ষেত্রের দিক নির্দেশ করে।

বৃত্তাকার তারের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হলে তার চৌম্বক ক্ষেত্র কোন দিকে হবে সেটাও ডান হাতের নিয়ম দিয়ে বের করা যায়। বুড়ো আঙুলটি হবে চৌম্বক ক্ষেত্রের দিক যদি অন্য আঙুলগুলো বিদ্যুৎ প্রবাহের দিক দেখায় (চিত্র ১২.০৬)। একটা তারের কুণ্ডলী বা সলিনয়েড আসলে দণ্ড চুম্বকের মতো কাজ করে এবং বুড়ো আঙুলের দিকটা হবে এই চুম্বকের উত্তর মেরু।

একটা তারের ভেতর দিয়ে বিদ্যুৎ প্রবাহিত হলে তার জন্য তৈরি হওয়া চৌম্বক বলরেখাগুলোর দিক কোন দিকে হবে সেটা ডান হাতের নিয়ম দিয়ে বের করা যায়। বুড়ো আঙুলটা যদি বিদ্যুৎপ্রবাহের দিক দেখায়, তাহলে হাতের অন্য আঙুলগুলো চৌম্বক ক্ষেত্রের দিকটি নির্দেশ করে।