विद्युत-चुंबकीय तरंगें — विस्थापन धारा, मैक्सवेल का संश्लेषण व स्पेक्ट्रम
विस्थापन धारा — वह रिक्ति जो मैक्सवेल ने भरी
ऐम्पियर का परिपथीय नियम कहता है ∮B·dl = μ₀I। उसे आवेशित होते संधारित्र पर लगाइए और वह स्वयं का खंडन करता है: तार से भेदा गया पृष्ठ चुनिए तो μ₀I मिलता है, परंतु उसी लूप का पृष्ठ प्लेटों के बीच की रिक्ति में सरका दीजिए, जहाँ कोई आवेश पार नहीं करता, तो शून्य मिलता है। एक लूप हेतु दो उत्तर का अर्थ है नियम अपूर्ण है। मैक्सवेल का सुधार यह देखना था कि यद्यपि रिक्ति में कोई आवेश पार नहीं करता, वहाँ विद्युत फ्लक्स बदल रहा है, और उसके अनुरूप एक पद जोड़ देना।
| समीकरण | वह क्या कहता है | परिणाम |
|---|---|---|
| विद्युत हेतु गाउस नियम | बंद पृष्ठ से बाहर विद्युत फ्लक्स = q_परिबद्ध/ε₀ | विद्युत क्षेत्र रेखाएँ आवेशों पर आरंभ व समाप्त होती हैं |
| चुंबकत्व हेतु गाउस नियम | किसी भी बंद पृष्ठ से नेट चुंबकीय फ्लक्स शून्य है | कोई चुंबकीय एकध्रुव नहीं — क्षेत्र रेखाएँ बंद लूप हैं |
| फैराडे का प्रेरण नियम | बदलता चुंबकीय फ्लक्स परिचालित विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करता है | तरंग-क्रियाविधि का आधा भाग |
| ऐम्पियर–मैक्सवेल नियम | धारा या बदलता विद्युत फ्लक्स परिचालित चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करता है | दूसरा आधा — दोनों मिलकर तरंग स्वतः बनाए रखते हैं |
विद्युत-चुंबकीय तरंग की प्रकृति
| गुण | कथन | यह क्यों महत्वपूर्ण है |
|---|---|---|
| अनुप्रस्थ व परस्पर लंबवत | E ⊥ B, तथा दोनों गति-दिशा के ⊥; दिशा E × B के अनुदिश | ध्वनि के विपरीत EM तरंगों को ध्रुवणीय बनाता है |
| आयामों का अनुपात | E₀/B₀ = c, तथा E व B समकला हैं | B संख्यात्मक रूप से अत्यल्प — E₀ = 3 V/m हेतु B₀ = 10⁻⁸ T |
| माध्यम की आवश्यकता नहीं | निर्वात में c = 1/√(μ₀ε₀) से चलती; माध्यम में v = c/n = 1/√(μ ε) | सूर्य-प्रकाश रिक्त आकाश पार करके आता है; ध्वनि नहीं आ सकती |
| ऊर्जा समान रूप से बँटी है | u_E = ½ε₀E², औसतन u_B = B²/2μ₀ के बराबर | कुल u_av = ½ε₀E₀²; तीव्रता I = u_av·c |
| संवेग वहन करती है | अवशोषित ऊर्जा U हेतु p = U/c; विकिरण दाब = I/c | पूर्ण परावर्तक पर 2I/c हो जाता है |
| आवृत्ति स्रोत तय करता है | माध्यम में प्रवेश λ व v बदलता है, ν कभी नहीं | मानक "अपवर्तन पर क्या बदलता है" प्रश्न |
विद्युत-चुंबकीय स्पेक्ट्रम
स्पेक्ट्रम एक सतत परिवार है जिसमें कोई अंतराल तथा कोई ऊपरी या निचली सीमा नहीं; सात नामित पट्टियाँ सुविधाएँ हैं, और उनके नाम इस पर रखे गए हैं कि हम उन्हें कैसे बनाते व संसूचित करते हैं, उनकी भौतिकी में किसी भेद पर नहीं। वे सभी निर्वात में c से चलती हैं, सभी अनुप्रस्थ हैं, सभी ऊर्जा व संवेग वहन करती हैं। स्पेक्ट्रम भर जो बदलता है वह आवृत्ति है, और उसके साथ फोटॉन ऊर्जा E = hν — इसीलिए उच्च-आवृत्ति सिरा संकटपूर्ण है और निम्न-आवृत्ति सिरा नहीं।
| पट्टी | तरंगदैर्घ्य | किससे उत्पन्न / किस हेतु प्रयुक्त |
|---|---|---|
| रेडियो तरंगें | > 0.1 m | दोलनी परिपथ व एंटेना; प्रसारण, मोबाइल दूरभाष, MRI |
