लौहचुंबकीय पदार्थों का चुंबकन: HSC Physics

चुंबक के उत्तरी ध्रुव को एक साधारण लोहे की कील के पास लाएँ। कील स्थायी चुंबक नहीं है, फिर भी वह चुंबक की ओर खिसकती है। अब चुंबक को पलटें और उसका दक्षिणी ध्रुव उसी कील के पास लाएँ। कील फिर से आकर्षित होती है।

अनुमान लगाइए कि यदि कील के अपने कोई चुंबकीय ध्रुव वास्तव में नहीं हैं, तो क्या होना चाहिए। चुंबक का एक सिरा उसे प्रतिकर्षित क्यों नहीं करता?

उत्तर यह है कि चुंबक कील को बदल देता है। उसका चुंबकीय क्षेत्र लोहे के भीतर की चुंबकीय संरचना को पुनर्व्यवस्थित करता है और अस्थायी रूप से कील को चुंबक बना देता है। यह कैसे होता है, इसे समझने के लिए हमें एक लौहचुंबकीय पदार्थ के भीतर देखना होगा।

01शुरुआत चुंबकीय डोमेनों से करें

लोहे में परमाणु स्तर के चुंबकीय आघूर्णों की बहुत बड़ी संख्या होती है, जो मुख्यतः इलेक्ट्रॉनों से संबंधित होती है। किसी लौहचुंबकीय पदार्थ में पड़ोसी परमाणुओं के बीच की अंतःक्रियाएँ इनमें से अनेक आघूर्णों को एक ही दिशा में संरेखित कर देती हैं।

सामान्यतः वे पूरे पिंड में एक ही पूर्णतः संरेखित खंड नहीं बनाते। इसके बजाय, पदार्थ कई क्षेत्रों में विभाजित होता है जिन्हें चुंबकीय डोमेन कहा जाता है।

एक डोमेन के भीतर अनेक चुंबकीय आघूर्ण लगभग एक ही दिशा में होते हैं। पास का कोई दूसरा डोमेन किसी अलग दिशा में हो सकता है।

किसी पार्टी में दोस्तों के कई समूहों की कल्पना करें। हर समूह के भीतर सभी लोग लगभग एक ही दिशा में देख रहे हैं, लेकिन अलग-अलग समूह कमरे के अलग-अलग हिस्सों की ओर देख रहे हैं। ऊपर से देखने पर पूरी भीड़ की कोई स्पष्ट समग्र दिशा नहीं दिखाई देती।

एक चुंबकीय डोमेन कुछ हद तक ऐसे ही एक समूह जैसा है।

लेकिन इस उपमा की एक महत्वपूर्ण सीमा है। डोमेन ऐसे छोटे दंड चुंबक नहीं हैं जो भीतर तैर रहे हों और पूरे खंड के रूप में घूम रहे हों। उनका व्यवहार इलेक्ट्रॉनों के चुंबकीय आघूर्णों से उत्पन्न होता है, और चुंबकन में परिवर्तन डोमेनों के बीच की सीमाओं के खिसकने तथा डोमेनों के भीतर चुंबकन के घूर्णन जैसी प्रक्रियाओं से हो सकता है।

HSC Physics के लिए उपयोगी मानसिक मॉडल यह है:

• एक डोमेन के भीतर अनेक चुंबकीय आघूर्ण संरेखित होते हैं;
• अलग-अलग डोमेन अलग-अलग दिशाओं में हो सकते हैं;
• उनके चुंबकीय प्रभाव काफी हद तक एक-दूसरे को निरस्त कर सकते हैं;
• कोई बाहरी चुंबकीय क्षेत्र उनके बीच के संतुलन को बदल सकता है।

यही अंतिम बिंदु कील के व्यवहार को समझाता है।

02अचुंबकित का अर्थ चुंबकीय रूप से खाली नहीं है

लोहे के एक अचुंबकित टुकड़े में भी चुंबकीय डोमेन मौजूद होते हैं।

“अचुंबकित” का अर्थ है कि पूरे पिंड में कोई पर्याप्त शुद्ध संरेखण नहीं है। अलग-अलग दिशाओं में स्थित डोमेनों के चुंबकीय प्रभाव अधिकतर एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं।

यह अंतर आसानी से नज़रअंदाज़ हो सकता है।

कोई अचुंबकित लौहचुंबकीय वस्तु ऐसा पदार्थ नहीं है जिसमें हर परमाणु का चुंबकीय आघूर्ण किसी तरह गायब हो गया हो। चुंबकीय संरचना अभी भी मौजूद होती है। बस उसकी कोई महत्वपूर्ण समग्र दिशा नहीं होती।

एक उपयोगी सारांश यह है:

03बाहरी चुंबकीय क्षेत्र क्या करता है

मान लीजिए कि शुरू में अचुंबकित लोहे की छड़ को दाईं ओर निर्देशित बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है।

