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अध्ययन नोट्स: चुंबकीय द्विध्रुव और स्थायी चुंबक

विषय सूची

1. चुंबकीय द्विध्रुवों का परिचय
2. पदार्थों का चुंबकीकरण
3. चुंबकीय पदार्थों के प्रकार
4. स्थायी चुंबक बनाम विद्युतचुंबक
5. चुंबकों के अनुप्रयोग
6. सारांश

1. चुंबकीय द्विध्रुवों का परिचय

चुंबकीय द्विध्रुव क्या है?

एक चुंबकीय द्विध्रुव एक प्रणाली है जो चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है। यह सबसे सरल इकाई है जो चुंबकीय क्षेत्र बना सकती है और अक्सर चुंबकीय पदार्थों तथा वस्तुओं के व्यवहार को मॉडल करने के लिए प्रयोग की जाती है।

• चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण एक सदिश राशि है जो चुंबकीय द्विध्रुव की ताकत और दिशा का वर्णन करती है।
• द्विध्रुव का चुंबकीय क्षेत्र स्रोत से दूरी के साथ घटता है।

धारा लूप में चुंबकीय द्विध्रुव

एक धारा-वाहक लूप चुंबकीय द्विध्रुव की तरह कार्य करता है। लूप के केंद्र में चुंबकीय क्षेत्र धारा और लूप के क्षेत्रफल के सीधे अनुक्रमानुपाती होता है।

मुख्य सूत्र:
$$ \vec{B} = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{2\mu}{r^3} \quad \text{(लूप के केंद्र में चुंबकीय क्षेत्र)} $$

जहाँ:

• $ \mu $ चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण है
• $ r $ द्विध्रुव से दूरी है
• $ \mu_0 $ मुक्त स्थान की पारगम्यता है

2. पदार्थों का चुंबकीकरण

चुंबकीकरण की परिभाषा

चुंबकीकरण किसी पदार्थ को चुंबकीय बनाने की प्रक्रिया को कहते हैं। यह तब होता है जब पदार्थ के भीतर के चुंबकीय डोमेन एक ही दिशा में संरेखित हो जाते हैं।

ब्लॉककोट:
“मैग्नेटाइजेशन किसी पदार्थ में चुंबकीय डोमेन का संरेखण है, जिसके परिणामस्वरूप एक नेट चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है।”

चुंबकीय डोमेन

• प्रत्येक पदार्थ चुंबकीय डोमेन से बना होता है, जो ऐसे क्षेत्र हैं जहाँ परमाणुओं के चुंबकीय आघूर्ण संरेखित होते हैं।
• अचुंबकीय पदार्थ में ये डोमेन यादृच्छिक रूप से संरेखित होते हैं।
• जब चुंबकीय क्षेत्र लगाया जाता है, तो डोमेन संरेखित हो जाते हैं और पदार्थ चुंबकीय हो जाता है।

3. चुंबकीय पदार्थों के प्रकार

3.1 प्रतिचुंबकीय पदार्थ

• परिभाषा: ऐसे पदार्थ जो चुंबकीय क्षेत्र द्वारा कमजोर रूप से प्रतिकर्षित होते हैं।
• उदाहरण: बिस्मथ, ताँबा, पानी
• व्यवहार: प्रेरित चुंबकीय क्षेत्र बाहरी क्षेत्र का विरोध करता है।
• विशेषताएँ:
  • कोई स्थायी चुंबकीय आघूर्ण नहीं
  • ऋणात्मक चुंबकीय प्रवृत्ति

ब्लॉककोट:
“प्रतिचुंबकीय पदार्थ चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा प्रतिकर्षित होते हैं क्योंकि प्रेरित चुंबकीय क्षेत्र बाहरी क्षेत्र का विरोध करता है।”

