Bihar Board class 12 physics ch-5 magnetism and matter bar magnets and Magnetic fields notes and 20 important MCQs

यह पाठ चुंबकत्व और द्रव्य के सिद्धांतों की विस्तृत व्याख्या करता है, जिसमें बार मैग्नेट और धारावाही परिनालिका के बीच की समानता को मुख्य रूप से दर्शाया गया है। इसमें चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के गुणों पर प्रकाश डालते हुए बताया गया है कि ये रेखाएं हमेशा सतत बंद लूप बनाती हैं। लेखक ने चुंबकत्व के लिए गॉस के नियम को स्पष्ट किया है, जो यह प्रमाणित करता है कि प्रकृति में स्वतंत्र चुंबकीय एकल ध्रुवों का कोई अस्तित्व नहीं होता। इसके अतिरिक्त, पाठ में स्थिर वैद्युतिकी और चुंबकत्व के बीच तुलनात्मक समीकरणों के माध्यम से समानताएं स्थापित की गई हैं। उदाहरणों और चित्रों के प्रयोग से विभिन्न परिस्थितियों में चुंबकीय सुई के संतुलन और स्थितिज ऊर्जा को भी गहराई से समझाया गया है। अंततः, यह स्रोत पाठकों को पदार्थ के चुंबकीय गुणों और उनके वर्गीकरण के बुनियादी वैज्ञानिक आधार से परिचित कराता है।

चुंबकत्व एवं द्रव्य: विस्तृत नोट्स

1. चुंबकत्व की बुनियादी अवधारणाएं

परिचय: चुंबकत्व की घटना प्रकृति में सार्वभौमिक है। 'चुंबक' शब्द की उत्पत्ति यूनान के एक द्वीप 'मैग्नेशिया' से हुई है, जहाँ 600 ईसा पूर्व चुंबकीय अयस्कों के भंडार मिले थे । गतिशील आवेश या विद्युत धारा चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती है ।

मूल गुण:

पृथ्वी एक चुंबक की भांति व्यवहार करती है, जिसका चुंबकीय क्षेत्र लगभग भौगोलिक दक्षिण से उत्तर की ओर संकेत करता है ।

स्वतंत्रतापूर्वक लटकाया गया छड़ चुंबक हमेशा उत्तर-दक्षिण दिशा में ठहरता है ।

समान ध्रुव (उत्तर-उत्तर या दक्षिण-दक्षिण) एक-दूसरे को प्रतिकर्षित करते हैं, जबकि विपरीत ध्रुव आकर्षित करते हैं ।

चुंबकीय ध्रुवों को अलग नहीं किया जा सकता (चुंबकीय एकल ध्रुव या मोनोपोल का अस्तित्व नहीं है)। यदि चुंबक को तोड़ा जाए, तो नए छोटे चुंबक बन जाते हैं ।

2. चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं

चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं चुंबकीय क्षेत्र का दृश्य प्रतिनिधित्व हैं ।

गुण:

ये सतत बंद लूप (continuous closed loops) बनाती हैं (विद्युत बल रेखाओं के विपरीत जो धनावेश से शुरू होकर ऋणावेश पर खत्म होती हैं) ।

क्षेत्र रेखा के किसी बिंदु पर खींची गई स्पर्श रेखा उस बिंदु पर परिणामी चुंबकीय क्षेत्र (B) की दिशा बताती है ।

प्रति इकाई क्षेत्रफल से गुजरने वाली रेखाओं की संख्या उस स्थान पर चुंबकीय क्षेत्र B के परिमाण को दर्शाती है ।

दो चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं कभी एक-दूसरे को नहीं काटतीं, क्योंकि कटान बिंदु पर क्षेत्र की दो दिशाएं हो जाएंगी जो असंभव है ।

3. छड़ चुंबक और परिनालिका

एक छड़ चुंबक का व्यवहार एक धारावाही परिनालिका (Solenoid) के समान होता है । छड़ चुंबक को काटना परिनालिका को काटने जैसा है ।

