एक शक्तिशाली नियोडिमियम चुंबक को ताँबे की नली में गिराने पर एक अनोखी घटना होती है। ताँबा चुंबक से चिपकने वाली धातु नहीं है, फिर भी चुंबक ऐसे धीरे-धीरे नीचे उतरता है, मानो शहद में से गुजर रहा हो। मानो कोई अदृश्य चीज़ चुंबक को थाम रही हो। यही चीज़ ‘भँवर धारा (Eddy Current)’ है।
सरल शब्दों में, भँवर धारा का अर्थ है ‘बदलते चुंबकीय क्षेत्र के कारण धातु जैसे चालक के भीतर भँवर के आकार में बनने वाली विद्युत धारा’। चट्टान के चारों ओर बहते पानी में बनने वाले भँवर से तुलना करते हुए इसे चक्करदार धारा भी कहते हैं। इस घटना का गहन अध्ययन करने वाले फ्रांसीसी भौतिक विज्ञानी के नाम पर इसे फूको धारा भी कहा जाता है।
इस सामग्री में हम क्रम से देखेंगे कि भँवर धारा कैसे बनती है, वह ट्रांसफॉर्मर के भीतर परेशानी कैसे पैदा करती है, और ब्रेक, इंडक्शन चूल्हों तथा धातु की जाँच में उसका उपयोग कैसे होता है।
धातु के भीतर विद्युत भँवर: भँवर धारा का सिद्धांत और उपयोग
भँवर धारा क्या है?
चालक के आसपास चुंबकीय क्षेत्र बदलने पर चालक के भीतर प्रेरित विद्युत वाहक बल उत्पन्न होता है, जो विद्युत आवेशों को आगे बढ़ाता है। यही विद्युतचुंबकीय प्रेरण है, जिसे माइकल फैराडे ने 1831 में स्पष्ट किया था। तार में धारा एक निर्धारित मार्ग पर बहती है, लेकिन धातु की चौड़ी प्लेट या ठोस टुकड़े के भीतर उसका कोई अलग से निर्धारित मार्ग नहीं होता और वह छोटे-छोटे घेरे बनाकर घूमती रहती है। धातु के भीतर इस तरह घूमने वाली धारा ही भँवर धारा है।
भँवर धारा तब बनती है जब चुंबक धातु के पास चलता है, धातु चुंबकीय क्षेत्र से होकर गुजरती है, या प्रत्यावर्ती विद्युत की तरह चुंबकीय क्षेत्र की तीव्रता लगातार बदलती रहती है। चुंबकीय क्षेत्र जितना प्रबल हो, उसका बदलाव जितना तेज़ हो और धातु जितनी अच्छी विद्युत चालक हो, धारा उतनी ही प्रबल बहती है।
समझने के लिए कल्पना कीजिए कि शांत तालाब में एक छड़ी डालकर पानी को हिलाया जा रहा है। छड़ी जहाँ-जहाँ से गुजरती है, वहाँ पानी छोटे-छोटे भँवर बनाकर घूमता है और छड़ी को पानी का प्रतिरोध महसूस होता है। धातु के भीतर के इलेक्ट्रॉन भी बदलते चुंबकीय क्षेत्र रूपी छड़ी से हिलकर भँवर बनाते हैं, और वे भँवर बदले में चुंबक की गति को रोकते हैं।
ऐतिहासिक रूप से, फ्रांस के फ्रांस्वा अरागो ने 1824 में पहली बार देखा कि घूमती ताँबे की प्लेट के पास रखे दिक्सूचक की सुई खिंचती चली जाती है। इसके बाद 1855 में लिओं फूको ने पुष्टि की कि चुंबकों के बीच ताँबे की चकती घुमाने पर उसे घुमाना बहुत कठिन हो जाता है और चकती गर्म हो जाती है।
बदलाव का विरोध करने वाला बल, लेंज़ का नियम
भँवर धारा के बहने की दिशा का एक स्पष्ट नियम है। यह लेंज़ का नियम है, जिसे रूसी साम्राज्य में कार्यरत भौतिक विज्ञानी हाइनरिख लेंज़ ने 1834 में प्रतिपादित किया था।
- लेंज़ का नियम (Lenz's Law): प्रेरित धारा उस दिशा में बहती है जो उसे उत्पन्न करने वाले चुंबकीय क्षेत्र के बदलाव का विरोध करे।
- कर्षण बल (Drag Force): इसके परिणामस्वरूप चुंबक और धातु के बीच ऐसा बल उत्पन्न होता है, जो उनकी एक-दूसरे के सापेक्ष गति को धीमा करता है।
- ऊष्मा उत्पादन (Joule Heating): धातु के प्रतिरोध के कारण धारा की ऊर्जा ऊष्मा में बदल जाती है।
ताँबे की नली के भीतर चुंबक के व्यवहार को भी इसी तरह समझाया जा सकता है। चुंबक गिरता है तो उसके नीचे की नली की दीवार में चुंबकीय क्षेत्र बढ़ता है और ऊपर की दीवार में घटता है। इससे नली की दीवार में भँवर धारा बनती है, जिसके कारण निचला हिस्सा चुंबक को दूर धकेलता है और ऊपरी हिस्सा उसे अपनी ओर खींचता है। अंततः चुंबक की गतिज ऊर्जा ऊष्मा के रूप में निकलकर नली को बहुत थोड़ा गर्म करती है, और चुंबक धीरे-धीरे गिरता है। उसी चुंबक को प्लास्टिक की नली में डालने पर धारा नहीं बह सकती, इसलिए वह सीधे झट से नीचे गिर जाता है।
जब भँवर धारा परेशानी बन जाती है