क्षेत्र लगाने से पहले डोमेन कई दिशाओं में होते हैं। जैसे ही क्षेत्र लगाया जाता है, लगाए गए क्षेत्र के साथ अधिक निकटता से संरेखित विन्यास ऊर्जा की दृष्टि से अधिक अनुकूल हो जाते हैं।

HSC स्तर पर हम परिणाम को इस प्रकार बता सकते हैं कि डोमेन बाहरी क्षेत्र के साथ अधिक मजबूती से संरेखित हो जाते हैं।

अधिक सटीक रूप से, इसमें डोमेन दीवारों का खिसकना शामिल हो सकता है, जिससे अनुकूल दिशा वाले डोमेन बढ़ते हैं, साथ ही डोमेनों के भीतर चुंबकन का घूर्णन भी हो सकता है।

परिणामस्वरूप लगाए गए क्षेत्र की दिशा में शुद्ध चुंबकन उत्पन्न होता है।

जब चुंबकन किसी बाहरी चुंबकीय क्षेत्र द्वारा उत्पन्न होता है, तो इस प्रक्रिया को प्रेरित चुंबकन कहा जाता है।

यहाँ “प्रेरित” शब्द को विद्युतचुंबकीय प्रेरण के साथ भ्रमित न करें। इसके लिए बदलता हुआ चुंबकीय फ्लक्स या प्रेरित emf आवश्यक नहीं है। यहाँ हम इस बारे में बात कर रहे हैं कि चुंबकीय क्षेत्र किसी पदार्थ की चुंबकीय अवस्था को कैसे बदलता है।

04लोहे का अचुंबकित टुकड़ा किसी भी ध्रुव की ओर क्यों आकर्षित होता है

फिर से कील पर लौटें।

मान लीजिए कि किसी स्थायी चुंबक का उत्तरी ध्रुव कील के पास आता है। चुंबक का क्षेत्र कील के भीतर डोमेनों को पुनर्व्यवस्थित करता है।

उत्तरी ध्रुव के सबसे पास वाला सिरा प्रभावी दक्षिणी ध्रुव बन जाता है। दूर वाला सिरा प्रभावी उत्तरी ध्रुव बन जाता है।

अब विपरीत ध्रुव सबसे पास हैं, इसलिए कील आकर्षित होती है।

स्थायी चुंबक को पलट दें। कील में प्रेरित चुंबकन भी उलट जाता है। दक्षिणी ध्रुव के सबसे पास वाला सिरा प्रभावी रूप से उत्तरी हो जाता है।

फिर से, सबसे पास के ध्रुव विपरीत हैं, इसलिए कील आकर्षित होती है।

इससे परीक्षा के लिए एक महत्वपूर्ण नियम मिलता है:

कोई अचुंबकित लौहचुंबकीय वस्तु चुंबक के किसी भी ध्रुव की ओर आकर्षित हो सकती है, क्योंकि लगाया गया क्षेत्र उस वस्तु में अनुकूल चुंबकन प्रेरित कर देता है।

इसी कारण केवल आकर्षण यह सिद्ध नहीं करता कि कोई वस्तु पहले से ही चुंबक थी।

प्रतिकर्षण कहीं अधिक मजबूत प्रमाण है। शुरू में अचुंबकित नरम लोहे के टुकड़े में कोई स्थिर समान ध्रुव मौजूद नहीं होता जो आपके परीक्षण चुंबक को प्रतिकर्षित करने के लिए तैयार बैठा हो; उसका चुंबकन लगाए गए क्षेत्र के अनुसार पुनर्व्यवस्थित हो जाता है।

यदि आपको ध्रुवों और क्षेत्रों के संबंध को दोहराने की आवश्यकता है, तो चुंबकों के बीच बल: आकर्षण, प्रतिकर्षण और क्षेत्र देखें।

05बाहरी क्षेत्र गायब होने पर क्या होता है?

अब अगला अनुमान लगाइए।

मान लीजिए कि आप लोहे की एक छड़ और इस्पात की एक छड़ को अलग-अलग उसी मजबूत चुंबकीय क्षेत्र के भीतर रखते हैं। दोनों चुंबकित हो जाती हैं। फिर आप क्षेत्र बंद कर देते हैं।

क्या दोनों छड़ों का अपनी मूल अचुंबकित अवस्थाओं में लौटना आवश्यक है?