अधिक दूरी पर एक धारावाही परिनालिका और छड़ चुंबक का अक्षीय क्षेत्र समान होता है: $B = \frac{\mu_0}{4\pi} \frac{2m}{r^3}$ ।

4. एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में द्विध्रुव (Dipole)

बल आघूर्ण (Torque): $\tau = m \times B$ जिसका परिमाण $\tau = mB \sin\theta$ होता है ।

स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy): $U_m = -m \cdot B = -mB \cos\theta$ ।

संतुलन की स्थिति:

स्थायी संतुलन: न्यूनतम स्थितिज ऊर्जा ($-mB$) तब होती है जब $\theta = 0^\circ$ ।

अस्थायी संतुलन: अधिकतम स्थितिज ऊर्जा ($+mB$) तब होती है जब $\theta = 180^\circ$ ।

5. चुंबकत्व संबंधी गाउस का नियम

इस नियम के अनुसार, किसी भी बंद पृष्ठ से गुजरने वाला कुल चुंबकीय फ्लक्स हमेशा शून्य होता है ($\oint B \cdot \Delta S = 0$)।

यह इस तथ्य को प्रमाणित करता है कि पृथक्कृत चुंबकीय ध्रुवों का अस्तित्व नहीं होता ।

6. चुंबकन एवं चुंबकीय तीव्रता

चुंबकन (M): प्रति इकाई आयतन उत्पन्न परिणामी चुंबकीय आघूर्ण को चुंबकन कहते हैं ($M = m_{net} / V$)। इसका मात्रक $A m^{-1}$ है ।

चुंबकीय तीव्रता (H): $H = \frac{B}{\mu_0} - M$, कुल चुंबकीय क्षेत्र $B = \mu_0(H + M)$ होता है ।

चुंबकीय प्रवृत्ति ($\chi$): $M = \chi H$, यह मापती है कि बाहरी चुंबकीय क्षेत्र का पदार्थ पर क्या प्रभाव पड़ता है ।

आपेक्षिक चुंबकशीलता ($\mu_r$): $\mu_r = 1 + \chi$ ।

7. पदार्थों के चुंबकीय गुण

प्रतिचुंबकीय (Diamagnetic): ये बाह्य क्षेत्र में अधिक तीव्रता वाले भाग से कम तीव्रता वाले भाग की ओर जाने की प्रवृत्ति रखते हैं। चुंबक इन्हें प्रतिकर्षित करता है । इनकी चुंबकीय प्रवृत्ति ($\chi$) छोटी और ऋणात्मक होती है । उदाहरण: बिस्मथ, तांबा, सीसा, पानी, अतिचालक ।

अनुचुंबकीय (Paramagnetic): ये बाह्य क्षेत्र में क्षीण चुंबकत्व प्राप्त कर लेते हैं। ये चुंबक की ओर क्षीण बल द्वारा आकर्षित होते हैं । इनकी चुंबकीय प्रवृत्ति ($\chi$) धनात्मक और कम होती है । उदाहरण: ऐलुमिनियम, सोडियम, ऑक्सीजन । इनका चुंबकत्व तापमान पर निर्भर करता है ।

लौह चुंबकीय (Ferromagnetic): ये बाह्य क्षेत्र में शक्तिशाली चुंबक बन जाते हैं और चुंबक की ओर भारी आकर्षण बल का अनुभव करते हैं । इनमें 'डोमेन' बनते हैं जो एक दिशा में संरेखित हो जाते हैं । इनकी प्रवृत्ति ($\chi$) धनात्मक और बहुत अधिक होती है । उदाहरण: लोहा, कोबाल्ट, निकल ।

कठोर चुंबकीय पदार्थ: बाह्य क्षेत्र हटाने पर भी चुंबकन बना रहता है (जैसे एलनिको) ।

नरम चुंबकीय पदार्थ: बाह्य क्षेत्र हटाते ही चुंबकन खत्म हो जाता है (जैसे नरम लोहा) ।

उच्च ताप पर लौह चुंबक अनुचुंबक बन जाता है ।

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वस्तुनिष्ठ प्रश्न (MCQs)

प्रश्न 1: 'चुंबक' शब्द की उत्पत्ति यूनान के किस द्वीप के नाम से हुई है?

