भौतिकी (Physics) – अध्याय 17 :- चुम्बकत्व (Magnetism)

चुम्बकत्व (Magnetism) – संपूर्ण नोट्स

परिचय

चुम्बकत्व (Magnetism) भौतिकी की एक महत्वपूर्ण शाखा है, जो चुम्बकीय पदार्थों के गुणों और उनके आपसी प्रभावों का अध्ययन करती है। चुम्बक वह पदार्थ है, जो लोहे, निकल और कोबाल्ट जैसी धातुओं को अपनी ओर आकर्षित करता है। यह आकर्षण शक्ति चुम्बक के ध्रुवों पर सर्वाधिक होती है।

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चुम्बक के प्रकार

चुम्बकों को मुख्यतः दो प्रकारों में विभाजित किया जाता है:

1. प्राकृतिक चुम्बक
   • यह स्वाभाविक रूप से पाई जाने वाली चट्टानों या खनिजों में होता है।
   • सबसे प्रमुख प्राकृतिक चुम्बक लोहे का आक्साइड (Fe₃O₄) है, जिसे मैग्नेटाइट भी कहते हैं।
   • इसका कोई निश्चित आकार नहीं होता है।
2. कृत्रिम चुम्बक
   • यह मानव द्वारा निर्मित होता है।
   • लोहे, इस्पात, कोबाल्ट आदि से बनाया जाता है।
   • यह विभिन्न आकृतियों में पाया जाता है, जैसे – छड़ चुम्बक, घोड़ानाल चुम्बक, चुम्बकीय सुई आदि।

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चुम्बकत्व का मूल सिद्धांत

चुम्बक की वह विशेषता जिससे वह लोहे जैसे धातुओं को आकर्षित करता है, चुम्बकत्व कहलाती है। चुम्बक के सिरों पर चुम्बकीय शक्ति सर्वाधिक होती है, और इन्हें चुम्बकीय ध्रुव (Magnetic Poles) कहा जाता है।

1. ध्रुवों का नियम
   • चुम्बक के दो ध्रुव होते हैं:
     • उत्तर ध्रुव (North Pole, N)
     • दक्षिण ध्रुव (South Pole, S)
   • समान ध्रुव एक-दूसरे को प्रतिकर्षित (दूर) करते हैं।
   • असमान ध्रुव एक-दूसरे को आकर्षित (पास) करते हैं।
2. चुम्बकीय अक्ष
   • चुम्बक के दोनों ध्रुवों को जोड़ने वाली काल्पनिक रेखा को चुम्बकीय अक्ष कहते हैं।
3. परिणामी ध्रुव
   • यदि किसी चुम्बक का तीसरा ध्रुव होता है, तो इसे परिणामी ध्रुव कहते हैं।

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चुम्बकीय क्षेत्र (Magnetic Field)

चुम्बक के चारों ओर एक अदृश्य क्षेत्र होता है, जिसे चुम्बकीय क्षेत्र कहा जाता है। यह क्षेत्र चुम्बकीय बल रेखाओं द्वारा दर्शाया जाता है।

चुम्बकीय बल रेखाएँ (Magnetic Field Lines) के गुण:

• ये रेखाएँ उत्तर ध्रुव से दक्षिण ध्रुव की ओर बाहर की ओर जाती हैं।
• ये कभी एक-दूसरे को नहीं काटतीं।
• चुम्बक के निकट बल रेखाओं की सघनता अधिक होती है, जिससे यह संकेत मिलता है कि वहाँ बल अधिक है।

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चुम्बकीय प्रेरण (Magnetic Induction)

जब कोई चुम्बकीय पदार्थ (जैसे लोहे की कील) किसी चुम्बक के निकट लाया जाता है, तो वह स्वयं चुम्बकीय गुण प्राप्त कर लेता है। इस प्रक्रिया को चुम्बकीय प्रेरण (Magnetic Induction) कहते हैं।

उदाहरण:

• यदि लोहे की कील को किसी चुम्बक से स्पर्श कराएँ, तो वह भी कुछ समय के लिए चुम्बक बन जाती है।

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चुम्बकीय पदार्थों के प्रकार

1. नैसर्गिक चुम्बकीय पदार्थ (Ferromagnetic Substances):
   • लोहे, कोबाल्ट और निकल जैसे पदार्थ इनमें आते हैं।
   • इन पदार्थों में चुम्बकीय गुण प्रबल होते हैं।
2. अलौह चुम्बकीय पदार्थ (Non-Ferromagnetic Substances):
   • तांबा, एल्युमिनियम, लकड़ी और प्लास्टिक जैसे पदार्थ इनमें आते हैं।
   • इनमें चुम्बकीय गुण नहीं होते हैं।