| सूक्ष्म तरंगें | 0.1 m – 1 mm | क्लाइस्ट्रॉन व मैग्नेट्रॉन; रेडार, उपग्रह संपर्क, माइक्रोवेव ओवन |
| अवरक्त | 1 mm – 700 nm | तप्त वस्तुएँ व आणविक कंपन; तापीय प्रतिबिंबन, दूर-नियंत्रक, भौतिक चिकित्सा |
| दृश्य प्रकाश | 700 nm – 400 nm | परमाणु बाह्य-कक्ष संक्रमण; दृष्टि, प्रकाश-संश्लेषण, प्रकाशिक तंतु |
| पराबैंगनी | 400 nm – 1 nm | आर्क व सूर्य; निर्जीवाणुकरण, LASIK, जालसाज़ी पहचान — ओज़ोन द्वारा अवशोषित |
| एक्स-किरणें | 1 nm – 10⁻³ nm | धातु लक्ष्य से टकराते तीव्र इलेक्ट्रॉन; रेडियोग्राफ़ी, क्रिस्टलिकी, कैंसर चिकित्सा |
| गामा किरणें | < 10⁻³ nm | रेडियोसक्रिय नाभिक; उपकरण निर्जीवाणुकरण, अर्बुद कोशिकाएँ नष्ट करना |
मुख्य बिंदु
- विस्थापन धारा I_d = ε₀ dΦ_E/dt चालन धारा के बराबर है, जो संधारित्र-रिक्ति के आर-पार धारा को सतत रखती है।
- c = 1/√(μ₀ε₀) — प्रकाश की चाल दो विद्युत नियतांकों से निकली, इसी प्रकार प्रकाशिकी विद्युत-चुंबकत्व से जुड़ी।
- EM तरंगें अनुप्रस्थ हैं, E ⊥ B, समकला, E₀/B₀ = c, और E × B के अनुदिश चलती हैं।
- विकिरण दाब कृष्ण पृष्ठ पर I/c परंतु दर्पण पर 2I/c है।
- बढ़ती आवृत्ति का क्रम: रेडियो, सूक्ष्म, अवरक्त, दृश्य, पराबैंगनी, एक्स-किरण, गामा।
- एक्स-किरणें व गामा किरणें तरंगदैर्घ्य में अतिव्यापी हैं; वे मूल से भिन्न हैं — नाभिक के बाहर बनाम भीतर।
- माध्यम में प्रवेश पर आवृत्ति स्थिर रहती है जबकि तरंगदैर्घ्य व चाल दोनों घटते हैं।
अभ्यास प्रश्न (8)
उत्तर खोलने से पहले प्रत्येक प्रश्न हल करें। हर व्याख्या सही विकल्प के साथ लुभावना गलत विकल्प भी बताती है, क्योंकि अंक वहीं जाते हैं।
एक संधारित्र प्रतिरोधक से होकर आवेशित किया जा रहा है। उसकी प्लेटों के बीच विस्थापन धारा है:
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उत्तर: A — संयोजक तारों की चालन धारा के बराबर
चूँकि प्लेटों के बीच Φ_E = q/ε₀, अतः I_d = ε₀ dΦ_E/dt = dq/dt, ठीक चालन धारा — जो परिपथ भर धारा को सतत रखती है। लुभावना "शून्य" आवेश-प्रवाह को धारा से भ्रमित करता है: बदलता विद्युत क्षेत्र धारा को रिक्ति के आर-पार वहन करता है। अंतिम विकल्प सत्य को उलट देता है, क्योंकि पूर्णतः आवेशित होने पर dΦ_E/dt = 0 और विस्थापन धारा लुप्त हो जाती है।एक विद्युत-चुंबकीय तरंग +z दिशा में चलती है और उसका विद्युत क्षेत्र +x के अनुदिश है। उसका चुंबकीय क्षेत्र किस अनुदिश है:
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उत्तर: A — +y
संचरण E × B के अनुदिश है, और x̂ × ŷ = ẑ, अतः B को +y के अनुदिश होना चाहिए। विकल्प +z क्षेत्र को गति-दिशा में रखने की उत्कृष्ट त्रुटि है, जो अनुप्रस्थ तरंग हेतु असंभव है; −x से E व B समांतर हो जाएँगे, अतः उनका सदिश गुणनफल — और इसलिए संचरण दिशा — लुप्त हो जाएगा।निर्वात में समतल विद्युत-चुंबकीय तरंग का विद्युत क्षेत्र आयाम 6 V/m है। उसके चुंबकीय क्षेत्र का आयाम है:
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उत्तर: A — 2 × 10⁻⁸ T