नहीं।

कुछ लौहचुंबकीय पदार्थ लगाए गए क्षेत्र को हटाने पर अपना अधिकांश शुद्ध संरेखण खो देते हैं। अन्य पदार्थ उसका पर्याप्त हिस्सा बनाए रखते हैं।

बाहरी क्षेत्र हटाए जाने के बाद बचा हुआ चुंबकन अवशिष्ट चुंबकन, या remanent magnetisation, कहलाता है।

यही अस्थायी और स्थायी चुंबकों के बीच मूल अंतर है।

नरम चुंबकीय पदार्थ

नरम चुंबकीय पदार्थ को चुंबकित करना अपेक्षाकृत आसान होता है और विचुंबकित करना भी अपेक्षाकृत आसान होता है।

उसके डोमेन बाहरी क्षेत्र पर आसानी से प्रतिक्रिया करते हैं, लेकिन वह क्षेत्र हटाने पर अधिकांश शुद्ध संरेखण समाप्त हो जाता है।

नरम लोहा इसका मानक सरल उदाहरण है।

इससे नरम चुंबकीय पदार्थ उन स्थितियों में उपयोगी होते हैं जहाँ आप धारा प्रवाहित होने के दौरान चुंबकत्व चाहते हैं, लेकिन बाद में बहुत कम चुंबकन चाहते हैं। विद्युतचुंबकों के कोर इसका स्पष्ट उदाहरण हैं।

धारा-वाहक परिनालिका एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है। उसके भीतर उपयुक्त नरम लौहचुंबकीय कोर रखने से चुंबकीय प्रतिक्रिया बहुत बढ़ जाती है। आप स्वयं क्षेत्र के बारे में परिनालिका के भीतर चुंबकीय क्षेत्र: HSC Physics की व्याख्या में दोहरा सकते हैं।

कठोर चुंबकीय पदार्थ

कठोर चुंबकीय पदार्थ अपनी चुंबकीय अवस्था में परिवर्तन का अधिक मजबूती से प्रतिरोध करता है।

चुंबकित किए जाने के बाद बाहरी क्षेत्र हटाने पर भी डोमेनों का पर्याप्त संरेखण बना रह सकता है। इसलिए वस्तु अपना स्वयं का चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती रहती है।

इसी प्रकार कोई लौहचुंबकीय पदार्थ स्थायी चुंबक बन सकता है।

यहाँ “कठोर” का अर्थ चुंबकीय व्यवहार से है, केवल यह नहीं कि छूने या दबाने पर पदार्थ यांत्रिक रूप से कठोर महसूस होता है।

06कुछ संरेखण क्यों बना रहता है?

सरल डोमेन मॉडल के अनुसार बाहरी क्षेत्र डोमेनों को संरेखित होने के लिए प्रोत्साहित करता है। लेकिन यदि पूरी कहानी केवल इतनी ही होती, तो ऐसा लग सकता है कि क्षेत्र हटाते ही मूल व्यवस्था तुरंत लौट आनी चाहिए।

वास्तविक लौहचुंबकीय पदार्थों में ऐसी आंतरिक संरचनाएँ होती हैं जो डोमेन दीवारों की गति का प्रतिरोध कर सकती हैं। दोष, दाना सीमाएँ और अन्य संरचनात्मक विशेषताएँ डोमेन पैटर्न का अपनी पिछली अवस्था में लौटना कठिन बना सकती हैं।

आप डोमेन दीवारों की कल्पना घर्षणरहित बर्फ के बजाय खुरदरे फर्श पर चलने जैसी कर सकते हैं। बाहरी क्षेत्र उन्हें नई स्थितियों में धकेलता है, लेकिन धक्का हटने पर उनमें से कुछ वहीं अटक जाती हैं।

यह उपमा अवशिष्ट चुंबकन को समझने में उपयोगी है, लेकिन यह कोई सटीक यांत्रिक मॉडल नहीं है। वास्तव में कुछ भी फर्श पर घिसट नहीं रहा होता। यह “अटकना” पदार्थ के भीतर मौजूद ऊर्जा अवरोधों को दर्शाता है।

ये अवरोध जितने मजबूत होंगे, चुंबकन को उलटना उतना ही कठिन होगा।

कोई चुंबकीय पदार्थ विचुंबकित किए जाने का कितना प्रतिरोध करता है, इसका एक माप उसकी coercivity है। स्थायी-चुंबक पदार्थों की coercivity सामान्यतः नरम चुंबकीय पदार्थों की तुलना में बहुत अधिक होती है।

आपको यह कल्पना करने की आवश्यकता नहीं है कि कठोर चुंबकीय पदार्थों में “अधिक डोमेन” या “अधिक मजबूत छोटे चुंबक” होते हैं। मुख्य अंतर यह है कि उनकी चुंबकीय संरचना कितनी आसानी से बदलती है।

07चुंबकन की एक स्मृति होती है

इससे एक आश्चर्यजनक रूप से महत्वपूर्ण परिणाम मिलता है: किसी लौहचुंबकीय वस्तु की चुंबकीय अवस्था उसके इतिहास पर निर्भर कर सकती है।

एक ही चुंबकीय पदार्थ के दो समान टुकड़े इस समय समान क्षेत्र का अनुभव कर सकते हैं और फिर भी अलग तरह से व्यवहार कर सकते हैं, क्योंकि वे उस क्षेत्र तक चुंबकन के अलग-अलग क्रमों से पहुँचे हैं।