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चुम्बक का उपयोग

चुम्बक का उपयोग विभिन्न क्षेत्रों में किया जाता है, जैसे:

1. इलेक्ट्रॉनिक्स में:
   • विद्युत मोटरों, ट्रांसफार्मरों और जनरेटर में चुम्बक का उपयोग किया जाता है।
   • टीवी, रेडियो और लाउडस्पीकर में भी चुम्बकीय सिद्धांत का उपयोग होता है।
2. चिकित्सा क्षेत्र में:
   • MRI (Magnetic Resonance Imaging) स्कैनिंग में चुम्बक का उपयोग किया जाता है।
   • चुंबकीय चिकित्सा (Magnet Therapy) में भी इसका प्रयोग किया जाता है।
3. औद्योगिक क्षेत्र में:
   • भारी मशीनों को उठाने के लिए विद्युत चुम्बक (Electromagnet) का प्रयोग किया जाता है।
   • धातुओं को अलग करने में भी इसका उपयोग किया जाता है।
4. वैज्ञानिक अनुसंधानों में:
   • चुम्बकीय क्षेत्र का उपयोग अनुसंधान प्रयोगशालाओं में किया जाता है।
   • कण त्वरक (Particle Accelerator) में भी चुम्बकीय क्षेत्र का प्रयोग होता है।

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विद्युत चुम्बक (Electromagnet) और स्थायी चुम्बक (Permanent Magnet)

1. विद्युत चुम्बक:
   • जब किसी कुंडली में विद्युत धारा प्रवाहित की जाती है, तो उसमें चुम्बकीय गुण उत्पन्न हो जाते हैं।
   • यह एक अस्थायी चुम्बक होता है, जो विद्युत धारा बंद होते ही अपना चुम्बकीय गुण खो देता है।
2. स्थायी चुम्बक:
   • यह एक ऐसा चुम्बक होता है, जो अपने चुम्बकीय गुणों को लंबे समय तक बनाए रखता है।
   • स्टील, एल्निको और नियोडायमियम से बने चुम्बक स्थायी चुम्बक होते हैं।

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चुंबकत्व से संबंधित महत्वपूर्ण टॉपिक्स

1. चुंबकीय क्षेत्र (Magnetic Field)

चुंबकीय क्षेत्र उस क्षेत्र को कहते हैं जहाँ किसी चुंबक का प्रभाव महसूस किया जाता है। यह क्षेत्र अदृश्य होता है, लेकिन लोहे के बुरादे जैसी सामग्री के माध्यम से इसे देखा जा सकता है। चुंबकीय क्षेत्र को B\mathbf{B} द्वारा दर्शाया जाता है, और इसकी इकाई टेस्ला (Tesla, T) होती है।

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2. चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता (Magnetic Field Intensity)

चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता उस बल को दर्शाती है जो किसी चुंबकीय पदार्थ पर कार्य करता है। इसे H\mathbf{H} द्वारा दर्शाया जाता है और इसकी इकाई एम्पीयर प्रति मीटर (A/m) होती है। यह किसी भी बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की शक्ति को मापने का एक पैमाना होता है।

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3. चुंबकीय बल रेखाएं (Magnetic Field Lines)

चुंबकीय बल रेखाएं उन काल्पनिक रेखाओं को कहते हैं जो चुंबकीय क्षेत्र की दिशा को दर्शाती हैं। यह रेखाएं चुंबक के उत्तर ध्रुव से निकलती हैं और दक्षिण ध्रुव में प्रवेश करती हैं।

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4. चुंबकीय बल रेखाओं के गुण

1. चुंबकीय बल रेखाएं उत्तर ध्रुव से दक्षिण ध्रुव की ओर बाहर जाती हैं।
2. बल रेखाएं आपस में कभी नहीं काटतीं।
3. जहाँ चुंबकीय क्षेत्र अधिक तीव्र होता है, वहाँ बल रेखाओं की सघनता अधिक होती है।
4. समान ध्रुवों के बीच बल रेखाएं दूर-दूर होती हैं, जबकि विपरीत ध्रुवों के बीच सघन होती हैं।
5. किसी चुंबकीय पदार्थ के अंदर, बल रेखाएं दक्षिण ध्रुव से उत्तर ध्रुव की ओर जाती हैं।

