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कक्षा 12 भौतिकी: विद्युत आवेश और क्षेत्र का विस्तृत वन शॉट (L1)

विद्युत आवेश (Electric Charge) की मूल अवधारणा

  • आवेश दो प्रकार के होते हैं: धनात्मक (Positive) और ऋणात्मक (Negative)।
  • यह पदार्थ का एक आंतरिक (Intrinsic) गुण है।
  • SI मात्रक: कूलॉम (C) है, जिसे एम्पियर-सेकंड (A·s) भी कहते हैं।
  • CGS मात्रक: इलेक्ट्रोस्टैटिक यूनिट (esu) या स्टैटकूलॉम।
    • 1 C = 3 × 10⁹ esu
  • आवेश को q या Q से निरूपित किया जाता है।

आवेश के महत्वपूर्ण गुण (Properties of Charge)

योगात्मकता (Additivity)

आवेश एक अदिश राशि है। किसी निकाय पर कुल आवेश, उस पर स्थित सभी आवेशों के बीजगणितीय योग के बराबर होता है।

संरक्षण (Conservation)

आवेश को न तो उत्पन्न किया जा सकता है और न ही नष्ट किया जा सकता है। यह केवल एक पिंड से दूसरे पिंड में स्थानांतरित होता है। ब्रह्मांड में कुल आवेश स्थिर रहता है।

क्वांटीकरण (Quantization)

यह सबसे महत्वपूर्ण गुण है। किसी भी पिंड पर कुल आवेश हमेशा e (एक इलेक्ट्रॉन का आवेश) का पूर्णांक गुणज (integral multiple) होता है।

  • सूत्र: q = ne जहाँ n एक पूर्णांक (0, ±1, ±2, ...) है।
  • e = 1.6 × 10⁻¹⁹ C
  • इसका अर्थ है कि आवेश हमेशा पैकेटों (packets) में स्थानांतरित होता है। आधा इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित नहीं किया जा सकता।

आवेशन की विधियाँ (Methods of Charging)

  1. घर्षण द्वारा (Friction): दो वस्तुओं को रगड़ने पर एक से दूसरी में इलेक्ट्रॉन स्थानांतरित होते हैं।

    • काँच की छड़ + रेशम (Silk): काँच की छड़ धनात्मक आवेशित हो जाती है, रेशम ऋणात्मक।
    • एबोनाइट की छड़ + फर/ऊन (Wool): एबोनाइट की छड़ ऋणात्मक आवेशित हो जाती है, फर/ऊन धनात्मक।
      • याद रखने का ट्रिक: "Ebonite Electron" यानी E से शुरू, एबोनाइट पर इलेक्ट्रॉन (ऋण) आता है।
  2. चालन द्वारा (Conduction): जब कोई आवेशित वस्तु किसी अन्य अनावेशित वस्तु को सीधे स्पर्श करती है, तो आवेश का स्थानांतरण होता है। दोनों वस्तुओं पर समान प्रकार का आवेश आ जाता है।

  3. प्रेरण द्वारा (Induction): बिना स्पर्श किए किसी अनावेशित वस्तु के एक सिरे पर विपरीत और दूसरे सिरे पर समान आवेश उत्पन्न हो जाता है।

    • प्रक्रिया:
      1. एक आवेशित वस्तु को अनावेशित वस्तु के पास लाया जाता है (स्पर्श नहीं)।
      2. अनावेशित वस्तु पर आवेशों का पृथक्करण (separation) होता है।
      3. विपरीत आवेश वाले सिरे को अर्थिंग (earthing) करके स्थायी रूप से आवेशित किया जा सकता है।

कूलॉम का नियम (Coulomb's Law)

यह नियम दो स्थिर बिंदु आवेशों के बीच लगने वाले विद्युत बल (Electrostatic Force) का वर्णन करता है।

कथन: दो बिंदु आवेशों के बीच आकर्षण या प्रतिकर्षण का बल:

  • दोनों आवेशों के परिमाण के गुणनफल के अनुक्रमानुपाती होता है।
  • उनके बीच की दूरी के वर्ग के व्युत्क्रमानुपाती होता है।

सूत्र: F = k |q₁ q₂| / r²

जहाँ:

