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इलेक्ट्रिक चार्जेस एंड फील्ड: 30 मिनट में पूरी रिवीजन

चैप्टर एनालिसिस और परीक्षा पैटर्न (CBSE 2024-25)

  • इस चैप्टर से Section A में एक MCQ और Section E में एक 5 नंबर का प्रश्न (पार्ट्स में बंटा) आता है।
  • Section C से 3 मार्क्स का प्रश्न भी आ सकता है।
  • 2024-25 के पेपरों में यही ट्रेंड देखने को मिला है।

इलेक्ट्रिक चार्ज: मूलभूत गुण

  • आंतरिक गुण: द्रव्यमान की तरह, चार्ज पदार्थ का एक आंतरिक गुण है।
  • चार्ज संरक्षण (Conservation of Charge): एक पृथक (isolated) सिस्टम का कुल चार्ज हमेशा स्थिर रहता है।
    • उदाहरण: तीन समान (identical) गोलों को आपस में स्पर्श कराने पर, प्रत्येक पर चार्ज = (q₁ + q₂ + q₃) / 3 हो जाता है।
  • चार्ज क्वांटीकरण (Quantization of Charge): किसी भी वस्तु पर आवेश हमेशा Q = ± n·e के रूप में होता है, जहाँ n एक पूर्णांक (1, 2, 3...) है और e इलेक्ट्रॉन का आवेश है।
    • केवल इलेक्ट्रॉन ही एक वस्तु से दूसरी में स्थानांतरित होते हैं, प्रोटॉन नहीं।

कूलम्ब का नियम (Coulomb's Law)

दो बिंदु आवेशों (Q₁, Q₂) के बीच लगने वाला बल:

F = K · |Q₁ · Q₂| / r²

जहाँ:

  • r = दोनों आवेशों के बीच प्रभावी दूरी।
  • K = 1 / (4π·ε₀) = 9 × 10⁹ Nm²/C²

महत्वपूर्ण बिंदु:

  • बल विपरीत आवेशों के लिए आकर्षण (attractive) और समान आवेशों के लिए प्रतिकर्षण (repulsive) होता है।
  • यह बल क्रिया-प्रतिक्रिया (action-reaction) का युग्म है।
  • माध्यम का प्रभाव: यदि निकाय को किसी माध्यम (Kerosene, Petrol) में डुबोया जाए, तो बल परावैद्युत स्थिरांक (Dielectric Constant, K) के कारण कम हो जाता है, जहाँ K = ε~~m~~ / ε₀।

उदाहरण प्रश्न (CBSE 2020)

  • प्रश्न: एक वर्ग के कोनों पर चार आवेश (+1μC, -2μC, +1μC, +2μC) रखे हैं। केंद्र पर रखे +4μC आवेश पर कितना नेट बल लगेगा?
  • हल: सममिति (symmetry) के कारण, एक-दूसरे को काटने वाले बलों को निरस्त करने पर नेट बल = 0 होगा।

इलेक्ट्रिक फील्ड और फील्ड लाइन्स

  • परिभाषा: किसी बिंदु पर इलेक्ट्रिक फील्ड, उस पर रखे गए एकांक धन परीक्षण आवेश द्वारा अनुभव किए गए बल के बराबर होती है।
    • E = F / q₀
  • बिंदु आवेश के लिए फील्ड: E = K·Q / r²
  • फील्ड लाइन्स के गुण:
    • धन आवेश से निकलती हैं और ऋण आवेश पर समाप्त होती हैं।
    • ये कभी बंद लूप (closed loop) नहीं बनातीं (यह गुण चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं का है)।
    • प्रबलता: रेखाएँ जहाँ पास-पास होती हैं, वहाँ फील्ड प्रबल (strong) होती है।
    • दिशा: किसी बिंदु पर स्पर्श रेखा (tangent) फील्ड की दिशा बताती है।
    • दो फील्ड लाइनें कभी एक-दूसरे को प्रतिच्छेद (intersect) नहीं करतीं।

उदाहरण प्रश्न (CUET/Boards)

  • प्रश्न: एक वर्ग के कोनों पर +q, +2q, +q, -2q आवेश हैं। केंद्र O पर इलेक्ट्रिक फील्ड की दिशा क्या होगी?
  • हल: समान दूरी पर स्थित +q और +q एक-दूसरे को निरस्त कर देंगे। +2q और -2q दोनों मिलकर O से B से D की ओर (Option C) दिशा में फील्ड उत्पन्न करेंगे।

इलेक्ट्रिक डाइपोल

दो समान एवं विपरीत आवेशों (+Q और -Q) से बना निकाय, जिनके बीच की दूरी 2a हो।

  • डाइपोल आघूर्ण (Dipole Moment): p = Q × 2a (दिशा -Q से +Q की ओर)

डाइपोल के कारण फील्ड

| स्थिति | इलेक्ट्रिक फील्ड का परिमाण | दिशा | | :--- | :--- | :--- | | अक्षीय (Axial) | E_axial = 2K·p / r³ | डाइपोल की दिशा में | | भूमध्य रेखीय (Equatorial) | E_eq = K·p / r³ | डाइपोल के विपरीत दिशा में |

याद रखें: भूमध्य रेखीय बिंदु पर फील्ड विपरीत दिशा में होती है (माइनस चिन्ह के साथ आती है)।

एकसमान बाह्य फील्ड में डाइपोल

  • नेट बल = 0 (दोनों आवेशों पर समान और विपरीत बल लगते हैं)।
  • बल आघूर्ण (Torque): τ = p × E = p·E·sinθ
  • स्थिर अवस्थाएँ (Stable/Unstable Equilibrium):
    • θ = 0°: स्थिर साम्यावस्था (Torque = 0)
    • θ = 90°: अधिकतम Torque (τ_max = p·E)
    • θ = 180°: अस्थिर साम्यावस्था (Torque = 0)