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5. चुंबकीय पदार्थ (Magnetic Substances)

वे पदार्थ जो चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर चुम्बकीय गुण प्रदर्शित करते हैं, चुंबकीय पदार्थ कहलाते हैं। इन्हें तीन प्रकारों में विभाजित किया जाता है:

1. प्रति-चुंबकीय पदार्थ (Diamagnetic Substances)
2. अनु-चुंबकीय पदार्थ (Paramagnetic Substances)
3. लोह-चुंबकीय पदार्थ (Ferromagnetic Substances)

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6. प्रति-चुंबकीय पदार्थ (Diamagnetic Substances)

• ये वे पदार्थ होते हैं जो बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में बहुत ही कमजोर चुंबकीय प्रभाव दिखाते हैं और चुंबकीय क्षेत्र की विपरीत दिशा में चुंबकित होते हैं।
• इनमें कोई स्थायी चुंबकीय गुण नहीं होता।
• उदाहरण: तांबा (Cu), चांदी (Ag), सोना (Au), जस्ता (Zn), पानी, बिस्मथ (Bi), हाइड्रोजन गैस।
• बाहरी चुंबकीय क्षेत्र समाप्त होने पर ये पदार्थ अपने चुंबकीय गुण खो देते हैं।

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7. अनु-चुंबकीय पदार्थ (Paramagnetic Substances)

• ये पदार्थ बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में थोड़ा सा चुंबकित होते हैं और चुंबकीय क्षेत्र की दिशा में ही चुंबकित होते हैं।
• बाहरी चुंबकीय क्षेत्र हटाने पर ये अपने चुंबकीय गुण खो देते हैं।
• उदाहरण: एलुमिनियम (Al), प्लैटिनम (Pt), टंगस्टन (W), ऑक्सीजन गैस, मैंगनीज (Mn)।

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8. लोह-चुंबकीय पदार्थ (Ferromagnetic Substances)

• ये पदार्थ बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में अत्यधिक चुंबकित हो जाते हैं और यह गुण स्थायी रूप से प्राप्त कर सकते हैं।
• इन पदार्थों में छोटे-छोटे चुंबकीय क्षेत्र (डोमेन) होते हैं, जो चुंबकीय क्षेत्र की अनुपस्थिति में भी संगठित रह सकते हैं।
• उदाहरण: लोहा (Fe), कोबाल्ट (Co), निकल (Ni), स्टील, फेराइट्स।

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9. डोमेन (Magnetic Domains)

• लोह-चुंबकीय पदार्थों में चुंबकीय प्रभाव डोमेन संरचना के कारण होता है।
• डोमेन छोटे-छोटे चुंबकीय क्षेत्र होते हैं, जिनमें चुंबकीय परमाणु एक ही दिशा में चुंबकित होते हैं।
• जब किसी लोह-चुंबकीय पदार्थ पर बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो ये सभी डोमेन एक ही दिशा में संगठित हो जाते हैं, जिससे पदार्थ एक स्थायी चुंबक बन जाता है।

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10. क्यूरी ताप (Curie Temperature)

• क्यूरी ताप वह तापमान है, जिसके ऊपर कोई लोह-चुंबकीय पदार्थ अपना चुंबकीय गुण खो देता है और अनु-चुंबकीय बन जाता है।
• उदाहरण:
  • लोहा (Fe) का क्यूरी ताप 770°C
  • निकल (Ni) का क्यूरी ताप 358°C
  • कोबाल्ट (Co) का क्यूरी ताप 1120°C

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11. भू-चुंबकत्व (Geomagnetism)

• पृथ्वी स्वयं एक विशाल चुंबक की तरह व्यवहार करती है।
• पृथ्वी का चुंबकीय उत्तर ध्रुव भौगोलिक दक्षिण ध्रुव के पास स्थित होता है और चुंबकीय दक्षिण ध्रुव भौगोलिक उत्तर ध्रुव के पास स्थित होता है।
• पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र पृथ्वी के लौह-निकल मिश्रण वाले कोर से उत्पन्न होता है।

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12. दीकपात कोण (Angle of Declination)

• यह वह कोण होता है जो चुंबकीय उत्तर-दक्षिण दिशा और भौगोलिक उत्तर-दक्षिण दिशा के बीच बनता है।
• पृथ्वी के विभिन्न स्थानों पर दीकपात कोण अलग-अलग होता है।