मान लीजिए कि किसी कठोर इस्पात की छड़ को दाईं ओर बहुत अधिक चुंबकित किया गया है। फिर बाहरी क्षेत्र हटा दिया जाता है। दाईं ओर पर्याप्त चुंबकन बना रहता है।

अब बाईं ओर एक छोटा क्षेत्र लगाएँ।

कोई विद्यार्थी अनुमान लगा सकता है कि बाईं ओर का कोई भी क्षेत्र चुंबकन को तुरंत उलट देगा। ऐसा नहीं होता। यदि विपरीत क्षेत्र बहुत कमजोर है, तो वह मौजूदा चुंबकन को पूरी तरह उलटने के बजाय केवल कम कर सकता है।

पदार्थ की चुंबकीय अवस्था बदलने के प्रतिरोध को पार करने के लिए पर्याप्त रूप से मजबूत विपरीत क्षेत्र आवश्यक है।

यह चुंबकीय “स्मृति” हिस्टेरेसिस नामक परिघटना का हिस्सा है।

इस मार्गदर्शिका के लिए मुख्य परिणाम इतना पर्याप्त है:

अंतिम चुंबकन केवल इस पर निर्भर नहीं करता कि इस समय कौन-सा क्षेत्र लगाया जा रहा है, बल्कि इस पर भी निर्भर करता है कि पदार्थ ने पहले किन क्षेत्रों का अनुभव किया था।

08प्रेरित और अवशिष्ट चुंबकन परस्पर विरोधी व्याख्याएँ नहीं हैं

विद्यार्थी कभी-कभी इन्हें दो पूरी तरह अलग प्रक्रियाएँ मान लेते हैं:

• प्रेरित चुंबकन लोहे में होता है;
• अवशिष्ट चुंबकन इस्पात में होता है।

यह अत्यधिक सरलीकरण है।

दोनों में चुंबकीय डोमेन संरचना में परिवर्तन शामिल होता है।

“प्रेरित चुंबकन” उस चुंबकन को बताता है जो बाहरी क्षेत्र द्वारा उत्पन्न होता है।

“अवशिष्ट चुंबकन” बताता है कि वह बाहरी क्षेत्र हटाए जाने के बाद क्या बचता है।

कठोर चुंबकीय पदार्थ पहले प्रेरित चुंबकन प्राप्त कर सकता है और फिर उसका बड़ा भाग बनाए रख सकता है। नरम चुंबकीय पदार्थ भी क्षेत्र मौजूद रहने तक बहुत अधिक चुंबकित हो सकता है, लेकिन बाद में बहुत कम चुंबकन बनाए रखता है।

इसलिए दो अलग प्रश्न पूछें:

1. बाहरी क्षेत्र लगाए जाने के दौरान क्या होता है?
2. क्षेत्र हटाए जाने के बाद क्या बचता है?

यह अंतर चुंबकीय डोमेन से जुड़े बहुत से प्रश्नों को स्पष्ट कर देता है।

09क्षेत्र को उलटना और विचुंबकित करना एक ही बात नहीं है

मान लीजिए कि एक स्थायी इस्पात चुंबक दाईं ओर चुंबकित है। आप उसे एक परिनालिका के भीतर रखते हैं और बाईं ओर एक मजबूत चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करते हैं।

यदि विपरीत क्षेत्र पर्याप्त रूप से मजबूत हो, तो वह छड़ के चुंबकन को उलट सकता है।

अब क्षेत्र बंद कर दें।

क्या आपने छड़ को विचुंबकित कर दिया?

ज़रूरी नहीं। हो सकता है आपने केवल दूसरी दिशा में चुंबकित एक स्थायी चुंबक बना दिया हो।

इसीलिए विचुंबकन केवल “विपरीत क्षेत्र लगाओ” जितना सरल नहीं है।

एक विधि में ऐसा प्रत्यावर्ती चुंबकीय क्षेत्र उपयोग किया जाता है जिसका परिमाण धीरे-धीरे कम किया जाता है। पदार्थ बार-बार विपरीत दिशाओं में चुंबकित होता है, लेकिन हर अगला उलटाव पहले से कमजोर होता जाता है। बचा हुआ शुद्ध संरेखण क्रमशः घटता है, जब तक कि पदार्थ में बहुत कम समग्र चुंबकन न रह जाए।

घटता हुआ आयाम अत्यंत महत्वपूर्ण है।

यदि किसी बड़े प्रत्यावर्ती क्षेत्र को अचानक बंद कर दिया जाए, तो चक्र के अंतिम भाग के अनुरूप पर्याप्त चुंबकन बच सकता है।

10आकर्षक लेकिन गलत धारणा: डोमेन स्वयं उत्तरी और दक्षिणी ध्रुव होते हैं

हर डोमेन को एक तीर से दर्शाना आम बात है। इससे ऐसा लग सकता है कि हर डोमेन कोई छोटा कठोर दंड चुंबक है जिसका एक सिरा उत्तर और दूसरा दक्षिण चिह्नित है।