3.2 अनुचुंबकीय पदार्थ

• परिभाषा: ऐसे पदार्थ जो चुंबकीय क्षेत्र द्वारा कमजोर रूप से आकर्षित होते हैं।
• उदाहरण: ऐलुमिनियम, ऑक्सीजन, आयरन ऑक्साइड
• व्यवहार: प्रेरित चुंबकीय क्षेत्र बाहरी क्षेत्र के साथ संरेखित होता है।
• विशेषताएँ:
  • धनात्मक चुंबकीय प्रवृत्ति
  • कमजोर चुंबकीय आघूर्ण

ब्लॉककोट:
“अनुचुंबकीय पदार्थ प्रेरित चुंबकीय आघूर्णों के बाहरी क्षेत्र के साथ संरेखण के कारण चुंबकीय क्षेत्रों की ओर आकर्षित होते हैं।”

3.3 लौहचुंबकीय पदार्थ

• परिभाषा: ऐसे पदार्थ जो चुंबकीय क्षेत्रों द्वारा दृढ़ता से आकर्षित होते हैं और चुंबकीकरण को बनाए रख सकते हैं।
• उदाहरण: लोहा, कोबाल्ट, निकेल
• व्यवहार: बाहरी क्षेत्र की अनुपस्थिति में भी चुंबकीय डोमेनों का स्वतः संरेखण।
• विशेषताएँ:
  • उच्च चुंबकीय पारगम्यता
  • स्थायी रूप से चुंबकित किया जा सकता है

ब्लॉककोट:
“लौहचुंबकीय पदार्थ बाहरी चुंबकीय क्षेत्र हटाने के बाद भी चुंबकीकरण बनाए रख सकते हैं।”

4. स्थायी चुंबक बनाम विद्युतचुंबक

ब्लॉककोट:
“स्थायी चुंबक लौहचुंबकीय पदार्थों से बनाए जाते हैं और बाहरी शक्ति के बिना अपना चुंबकीयकरण बनाए रखते हैं, जबकि विद्युतचुंबकों को चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए विद्युत धारा की आवश्यकता होती है।”

5. चुंबकों के अनुप्रयोग

5.1 औद्योगिक अनुप्रयोग

• विद्युत मोटर्स: घूर्णन गति बनाने के लिए चुंबकों का उपयोग करते हैं।
• जनरेटर: विद्युतचुंबकीय प्रेरण का उपयोग करके यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में परिवर्तित करते हैं।
• चुंबकीय उत्तोलन (मैग्लेव): ट्रेनों को उत्तोलित करने के लिए मजबूत चुंबकों का उपयोग करता है।

5.2 चिकित्सीय अनुप्रयोग

• एमआरआई (चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग): शरीर की विस्तृत छवियाँ बनाने के लिए मजबूत चुंबकीय क्षेत्रों का उपयोग करता है।
• चुंबकीय चिकित्सा: कुछ वैकल्पिक उपचार दर्द राहत के लिए चुंबकों का उपयोग करते हैं।

5.3 दैनिक उपयोग

• स्पीकर और हेडफोन: विद्युत संकेतों को ध्वनि में परिवर्तित करने के लिए चुंबकों का उपयोग करते हैं।
• कम्पास: दिशा निर्धारित करने के लिए पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र का उपयोग करते हैं।
• चुंबकीय भंडारण उपकरण: डेटा संग्रहीत करने के लिए चुंबकीय डोमेन का उपयोग करते हैं।

6. सारांश

मुख्य अवधारणाओं का पुनरावलोकन

• चुंबकीय द्विध्रुव एक प्रणाली है जो चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है।
• चुंबकीकरण में किसी पदार्थ में चुंबकीय डोमेनों का संरेखण शामिल है।
• प्रतिचुंबकीय, अनुचुंबकीय और लौहचुंबकीय पदार्थ अलग-अलग चुंबकीय व्यवहार प्रदर्शित करते हैं।
• स्थायी चुंबक बाहरी शक्ति के बिना अपना चुंबकीयकरण बनाए रखते हैं, जबकि विद्युतचुंबकों को विद्युत धारा की आवश्यकता होती है।
• चुंबकों के उद्योग, चिकित्सा और दैनिक जीवन में व्यापक अनुप्रयोग हैं।