E₀/B₀ = c, अतः B₀ = 6/(3 × 10⁸) = 2 × 10⁻⁸ T। भाग देने के स्थान पर c से गुणा करने पर असंगत 1.8 × 10⁹ T मिलता है, जिसे तत्काल अस्वीकार करना चाहिए — कोई प्रयोगशाला चुंबक लगभग 100 T से अधिक नहीं जाता, और इस प्रकार के प्रत्येक प्रश्न में यह विश्वसनीय विवेक-जाँच है।तीव्रता I का प्रकाश पूर्णतः परावर्तक दर्पण पर अभिलंबवत् पड़ता है। उस पर आरोपित विकिरण दाब है:
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उत्तर: A — 2I/c
दर्पण तरंग के संवेग को अवशोषित करने के स्थान पर उलट देता है, अतः प्रति एकांक समय संवेग-परिवर्तन दुगुना और दाब 2I/c है। भ्रामक विकल्प I/c पूर्णतः कृष्ण, अवशोषक पृष्ठ हेतु शुद्ध उत्तर है — प्रश्न ठीक वही भेद जाँच रहा है, और "परावर्तक" शब्द ही पूरा संकेत है।निम्नलिखित में कौन-सी सूची बढ़ती आवृत्ति के क्रम में है?
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उत्तर: A — सूक्ष्म तरंगें, अवरक्त, पराबैंगनी, एक्स-किरणें
आवृत्ति रेडियो, सूक्ष्म, अवरक्त, दृश्य, पराबैंगनी, एक्स-किरण, गामा के क्रम में बढ़ती है, अतः पहली सूची शुद्ध है। दूसरी वही अनुक्रम उलटा है, जो बढ़ते तरंगदैर्घ्य का क्रम है — यह अंक खोने का सर्वाधिक सामान्य ढंग प्रश्न को आवृत्ति के स्थान पर तरंगदैर्घ्य पूछने वाला पढ़ लेना है।एक्स-किरणें व गामा किरणें समान तरंगदैर्घ्य की हो सकती हैं। उनमें भेद किससे किया जाता है:
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उत्तर: A — उनके मूल से — एक्स-किरणों हेतु नाभिक के बाहर, गामा किरणों हेतु उसके भीतर
जहाँ तरंगदैर्घ्य अतिव्यापी हैं वहाँ एकमात्र वास्तविक भेद स्रोत है: एक्स-किरणें नाभिक के बाहर इलेक्ट्रॉन संक्रमणों व मंदित होते इलेक्ट्रॉनों से आती हैं, गामा किरणें उसके भीतर नाभिकीय क्षय से। चाल उनमें भेद नहीं कर सकती क्योंकि सभी विद्युत-चुंबकीय तरंगें निर्वात में c से चलती हैं, और आवेश तो प्रश्न ही नहीं — विद्युत-चुंबकीय तरंगें अनावेशित होती हैं।एकवर्णी विद्युत-चुंबकीय तरंग निर्वात से काँच में जाती है। कौन-सी राशि अपरिवर्तित रहती है?
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उत्तर: A — आवृत्ति
आवृत्ति स्रोत तय करता है और सीमा यह नहीं बदल सकती कि प्रति सेकंड कितने दोलन आते हैं, अतः ν स्थिर है; चूँकि v = νλ और चाल घटकर c/n हो जाती है, तरंगदैर्घ्य को उसी n गुणक से घटना ही होगा। तरंगदैर्घ्य चुनना मानक त्रुटि है, और वह तरंग को समय की स्थिर लय के स्थान पर आकाश में स्थिर पैटर्न मानकर चित्रित करने से आती है।हरितगृह प्रभाव इसलिए उत्पन्न होता है कि CO₂ जैसी वायुमंडलीय गैसें:
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उत्तर: A — आती दृश्य किरणें पारगमित करती हैं परंतु जाती अवरक्त अवशोषित करती हैं
सूर्य-प्रकाश मुख्यतः दृश्य किरणों रूप में आता है, जिन्हें ये गैसें जाने देती हैं; तप्त पृष्ठ अवरक्त में पुनः विकिरित करता है, जिसे वे अवशोषित कर ऊर्जा रोक लेती हैं। अंतिम विकल्प ओज़ोन व पराबैंगनी का वर्णन करता है, जो भिन्न परत में भिन्न क्रियाविधि है — ओज़ोन क्षय को वैश्विक तापन से भ्रमित करना वही मानक घालमेल है जिसे पकड़ने हेतु यह प्रश्न रखा गया है।