यह चित्र केवल एक सीमा तक उपयोगी है।

तीर डोमेन के चुंबकन की दिशा दर्शाता है। इससे हमें अनेक परमाणु चुंबकीय आघूर्णों के संयुक्त चुंबकीय प्रभाव को समझने में मदद मिलती है।

जब किसी पदार्थ को चुंबकित किया जाता है, तो हम स्थायी सूक्ष्म उत्तरी कणों को एक तरफ और दक्षिणी कणों को दूसरी तरफ नहीं छाँट रहे होते। पूरे पिंड के दिखाई देने वाले ध्रुव उसके समग्र चुंबकन से उत्पन्न होते हैं।

यह इस बात को भी समझाता है कि किसी दंड चुंबक को काटने पर उत्तरी ध्रुव को दक्षिणी ध्रुव से अलग क्यों नहीं किया जा सकता। हर टुकड़े का अपना चुंबकन होता है और इसलिए उसके अपने उत्तरी और दक्षिणी सिरे बन जाते हैं।

11प्रश्न और समाधान

प्रश्न 1

शुरू में अचुंबकित लोहे की छड़ को एक दंड चुंबक के उत्तरी ध्रुव के पास रखा जाता है।

a. दंड चुंबक के सबसे पास स्थित छड़ के सिरे पर कौन-सा चुंबकीय ध्रुव प्रेरित होता है?

b. छड़ और दंड चुंबक के बीच कौन-सा बल कार्य करता है?

c. यदि छड़ नरम लोहे की है और दंड चुंबक हटा दिया जाए, तो उसके अधिकांश चुंबकन का क्या होता है?

समाधान 1

चुंबक के सबसे पास वाला सिरा प्रभावी दक्षिणी ध्रुव बन जाता है, इसलिए छड़ उत्तरी ध्रुव की ओर आकर्षित होती है। यदि छड़ नरम लोहे की है, तो बाहरी क्षेत्र हटाने पर अधिकांश प्रेरित चुंबकन समाप्त हो जाता है।

लोहे में शुरू से ही ऐसे डोमेन होते हैं जिनके चुंबकन काफी हद तक एक-दूसरे को निरस्त करते हैं। दंड चुंबक का क्षेत्र डोमेन व्यवस्था को बदलता है और छड़ में शुद्ध चुंबकन उत्पन्न करता है।

सबसे पास वाला सिरा दंड चुंबक के पास वाले ध्रुव की विपरीत ध्रुवता ग्रहण करता है, जिससे आकर्षण उत्पन्न होता है।

आकर्षक लेकिन गलत विचार यह है कि अचुंबकित छड़ में ध्रुव प्रेरित नहीं हो सकते क्योंकि उसमें “कोई चुंबकत्व नहीं है”। वास्तव में उसमें चुंबकीय आघूर्ण और डोमेन होते हैं; बस शुरुआत में उसका शुद्ध चुंबकन बहुत कम होता है।

बाहरी क्षेत्र हटाने पर नरम लोहे की डोमेन संरचना अपेक्षाकृत आसानी से बदलती है, इसलिए छड़ प्रेरित संरेखण का बहुत कम भाग बनाए रखती है।

प्रश्न 2

एक जैसी दिखने वाली दो छड़ें X और Y उपलब्ध हैं। X अचुंबकित नरम लोहा है। Y कठोर इस्पात है जिसे पहले ही बहुत अधिक चुंबकित किया जा चुका है।

एक विद्यार्थी कमजोर परीक्षण चुंबक का उत्तरी ध्रुव X के एक सिरे के पास लाता है और आकर्षण देखता है। Y के एक सिरे पर वही परीक्षण करने पर भी आकर्षण मिलता है।

विद्यार्थी निष्कर्ष निकालता है कि दोनों छड़ें अचुंबकित हैं।

समझाइए कि यह प्रमाण पर्याप्त क्यों नहीं है, और मानक HSC डोमेन मॉडल के अंतर्गत ऐसा चुंबकीय परीक्षण बताइए जो चुंबकित इस्पात की छड़ को अचुंबकित नरम लोहे की छड़ से अलग पहचान सके।

समाधान 2

आकर्षण यह नहीं दिखाता कि कोई छड़ अचुंबकित है। उपयोगी भेदकारी अवलोकन प्रतिकर्षण है: हर छड़ के दोनों सिरों को कमजोर परीक्षण चुंबक के दोनों ध्रुवों से जाँचें। पहले से चुंबकित इस्पात की छड़ समान ध्रुवों के बीच प्रतिकर्षण उत्पन्न कर सकती है, जबकि शुरू में अचुंबकित नरम लोहे की छड़ से आकर्षण अपेक्षित है, क्योंकि उसका चुंबकन परीक्षण क्षेत्र द्वारा प्रेरित होता है।