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13. नमन कोण (Angle of Dip or Magnetic Inclination)

• यह वह कोण होता है जो चुंबकीय बल रेखाएं क्षैतिज तल के साथ बनाती हैं।
• नमन कोण चुंबकीय अक्ष पर अधिकतम (90°) होता है और चुंबकीय विषुवत रेखा (Magnetic Equator) पर शून्य (0°) होता है।

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14. चुंबकीय क्षेत्र के क्षैतिज घटक (Horizontal Component of Magnetic Field, BHB_H)

• चुंबकीय क्षेत्र (B) का एक क्षैतिज घटक होता है, जिसे B_H द्वारा दर्शाया जाता है।
• यह चुंबकीय क्षेत्र का वह अंश है जो क्षैतिज दिशा में कार्य करता है।
• इसे सूत्र द्वारा व्यक्त किया जाता है: B_H=Bcos⁡δ जहाँ δ नमन कोण (Angle of Dip) है।

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चुंबकत्व (Magnetism) पर 50 वस्तुनिष्ठ प्रश्न उत्तर सहित

भाग 1: चुंबकत्व और चुंबकीय क्षेत्र

1. प्राकृतिक चुंबक किसका ऑक्साइड होता है?
   उत्तर: लोहा (Fe₃O₄)
2. किस वैज्ञानिक ने सबसे पहले चुंबकत्व की खोज की थी?
   उत्तर: विलियम गिल्बर्ट
3. चुंबकीय बल रेखाएँ कहाँ से कहाँ जाती हैं?
   उत्तर: उत्तर ध्रुव से दक्षिण ध्रुव (बाहरी रूप से)
4. किसी चुंबक के किन बिंदुओं पर चुंबकीय प्रभाव अधिकतम होता है?
   उत्तर: ध्रुवों पर
5. चुंबकीय क्षेत्र की इकाई क्या है?
   उत्तर: टेस्ला (T)
6. किसी चुंबकीय क्षेत्र की दिशा किसके द्वारा निर्धारित की जाती है?
   उत्तर: उत्तरी ध्रुव से दक्षिणी ध्रुव की ओर
7. समान ध्रुवों के बीच क्या होता है?
   उत्तर: प्रतिकर्षण
8. असमान ध्रुवों के बीच क्या होता है?
   उत्तर: आकर्षण
9. चुंबकीय क्षेत्र की SI मात्रक प्रणाली में इकाई क्या होती है?
   उत्तर: टेस्ला (Tesla)
10. पृथ्वी का चुंबकीय उत्तर ध्रुव कहाँ स्थित होता है?
    उत्तर: भौगोलिक दक्षिण ध्रुव के पास

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भाग 2: चुंबकीय पदार्थों के प्रकार

11. कौन-सा पदार्थ प्रति-चुंबकीय है?
    उत्तर: बिस्मथ (Bi)
12. कौन-सा पदार्थ अनु-चुंबकीय है?
    उत्तर: एलुमिनियम (Al)
13. कौन-सा पदार्थ लोह-चुंबकीय है?
    उत्तर: लोहा (Fe)
14. चुंबकीय गुण के आधार पर पदार्थों को कितने भागों में विभाजित किया गया है?
    उत्तर: तीन (प्रति-चुंबकीय, अनु-चुंबकीय, लोह-चुंबकीय)
15. किस पदार्थ में चुंबकीय डोमेन पाए जाते हैं?
    उत्तर: लोह-चुंबकीय पदार्थ
16. कोबाल्ट किस प्रकार का चुंबकीय पदार्थ है?
    उत्तर: लोह-चुंबकीय
17. किस प्रकार के चुंबकीय पदार्थ चुंबकीय क्षेत्र के विपरीत चुंबकित होते हैं?
    उत्तर: प्रति-चुंबकीय
18. मैग्नेटाइट किसका प्राकृतिक रूप है?
    उत्तर: लोहा (Fe₃O₄)
19. चुंबकीय डोमेन सिद्धांत किसके चुंबकीय गुणों की व्याख्या करता है?
    उत्तर: लोह-चुंबकीय पदार्थ
20. जब किसी लोह-चुंबकीय पदार्थ को गरम किया जाता है, तो वह किस प्रकार का पदार्थ बन जाता है?
    उत्तर: अनु-चुंबकीय