  • k = कूलॉम नियतांक (Coulomb's constant) = 9 × 10⁹ N m² / C²
  • k को 1 / (4πε₀) के रूप में भी लिखा जाता है।
    • ε₀ = निर्वात की विद्युतशीलता (Permittivity of free space) = 8.85 × 10⁻¹² C² / N m²
  • माध्यम में: बल F' = F / K हो जाता है, जहाँ K परावैद्युतांक (Dielectric constant) है।

सदिश रूप (Vector Form):

F₁₂ = k q₁ q₂ (r₁ - r₂) / |r₁ - r₂|³

यहाँ F₁₂ आवेश q₁ पर q₂ के कारण लगने वाला बल है।

सीमाएँ:

  • यह केवल स्थिर (stationary) बिंदु आवेशों के लिए मान्य है।
  • आवेशों का विस्तार (size) उनके बीच की दूरी की तुलना में बहुत कम होना चाहिए।
  • यह 10⁻¹⁵ m (नाभिकीय आकार) से कम दूरी के लिए मान्य नहीं है, क्योंकि वहाँ प्रबल नाभिकीय बल प्रभावी होता है।

अध्यारोपण का सिद्धांत (Superposition Principle)

जब किसी आवेश पर अनेक आवेश बल लगा रहे हों, तो उस पर लगने वाला कुल बल सभी व्यक्तिगत बलों का सदिश योग होता है।

F_net = F₁ + F₂ + F₃ + ...

यह एक रैखिक नियम है। कोई भी दो आवेशों के बीच का बल तीसरे आवेश की उपस्थिति से प्रभावित नहीं होता।

विद्युत क्षेत्र (Electric Field)

परिभाषा: किसी बिंदु पर विद्युत क्षेत्र की तीव्रता (E) उस बिंदु पर रखे एकांक धनात्मक परीक्षण आवेश (q₀) पर लगने वाला बल है।

सूत्र: E = F / q₀

बिंदु आवेश के कारण विद्युत क्षेत्र:

E = kQ / r²

यहाँ Q स्रोत आवेश (source charge) है।

  • दिशा: धनात्मक आवेश से दूर की ओर, ऋणात्मक आवेश की ओर।
  • यह भी एक व्युत्क्रम वर्ग नियम (inverse square law) का पालन करता है।
  • E का SI मात्रक: न्यूटन/कूलॉम (N/C) या वोल्ट/मीटर (V/m) है।

विद्युत क्षेत्र में बल

  • यदि कोई आवेश q किसी विद्युत क्षेत्र E में रखा है, तो उस पर लगने वाला बल होता है:
F = qE
  • महत्वपूर्ण:
    • धनात्मक आवेश (q>0) पर बल विद्युत क्षेत्र की दिशा में होगा।
    • ऋणात्मक आवेश (q<0) पर बल विद्युत क्षेत्र की विपरीत दिशा में होगा।

विद्युत क्षेत्र रेखाएँ (Electric Field Lines)

ये काल्पनिक रेखाएँ हैं जो विद्युत क्षेत्र को प्रदर्शित करने के लिए बनाई जाती हैं।

गुण (Properties):

  1. ये अखंड (continuous) और चिकने (smooth) वक्र होते हैं। ये टूटती नहीं हैं।
  2. ये धनात्मक आवेश से शुरू होकर ऋणात्मक आवेश पर समाप्त होती हैं।
  3. यदि केवल एकल आवेश है, तो ये अनंत (infinity) से शुरू या समाप्त होती हैं।
  4. ये कभी बंद लूप (closed loop) नहीं बनातीं।
  5. किसी बिंदु पर क्षेत्र रेखा की स्पर्श रेखा (tangent) उस बिंदु पर विद्युत क्षेत्र की दिशा बताती है।

सारांश: यह वीडियो पूरे अध्याय की नींव रखता है, जिसमें कोर कॉन्सेप्ट को समझने और एनसीईआरटी के कठिन प्रश्नों को हल करने पर जोर दिया गया है। अगले भाग में चुंबकत्व एवं द्रव्य: आसान अध्याय, डेरिवेशन कॉपी, महत्वपूर्ण प्रश्न जैसे आगामी अध्यायों से जुड़ने वाले व्युत्पत्तियों पर चर्चा की जाएगी।

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