विद्यार्थी का तर्क इसलिए विफल होता है क्योंकि आकर्षण के दो संभावित कारण हैं।

X के लिए परीक्षण चुंबक नरम लोहे में चुंबकन प्रेरित करता है। कोई भी ध्रुव पास लाया जाए, X का पास वाला सिरा विपरीत ध्रुवता ग्रहण करता है, इसलिए आकर्षण होता है।

Y के लिए छड़ में पहले से अवशिष्ट चुंबकन है। यदि परीक्षण चुंबक का उत्तरी ध्रुव संयोग से Y के दक्षिणी सिरे के पास आता है, तो वहाँ भी आकर्षण होता है।

इसलिए केवल आकर्षक बल से यह नहीं बताया जा सकता कि उसे किस तंत्र ने उत्पन्न किया।

प्रतिकर्षण अलग है। यदि परीक्षण चुंबक का उत्तरी ध्रुव पर्याप्त रूप से स्थिर कठोर-इस्पात चुंबक के उत्तरी सिरे के पास लाया जाए, तो समान ध्रुव प्रतिकर्षित होते हैं। दोनों सिरों पर और दोनों परीक्षण ध्रुवों के साथ परीक्षण दोहराने पर Y की स्थिर ध्रुवता स्पष्ट हो जाती है।

आकर्षक लेकिन गलत तरीका “चुंबक को आकर्षित करता है” को चुंबक की परिभाषा मान लेना है। यह विफल होता है, क्योंकि लौहचुंबकीय पदार्थ शुरू में अचुंबकित होने पर भी प्रेरित चुंबकन के कारण आकर्षित हो सकते हैं।

यहाँ यह मान लिया गया है कि परीक्षण चुंबक इतना कमजोर है कि वह Y के अवशिष्ट चुंबकन को पर्याप्त रूप से उलट नहीं देता।

प्रश्न 3

एक कठोर इस्पात की छड़ को इतना अधिक चुंबकित किया जाता है कि उसका चुंबकन दाईं ओर हो जाता है। चुंबककारी क्षेत्र हटा दिया जाता है।

फिर बाईं ओर एक दूसरा बाहरी क्षेत्र लगाया जाता है, लेकिन यह उस क्षेत्र से कमजोर है जो छड़ के अधिकांश अवशिष्ट चुंबकन को उलटने के लिए आवश्यक होगा। यह कमजोर क्षेत्र भी हटा दिया जाता है।

एक विद्यार्थी तर्क देता है:

“अंतिम चुंबकीय क्षेत्र बाईं ओर था, इसलिए अब छड़ निश्चित रूप से बाईं ओर चुंबकित स्थायी चुंबक होगी।”

क्या विद्यार्थी अनिवार्य रूप से सही है? चुंबकीय डोमेनों और चुंबकीय इतिहास का उपयोग करके छड़ की संभावित अंतिम अवस्था समझाइए।

समाधान 3

नहीं। दी गई शर्त के अंतर्गत छड़ दाईं ओर चुंबकित बनी रह सकती है, हालाँकि उसका अवशिष्ट चुंबकन पहले से कमजोर हो सकता है।

शुरुआत में मजबूत दाईं ओर का क्षेत्र पर्याप्त शुद्ध दाईं ओर डोमेन संरेखण उत्पन्न करता है। क्योंकि छड़ कठोर इस्पात की है, पहला क्षेत्र हटाए जाने पर भी उस संरेखण का बड़ा भाग बना रहता है।

बाद का बाईं ओर का क्षेत्र बाईं ओर चुंबकन को अनुकूल बनाता है। वह कुछ डोमेन दीवारों को खिसका सकता है या कुछ चुंबकन को मूल दिशा से दूर घुमा सकता है।

लेकिन प्रश्न में कहा गया है कि यह विपरीत क्षेत्र अधिकांश अवशिष्ट चुंबकन को उलटने के लिए बहुत कमजोर है। आंतरिक अवरोध परिवर्तन का प्रतिरोध करते हैं।

इसलिए कमजोर बाईं ओर का क्षेत्र हटाए जाने के बाद भी छड़ में शुद्ध दाईं ओर चुंबकन बच सकता है:

\[ \text{मूल दाईं ओर का अवशिष्ट चुंबकन} \;-\; \text{आंशिक उलटाव} \;>\; 0 \]

यह अभिव्यक्ति संख्यात्मक समीकरण के बजाय एक अवधारणात्मक कथन है। इसका अर्थ है कि विपरीत दिशा का परिवर्तन मौजूदा शुद्ध चुंबकन को पार करने के लिए पर्याप्त बड़ा नहीं था।