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भाग 3: चुंबकीय बल रेखाएँ और उनके गुण

21. चुंबकीय बल रेखाएँ आपस में कब मिलती हैं?
    उत्तर: कभी नहीं
22. किस स्थान पर चुंबकीय क्षेत्र शून्य होता है?
    उत्तर: चुंबक के मध्य भाग में
23. पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र की उत्पत्ति का कारण क्या है?
    उत्तर: पृथ्वी के कोर में उपस्थित घूर्णनशील लोहा और निकल
24. चुंबकीय बल रेखाएँ किस दिशा में प्रवाहित होती हैं?
    उत्तर: उत्तरी ध्रुव से दक्षिणी ध्रुव की ओर
25. चुंबकीय बल रेखाओं का घनत्व किस पर निर्भर करता है?
    उत्तर: चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता पर
26. समान ध्रुवों के बीच बल रेखाएँ कैसी होती हैं?
    उत्तर: परस्पर अपसारित
27. असमान ध्रुवों के बीच बल रेखाएँ कैसी होती हैं?
    उत्तर: परस्पर आकर्षित
28. चुम्बकीय क्षेत्र का घनत्व किसे प्रभावित करता है?
    उत्तर: चुंबकीय बल की तीव्रता को
29. चुंबकीय बल रेखाएँ कहाँ सबसे अधिक सघन होती हैं?
    उत्तर: चुंबक के ध्रुवों पर
30. चुंबकीय क्षेत्र किस प्रकार की राशि है?
    उत्तर: सदिश (Vector)

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भाग 4: भू-चुंबकत्व और क्यूरी ताप

31. क्यूरी ताप किससे संबंधित है?
    उत्तर: चुंबकीय गुण खोने का तापमान
32. लोहा का क्यूरी ताप कितना होता है?
    उत्तर: 770°C
33. कोबाल्ट का क्यूरी ताप कितना होता है?
    उत्तर: 1120°C
34. भू-चुंबकीय अक्ष और भौगोलिक अक्ष के बीच का कोण क्या कहलाता है?
    उत्तर: दीकपात कोण (Angle of Declination)
35. पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र कहाँ सबसे अधिक तीव्र होता है?
    उत्तर: ध्रुवों पर
36. पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र की खोज किसने की थी?
    उत्तर: विलियम गिल्बर्ट
37. नमन कोण (Angle of Dip) कहाँ अधिकतम होता है?
    उत्तर: चुंबकीय ध्रुवों पर (90°)
38. नमन कोण (Angle of Dip) कहाँ न्यूनतम होता है?
    उत्तर: चुंबकीय विषुवत रेखा (0°)
39. पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र की दिशा क्या होती है?
    उत्तर: दक्षिण से उत्तर की ओर (आंतरिक रूप से)
40. किस यंत्र से पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र को मापा जाता है?
    उत्तर: फ्लक्स मीटर

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भाग 5: अन्य महत्वपूर्ण प्रश्न

41. किसी पदार्थ की चुंबकीय प्रवृत्ति को किसके द्वारा मापा जाता है?
    उत्तर: चुंबकीय गुणांक (Magnetic Susceptibility)
42. चुम्बकीय क्षेत्र को बढ़ाने के लिए किस पदार्थ का उपयोग किया जाता है?
    उत्तर: फेराइट्स
43. स्थायी चुंबक बनाने के लिए किस पदार्थ का उपयोग किया जाता है?
    उत्तर: स्टील
44. विद्युत चुम्बक का निर्माण किसके द्वारा किया जाता है?
    उत्तर: तार में प्रवाहित धारा द्वारा
45. चुंबकीय फ्लक्स की SI इकाई क्या है?
    उत्तर: वेबर (Weber)
46. किसका उपयोग इलेक्ट्रिक मोटर में किया जाता है?
    उत्तर: चुंबकीय क्षेत्र
47. चुम्बकीय बल की मात्रक क्या है?
    उत्तर: न्यूटन (N)
48. चुंबकीय क्षेत्र की दिशा को कौन-सा नियम बताता है?
    उत्तर: राइट हैंड थंब रूल
49. पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र समय के साथ बदलता है, इसे क्या कहते हैं?
    उत्तर: चुम्बकीय उत्क्रमण (Magnetic Reversal)
50. विद्युत चुंबक के कोर में कौन-सा पदार्थ भरा जाता है?
    उत्तर: लोहा (Iron)

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