ब्लॉककोट:
“चुंबकीय द्विध्रुवों और पदार्थों को समझना आधुनिक प्रौद्योगिकी में चुंबकीय क्षेत्रों के व्यवहार और उनके अनुप्रयोगों को समझने के लिए आवश्यक है।”

निष्कर्ष

चुंबकीय द्विध्रुव और स्थायी चुंबक सैद्धांतिक और व्यावहारिक दोनों प्रकार के अनुप्रयोगों में महत्वपूर्ण भूमिका निभाते हैं। मूल भौतिकी से लेकर उन्नत इंजीनियरिंग तक, चुंबकत्व का अध्ययन आधुनिक विज्ञान और प्रौद्योगिकी का एक मौलिक पहलू बना हुआ है।

अभ्यास प्रश्न

##### 10 सेमी लंबाई वाले एक छड़ चुम्बक, जिसका ध्रुव प्रबलता $10^{-3} \mathrm{Wb}$ के बराबर है, को $4 \pi \times 10^{-3} \mathrm{T}$ के बराबर चुम्बकीय प्रेरण $B$ वाले चुम्बकीय क्षेत्र में रखा गया है। यह चुम्बकीय प्रेरण की दिशा के साथ $30^{\circ}$ का कोण बनाता है। चुम्बक पर कार्यरत बल-आघूर्ण का मान है $\left(\mu_0=4 \pi \times 10^{-7}\right.$ वेबर $\left./ \mathrm{amp} \times \mathrm{m}\right)$ 1. [x] $0.5 \mathrm{N}-\mathrm{m}$ 2. [ ] $2 \pi \times 10^{-5} \mathrm{N}-\mathrm{m}$ 3. [ ] $\pi \times 10^{-5} \mathrm{N}-\mathrm{m}$ 4. [ ] $0.5 \times 10^{2} \mathrm{N}-\mathrm{m}$ ##### $ M$ और $M \sqrt{3}$ दो चुम्बकों के चुम्बकीय द्विध्रुव आघूर्ण हैं, जिन्हें एक क्रॉस आकृति बनाने के लिए जोड़ा गया है। यदि इस संयोजन को एक समान बाह्य चुम्बकीय क्षेत्र $B$ में स्वतंत्रतापूर्वक निलंबित किया जाए तो क्षेत्र के साथ निकाय का अनुकूलन है 1. [ ] $\theta=30^{\circ}$ 2. [ ] $\theta=45^{\circ}$ 3. [x] $\theta=60^{\circ}$ 4. [ ] $\theta=15^{\circ}$ ##### 50 फेरों और $1.25 \times 10^{-3} \mathrm{m}^{2}$ क्षेत्रफल वाली एक कुंडली को एक समान क्षैतिज चुम्बकीय क्षेत्र में एक ऊर्ध्वाधर व्यास के परितः धुराग्रस्थ किया गया है और यह 2 A धारा वहन करती है। जब कुंडली को इसके तल को उत्तर-दक्षिण दिशा में रखा जाता है, तो यह 0.04 Nm के एक युगल का अनुभव करती है, और जब इसका तल पूर्व-पश्चिम दिशा के अनुदिश होता है, तो यह 0.03 Nm के युगल का अनुभव करती है। चुम्बकीय प्रेरण है 1. [ ] $0.2 T$ 2. [ ] $0.3 T$ 3. [ ] $0.5 T$ 4. [x] $0.4 T$ ##### $6.7 \times 10^{-2} \mathrm{Am}^{2}$ चुम्बकीय आघूर्ण और $7.5 \times 10^{-6} \mathrm{kg} \mathrm{m}^{2}$ जड़त्व आघूर्ण वाली एक चुम्बकीय सुई 0.01 T के चुम्बकीय क्षेत्र में सरल आवर्ती दोलन कर रही है। 10 पूर्ण दोलनों के लिए लिया गया समय है $\rightarrow$ JEE Main 2017 (Offline) 1. [ ] 8.89 s 2. [ ] 6.98 s 3. [ ] 8.76 s 4. [x] 6.65 s