आकर्षक लेकिन गलत तरीका यह मान लेना है कि लौहचुंबकीय पदार्थ की दिशा केवल सबसे हाल में लगाए गए क्षेत्र से निर्धारित होती है। इससे हिस्टेरेसिस की अनदेखी होती है। कठोर चुंबकीय पदार्थों में स्मृति होती है: उनकी अंतिम अवस्था उनके पहले के चुंबकीय अवस्था और बाद में लगाए गए क्षेत्र, दोनों पर निर्भर करती है।

प्रश्न 4

एक कठोर इस्पात दंड को बाएँ से दाएँ दिशा में बहुत अधिक चुंबकित किया जाता है और फिर चुंबककारी क्षेत्र से बाहर निकाल लिया जाता है।

उसे ठीक आधे में काटा जाता है, जिससे A और B टुकड़े बनते हैं। A को वैसे ही छोड़ दिया जाता है। B को ऐसी विचुंबकन प्रक्रिया से गुज़ारा जाता है जिससे उसके डोमेनों का शुद्ध संरेखण लगभग शून्य हो जाता है।

एक विद्यार्थी दो दावे करता है:

1. “दंड को काटने से उसके मूल ध्रुव अलग हो जाते हैं, इसलिए A में केवल दक्षिणी ध्रुव और B में केवल उत्तरी ध्रुव होना चाहिए।”
2. “B के विचुंबकित हो जाने के बाद स्थायी चुंबक उस पर कोई चुंबकीय बल नहीं लगा पाएगा।”

निर्धारित करें कि प्रत्येक दावे में क्या गलत है। फिर अनुमान लगाइए कि स्थायी चुंबक का उत्तरी ध्रुव पास लाने पर A और B कैसे व्यवहार करेंगे।

समाधान 4

दोनों दावे गलत हैं। काटने के बाद A दोनों दक्षिणी और उत्तरी सिरों वाला एक छोटा चुंबक बना रहता है, और शुरुआत में B भी ऐसा ही होता है। B को विचुंबकित करने के बाद उसमें बहुत कम अवशिष्ट चुंबकन होता है, लेकिन प्रेरित चुंबकन के कारण वह फिर भी स्थायी चुंबक की ओर आकर्षित हो सकता है।

काटने से पहले दंड का शुद्ध चुंबकन बाएँ से दाएँ दिशा में है।

उसे काटने से चुंबकीय ध्रुव अलग नहीं होते। प्रत्येक बचे हुए टुकड़े के भीतर का चुंबकन नई कटी हुई सतहों पर नए चुंबकीय ध्रुव उत्पन्न करता है।

इसलिए हर आधा भाग एक पूर्ण चुंबक बन जाता है:

• A के अपने दक्षिणी और उत्तरी सिरे होते हैं;
• B के अपने दक्षिणी और उत्तरी सिरे होते हैं।

पहला आकर्षक लेकिन गलत तर्क उत्तरी और दक्षिणी ध्रुवों को अलग-अलग पदार्थ मानता है जो विपरीत सिरों पर संग्रहित हों। ऐसा नहीं है। ध्रुव वस्तु के चुंबकन के परिणाम हैं।

A को चुंबकित अवस्था में छोड़ दिया जाता है। इसलिए A के पास उत्तरी परीक्षण ध्रुव लाने पर, इस पर निर्भर करते हुए कि A के किस सिरे के पास उसे लाया गया है, आकर्षण या प्रतिकर्षण हो सकता है।

इसके बाद B को विचुंबकित किया जाता है। उसके डोमेनों में बहुत कम शुद्ध संरेखण होता है, इसलिए वह अब मजबूत स्थायी चुंबक की तरह व्यवहार नहीं करता।

लेकिन “स्थायी रूप से चुंबकित नहीं” का अर्थ “क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करने में असमर्थ” नहीं है। B अभी भी लौहचुंबकीय है।

जब स्थायी चुंबक का उत्तरी ध्रुव B के पास आता है, तो क्षेत्र B में चुंबकन प्रेरित करता है। उसका पास वाला सिरा प्रभावी रूप से दक्षिणी हो जाता है, जिससे आकर्षक बल उत्पन्न होता है।

दूसरा आकर्षक लेकिन गलत तर्क अवशिष्ट चुंबकन को चुंबकीय संवेदनशीलता के साथ भ्रमित करता है। विचुंबकन बड़े शुद्ध संरेखण को हटा देता है; यह पदार्थ के डोमेनों को नए बाहरी क्षेत्र पर प्रतिक्रिया करने से नहीं रोकता।

प्रश्न 5

एक कठोर इस्पात की छड़ शुरू में दाईं ओर बहुत अधिक चुंबकित है। उसे ऐसी परिनालिका के भीतर रखा जा सकता है जो छड़ के समानांतर चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है।

मान लीजिए कि क्षेत्र को किसी भी दिशा में इतना मजबूत बनाया जा सकता है कि वह छड़ के चुंबकन को उलट सके।