भँवर धारा हमेशा स्वागत योग्य नहीं होती। ट्रांसफॉर्मर, विद्युत मोटर और जनरेटर के भीतर ऐसे लौह क्रोड होते हैं जिनमें प्रत्यावर्ती धारा के कारण चुंबकीय क्षेत्र लगातार बदलता रहता है। यदि लौह क्रोड एक ही ठोस टुकड़ा हो, तो उसके भीतर बड़ी भँवर धाराएँ घूमती हैं और विद्युत ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में व्यर्थ करके मशीन को गर्म कर देती हैं। इसे भँवर धारा हानि कहते हैं।
(1) पतली परतें बनाकर एक के ऊपर एक रखना
इसीलिए ट्रांसफॉर्मर का लौह क्रोड सिलिकॉन इस्पात की पतली चादरों पर विद्युतरोधी परत चढ़ाकर और उन्हें एक के ऊपर एक रखकर बनाया जाता है। धारा एक चादर से दूसरी चादर तक नहीं जा सकती, इसलिए भँवर छोटे-छोटे हिस्सों में बँट जाते हैं और हानि बहुत कम हो जाती है। सिद्धांततः भँवर धारा हानि चादर की मोटाई के वर्ग के समानुपाती होती है, इसलिए मोटाई आधी कर देने पर हानि घटकर लगभग 4 भागों में से 1 भाग रह जाती है। यही कारण है कि वास्तविक ट्रांसफॉर्मर की इस्पात चादरें 1 मिलीमीटर से भी कहीं अधिक पतली होती हैं।
(2) कम विद्युत चालकता वाली सामग्री का उपयोग
उच्च आवृत्ति पर काम करने वाले इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में फेराइट जैसी सामग्री का क्रोड बनाकर भँवर धारा रोकी जाती है। ऐसी सामग्री आसानी से चुंबकित होती है, लेकिन विद्युत की अच्छी चालक नहीं होती। आवृत्ति बढ़ने के साथ भँवर धारा हानि तेज़ी से बढ़ती है, इसलिए उपकरण की आवृत्ति जितनी अधिक हो, ऐसी सामग्री का चयन उतना ही महत्त्वपूर्ण होता है।
भँवर धारा का जानबूझकर उपयोग करने वाली तकनीकें
इसके उलट, ऐसी कई तकनीकें भी हैं जो भँवर धारा के कर्षण बल और ऊष्मा को उपयोगी बनाती हैं।
(1) बिना संपर्क के ब्रेक
भँवर धारा ब्रेक में धातु की प्लेट को चुंबकों के बीच से गुजारकर गति घटाई जाती है। घर्षण न होने से घिसने वाले पुर्ज़े लगभग नहीं होते, इसलिए इसका उपयोग रोलर कोस्टर और कुछ उच्च गति की रेलगाड़ियों में, बड़े ट्रकों के सहायक ब्रेक के रूप में, तथा बिजली से चलने वाली गोल आरी के ब्लेड को जल्दी रोकने में किया जाता है। हालाँकि गति कम होने पर इसका बल घटता है और यह रुकी हुई वस्तु को थामे नहीं रख सकता, इसलिए इसका उपयोग घर्षण ब्रेक के साथ किया जाता है।
(2) बर्तन को सीधे गर्म करने वाला इंडक्शन
इंडक्शन चूल्हा कुंडली में तेज़ी से बदलती धारा प्रवाहित करके बर्तन के तले में भँवर धारा उत्पन्न करता है। इसी सिद्धांत से बिना लौ के बर्तन स्वयं गर्म होता है। इसलिए ऐसे बर्तन इसके लिए उपयुक्त होते हैं जिनका तला लोहे जैसी चुंबक से चिपकने वाली सामग्री का बना हो।
(3) धातु पहचानने वाली नज़र
वेंडिंग मशीनें चुंबक के पास से लुढ़कते सिक्कों की गति कितनी धीमी होती है, इसके आधार पर नकली सिक्के छाँट देती हैं। पुनर्चक्रण कारखाने भँवर धारा से एल्युमिनियम के डिब्बों को उछालकर अन्य कचरे से अलग करते हैं। हवाई जहाज़ के पंखों या पाइपों को खोले बिना बारीक दरारें ढूँढ़ने वाली भँवर धारा दोष जाँच भी इसी सिद्धांत का उपयोग करती है। धातु के भीतर दरार होने पर भँवर का रास्ता रुक जाता है और धारा का प्रवाह बदल जाता है। जाँच उपकरण इसी छोटे बदलाव को पकड़ लेते हैं।
(4) कंपन मापने वाले सेंसर
बिजलीघर की टरबाइन जैसे तेज़ी से घूमने वाले शाफ्ट के पास भँवर धारा पर आधारित निकटता सेंसर लगाए जाते हैं। शाफ्ट और सेंसर के बीच की दूरी थोड़ी-सी भी बदलने पर भँवर धारा की तीव्रता बदल जाती है, इसलिए बिना छुए लगभग 0.1 मिलीमीटर के सूक्ष्म कंपन तक पर नज़र रखी जा सकती है।
भँवर धारा बदलते चुंबकीय क्षेत्र के प्रति धातु का एक छोटा-सा प्रतिरोध है। मशीन के भीतर वह ऊर्जा खपाने वाली परेशानी है, लेकिन उसका सिद्धांत समझ लेने पर वह ऐसा भरोसेमंद साधन बन जाती है जो बिना घिसे ब्रेक लगाने, तेज़ी से खाना पकाने और सटीक जाँच करने को संभव बनाती है।
पहले अदृश्य बलों के गुणों को समझना और फिर समझदारी से चुनना कि उन्हें रोकना है या उपयोग में लाना है—यही रोज़मर्रा के जीवन में भौतिकी सीखने का पहला कदम है।