A. साइप्रस

B. मैग्नेशिया

C. क्रीट

D. सिसिली

उत्तर: B. मैग्नेशिया

प्रश्न 2: जब एक छड़ चुंबक को स्वतंत्रतापूर्वक लटकाया जाता है, तो वह किस दिशा में ठहरता है?

A. पूर्व-पश्चिम

B. उत्तर-दक्षिण

C. उत्तर-पूर्व

D. दक्षिण-पश्चिम

उत्तर: B. उत्तर-दक्षिण

प्रश्न 3: यदि किसी छड़ चुंबक को दो भागों में विभाजित किया जाए, तो क्या होगा?

A. वे अपना चुंबकत्व खो देंगे

B. एक भाग उत्तरी ध्रुव और दूसरा दक्षिणी ध्रुव बन जाएगा

C. हमें दो छोटे अलग-अलग छड़ चुंबक मिल जाएंगे

D. वे विद्युत ध्रुव में बदल जाएंगे

उत्तर: C. हमें दो छोटे अलग-अलग छड़ चुंबक मिल जाएंगे

प्रश्न 4: चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के संबंध में कौन सा कथन सत्य है?

A. ये हमेशा खुले वक्र बनाती हैं

B. ये धनावेश से शुरू होकर ऋणावेश पर खत्म होती हैं

C. ये सतत बंद लूप बनाती हैं

D. ये एक-दूसरे को काट सकती हैं

उत्तर: C. ये सतत बंद लूप बनाती हैं

प्रश्न 5: दो चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं एक-दूसरे को क्यों नहीं काटतीं?

A. क्योंकि उनके बीच प्रतिकर्षण होता है

B. क्योंकि कटान बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की दो दिशाएं हो जाएंगी, जो असंभव है

C. क्योंकि वे समानांतर चलती हैं

D. क्योंकि वे बंद लूप बनाती हैं

उत्तर: B. क्योंकि कटान बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की दो दिशाएं हो जाएंगी, जो असंभव है

प्रश्न 6: एक छड़ चुंबक का चुंबकीय क्षेत्र किसके चुंबकीय क्षेत्र के समान होता है?

A. एक सीधे धारावाही तार

B. एक टोरॉयड

C. एक धारावाही परिनालिका

D. संधारित्र

उत्तर: C. एक धारावाही परिनालिका

प्रश्न 7: एकसमान चुंबकीय क्षेत्र (B) में रखे m चुंबकीय आघूर्ण वाले द्विध्रुव पर लगने वाले बल आघूर्ण ($\tau$) का सूत्र क्या है?

A. $\tau = m \cdot B$

B. $\tau = m + B$

C. $\tau = m \times B$

D. $\tau = m / B$

उत्तर: C. $\tau = m \times B$

प्रश्न 8: एक चुंबकीय द्विध्रुव की न्यूनतम स्थितिज ऊर्जा (स्थायी संतुलन) किस कोण पर होती है?

A. $\theta = 90^\circ$

B. $\theta = 180^\circ$

C. $\theta = 45^\circ$

D. $\theta = 0^\circ$

उत्तर: D. $\theta = 0^\circ$

प्रश्न 9: चुंबकत्व संबंधी गाउस का नियम क्या कहता है?

A. बंद पृष्ठ से गुजरने वाला कुल चुंबकीय फ्लक्स अनंत होता है

B. बंद पृष्ठ से गुजरने वाला कुल चुंबकीय फ्लक्स हमेशा शून्य होता है

C. चुंबकीय ध्रुवों को अलग किया जा सकता है

D. चुंबकीय फ्लक्स धनात्मक होता है

उत्तर: B. बंद पृष्ठ से गुजरने वाला कुल चुंबकीय फ्लक्स हमेशा शून्य होता है

प्रश्न 10: चुंबकत्व के लिए गाउस का नियम किस तथ्य की पुष्टि करता है?

A. चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं एक दूसरे को काटती हैं

B. पृथक्कृत चुंबकीय ध्रुवों (एकल ध्रुव) का अस्तित्व नहीं होता

C. धारा लूप चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न नहीं कर सकता

D. पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र स्थिर है

उत्तर: B. पृथक्कृत चुंबकीय ध्रुवों (एकल ध्रुव) का अस्तित्व नहीं होता

प्रश्न 11: चुंबकन (Magnetization - M) का SI मात्रक क्या है?

A. $A m^2$

B. $A m^{-1}$

C. $T m A^{-1}$

D. $V / m$

उत्तर: B. $A m^{-1}$

प्रश्न 12: आपेक्षिक चुंबकशीलता ($\mu_r$) और चुंबकीय प्रवृत्ति ($\chi$) के बीच क्या संबंध है?

A. $\mu_r = \chi$

B. $\mu_r = 1 - \chi$

C. $\mu_r = 1 + \chi$

D. $\mu_r = \chi / 2$

उत्तर: C. $\mu_r = 1 + \chi$

प्रश्न 13: वे पदार्थ जो बाहरी चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर अधिक तीव्रता वाले भाग से कम तीव्रता वाले भाग की ओर जाने की प्रवृत्ति रखते हैं, क्या कहलाते हैं?

A. अनुचुंबकीय पदार्थ

B. लौह चुंबकीय पदार्थ

C. प्रतिचुंबकीय पदार्थ

D. परावैद्युत पदार्थ

उत्तर: C. प्रतिचुंबकीय पदार्थ

प्रश्न 14: प्रतिचुंबकीय पदार्थों की चुंबकीय प्रवृत्ति ($\chi$) का मान कैसा होता है?

A. धनात्मक और बहुत अधिक

B. धनात्मक और कम

C. ऋणात्मक

D. शून्य

उत्तर: C. ऋणात्मक

प्रश्न 15: निम्नलिखित में से कौन सा पदार्थ अनुचुंबकीय (Paramagnetic) है?

A. बिस्मथ

B. ऐलुमिनियम

C. तांबा

D. पानी

उत्तर: B. ऐलुमिनियम

प्रश्न 16: अतिचालक (Superconductors) किस प्रकार का चुंबकीय गुण प्रदर्शित करते हैं?

A. पूर्ण लौह चुंबकत्व

B. पूर्ण अनुचुंबकत्व

C. पूर्ण प्रतिचुंबकत्व (माइस्नर प्रभाव)

D. इनमें से कोई नहीं

उत्तर: C. पूर्ण प्रतिचुंबकत्व (माइस्नर प्रभाव)

प्रश्न 17: लौह चुंबकीय (Ferromagnetic) पदार्थों में सूक्ष्म आयतन जिनमें परमाणु एक दिशा में संरेखित हो जाते हैं, क्या कहलाते हैं?

A. इलेक्ट्रॉन

B. प्रोटॉन

C. डोमेन

D. आयन

उत्तर: C. डोमेन

प्रश्न 18: बाह्य क्षेत्र हटा लेने पर भी जिन पदार्थों में चुंबकन बना रहता है, उन्हें क्या कहते हैं?

A. नरम लौह चुंबकीय पदार्थ

B. कठोर चुंबकीय पदार्थ

C. अनुचुंबकीय पदार्थ

D. अतिचालक

उत्तर: B. कठोर चुंबकीय पदार्थ

प्रश्न 19: पर्याप्त उच्च ताप पर एक लौह चुंबक किस प्रकार के पदार्थ में बदल जाता है?

A. प्रतिचुंबकीय

B. अनुचुंबकीय

C. अतिचालक

D. परावैद्युत

उत्तर: B. अनुचुंबकीय

प्रश्न 20: एलनिको (Alnico) का उपयोग मुख्य रूप से किस काम के लिए किया जाता है?

A. अस्थायी चुंबक बनाने में

B. अतिचालक तार बनाने में

C. स्थायी चुंबक बनाने में

D. विद्युत रोधी बनाने में

उत्तर: C. स्थायी चुंबक बनाने में