उसे “विचुंबकित” करने के लिए दो प्रक्रियाएँ प्रस्तावित हैं।

प्रक्रिया A: कई चक्रों तक मजबूत प्रत्यावर्ती धारा लगाएँ। क्षेत्र का आयाम स्थिर रखें। अंतिम अर्ध-चक्र के दौरान क्षेत्र बाईं ओर हो। धारा को अचानक शून्य कर दें।

प्रक्रिया B: प्रत्यावर्ती धारा लगाएँ, लेकिन कई चक्रों के दौरान उसका आयाम धीरे-धीरे कम करते जाएँ, जब तक कि क्षेत्र लगभग शून्य न हो जाए।

एक विद्यार्थी तर्क देता है कि दोनों प्रक्रियाएँ काम करनी चाहिए, क्योंकि दोनों में छड़ समान संख्या में बाईं और दाईं ओर के क्षेत्रों के संपर्क में आती है, इसलिए प्रभावों को एक-दूसरे को निरस्त कर देना चाहिए।

हर प्रक्रिया के बाद संभावित अंतिम चुंबकीय अवस्था की तुलना करें। समझाइए कि केवल समान संख्या में क्षेत्र-दिशाएँ गिनना गलत भविष्यवाणी क्यों देता है।

समाधान 5

प्रक्रिया B वास्तविक विचुंबकन प्रक्रिया है। प्रक्रिया A पर्याप्त अवशिष्ट चुंबकन छोड़ सकती है, और दी गई परिस्थितियों में संभवतः बाईं ओर, क्योंकि छड़ की अंतिम अवस्था लगाए गए क्षेत्रों के क्रम और परिमाण पर निर्भर करती है, न कि बाईं और दाईं ओर के चक्रों की केवल अंकगणितीय गिनती पर।

प्रक्रिया A में प्रत्येक बड़ा अर्ध-चक्र इतना मजबूत है कि पदार्थ को पर्याप्त रूप से उसी दिशा में चुंबकित अवस्था की ओर ले जाए।

दाईं ओर का अर्ध-चक्र मजबूत दाईं ओर चुंबकन उत्पन्न करने की प्रवृत्ति रखता है। अगला बाईं ओर का अर्ध-चक्र उसे उलटने की प्रवृत्ति रखता है।

क्योंकि आयाम कभी कम नहीं होता, छड़ को धीरे-धीरे शून्य चुंबकन की ओर ले जाने के बजाय बार-बार मजबूत चुंबकित अवस्थाओं के बीच चलाया जाता है।

अंतिम मजबूत अर्ध-चक्र बाईं ओर है। यदि इसके बाद धारा अचानक हटा दी जाए, तो कठोर इस्पात पर्याप्त बाईं ओर चुंबकन बनाए रख सकता है।

इसलिए

\[ \text{समान संख्या में धनात्मक और ऋणात्मक क्षेत्र-चक्र} \not\Rightarrow \text{शून्य अंतिम चुंबकन}. \]

विद्यार्थी का निरस्तीकरण वाला तर्क उन राशियों के लिए काम करेगा जो स्वतंत्र रूप से सरलता से जुड़ती हैं। लौहचुंबकीय चुंबकन ऐसा व्यवहार नहीं करता, क्योंकि पदार्थ में हिस्टेरेसिस होता है: किसी क्षण उसकी प्रतिक्रिया उसकी पिछली चुंबकीय अवस्था पर निर्भर करती है।

प्रक्रिया B उस इतिहास को जानबूझकर बदलती है।

शुरुआत में प्रत्यावर्ती क्षेत्र इतना बड़ा होता है कि डोमेन संरचना में बड़े पुनर्व्यवस्थापन कर सके। इसके बाद हर उलटाव का आयाम पिछले उलटाव से छोटा होता है।

इसलिए छड़ को क्रमशः छोटे होते चुंबकन परिवर्तनों से विपरीत दिशाओं में गुज़ारा जाता है। बचा हुआ संरेखण लगातार कम होता जाता है, जब तक कि लगाए गए क्षेत्र के शून्य तक पहुँचने पर बहुत कम शुद्ध चुंबकन न बच जाए।

मुख्य अंतर बाईं और दाईं ओर के चक्रों की संख्या नहीं है। मुख्य अंतर घटता हुआ आयाम है।

लौहचुंबकीय पदार्थों के बारे में यही गहरा सबक है: केवल लगाया गया चुंबकीय क्षेत्र जानना कभी-कभी उनकी अवस्था की भविष्यवाणी करने के लिए पर्याप्त नहीं होता। आपको उनका चुंबकीय इतिहास भी जानना होता है।

यही विचार हिस्टेरेसिस वक्रों, coercivity और remanence तक पहुँचने का आधार है। यह यह भी समझाता है कि विद्युतचुंबक के कोर के लिए चुना गया पदार्थ स्थायी चुंबक के लिए चुने गए पदार्थ से बहुत अलग व्यवहार क्यों करना चाहिए।