इलेक्ट्रिक फ्लक्स और गॉस का नियम

इलेक्ट्रिक फ्लक्स (Electric Flux)

किसी सतह से लंबवत गुजरने वाली इलेक्ट्रिक फील्ड लाइनों की संख्या।

  • सामान्य सूत्र: Φ = ∮ E·dA
  • एकसमान फील्ड के लिए: Φ = E·A·cosθ
    • θ = 0° (फील्ड और क्षेत्रफल सदिश समान दिशा): Φ = EA
    • θ = 90°: Φ = 0
    • θ = 180° (विपरीत दिशा): Φ = -EA
  • नोट: फ्लक्स का SI मात्रक Nm²/C है।

गॉस का नियम (Gauss's Law)

किसी बंद सतह से गुजरने वाला कुल इलेक्ट्रिक फ्लक्स, उस सतह के अंदर उपस्थित कुल आवेश का 1/ε₀ गुना होता है।

∮ E·dA = Q_enc / ε₀

  • Q_enc: सतह के अंदर बंद कुल आवेश, बाहरी आवेशों का इसमें कोई योगदान नहीं होता।
  • माध्यम में रखने पर सूत्र में ε₀ के स्थान पर माध्यम की परावैद्युतांक (ε) आ जाती है।

फ्लक्स कैलकुलेशन का उदाहरण (CBSE 2024)

  • प्रश्न: यदि इलेक्ट्रिक फील्ड E = 5x² + 2 (unifrom नहीं) हो और एक 0.1 m भुजा का घन मूलबिंदु पर रखा हो, तो नेट फ्लक्स क्या होगा?
  • हल:
    1. फील्ड केवल X-दिशा में बदल रही है। घन की Y और Z दिशा वाली सतहों पर फील्ड और क्षेत्रफल 90° पर हैं, इसलिए उनसे फ्लक्स शून्य होगा।
    2. केवल X-दिशा में दो सतहें (एक x=0 पर, एक x=0.1 पर) फ्लक्स देंगी।
      • E₁ = 2 N/C (x=0 पर)
      • E₂ = 5×(0.1)² + 2 = 2.05 N/C (x=0.1 पर)
      • A = (0.1)² = 0.01 m²
    3. Φ_net = Φ₁ + Φ₂ = (-E₁A) + (E₂A) = (E₂ - E₁)·A = 0.05 × 0.01 = 5 × 10⁻⁴ Nm²/C

गॉस लॉ पर आधारित विशेष प्रश्न (CBSE)

  • स्थिति 1: चार्ज घन के फलक पर: कुल फ्लक्स = Q / (2ε₀)
  • स्थिति 2: चार्ज घन के कोने पर: कुल फ्लक्स = Q / (8ε₀)
  • स्थिति 3: फलक पर रखे चार्ज के लिए एक फलक का फ्लक्स: फलक पर चार्ज होने के कारण, केवल तीन फलक प्रभावी होते हैं। एक फलक के लिए फ्लक्स = Q / (24ε₀)

गॉस नियम के अनुप्रयोग (महत्वपूर्ण व्युत्पत्तियाँ)

ये तीनों व्युत्पत्तियाँ CBSE के लिए अत्यंत महत्वपूर्ण हैं। | निकाय | चार्ज वितरण | इलेक्ट्रिक फील्ड | सूत्र | | :--- | :--- | :--- | :--- | | अनंत लंबाई का रैखिक आवेश (Infinite line charge) | रैखिक आवेश घनत्व (λ) | त्रिज्य (Radial) दिशा में | E = 2k·λ / r | | अनंत आवेशित चादर (Infinite sheet) | पृष्ठीय आवेश घनत्व (σ) | चादर के लंबवत | E = σ / 2ε₀ (गैर-चालक) <br> E = σ / ε₀ (चालक) | | पतला गोलीय कोश (Thin spherical shell) | पृष्ठ पर कुल आवेश Q | <br> अंदर (r < R): E = 0 <br> बाहर (r > R): E = kQ / r² | केंद्र से दूरी r पर |

उदाहरण प्रश्न (CBSE 2025)

  • प्रश्न: तीन धातु कोश A, B, C दिए हैं। A को +6Q, B को -6Q, C को +14Q आवेश दिया गया। आंतरिक धातु को क्रमशः -2Q, +8Q, -10Q आवेश दिया गया। तीनों के केंद्र से 3R दूरी पर फील्ड की तुलना करें।

  • हल: आंतरिक चार्ज, चालक के पृष्ठ पर पहुँच जाता है, जिससे प्रत्येक कोश पर कुल नेट चार्ज +4Q हो जाता है। चूँकि तीनों के केंद्र से दूरी (3R) और नेट आवेश (+4Q) समान हैं, इसलिए तीनों स्थानों पर इलेक्ट्रिक फील्ड बराबर होगी।

    E_A : E_B : E_C = 1 : 1 : 1


यह रैपिड रिवीजन क्लास 12 फिजिक्स: रे ऑप्टिक्स पर विस्तृत परिचय और प्लेन मिरर रिफ्लेक्शन और CBSE बोर्ड एग्जाम के लिए मिनिएचर पेंटिंग्स और भारतीय कला का संपूर्ण रिवीजन जैसी अन्य महत्वपूर्ण विषयों की रिवीजन सीरीज़ का हिस्सा है। अधिक अभ्यास के लिए ईएमआई यूनिट 4: करंट और पोटेंशियल ट्रांसफॉर्मर का संपूर्ण परिचय भी देख सकते हैं।

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