విద్యుత్ ప్రవాహ అయస్కాంత ప్రభావాలు (Magnetic Effects of Electric Current)

విద్యుత్ ప్రవాహం వల్ల ఉష్ణ ప్రభావం కలుగుతుందని విద్యుత్ అధ్యాయంలో తెలుసుకున్నాం. విద్యుత్ ప్రవాహానికి ఉన్న మరో ముఖ్య ప్రభావం అయస్కాంత ప్రభావం (Magnetic effect).

విద్యుత్ ప్రవహించే తీగ అయస్కాంతంలా ప్రవర్తిస్తుందని ఈ అధ్యాయం మొదలులోనే ఒక కృత్యంతో చూపిస్తారు.

• కృత్యం 12.1 (ఏర్పాటు):
  1. మందపాటి రాగి తీగ XY ను విద్యుత్ వలయంలో కలుపుతారు
  2. తీగ కాగితం తలానికి లంబంగా ఉంటుంది. తీగ దగ్గర చిన్న దిక్సూచి (Compass) అడ్డంగా ఉంచుతారు.
• పరిశీలన: స్విచ్ (కీ) వేసి విద్యుత్ ప్రవాహం పంపగానే దిక్సూచి సూచీ విక్షేపం (Deflection) చెందుతుంది.
• తీర్మానం: రాగి తీగ గుండా ప్రవహించే విద్యుత్ ప్రవాహం అయస్కాంత ప్రభావాన్ని కలిగిస్తుంది. అంటే విద్యుత్తు, అయస్కాంతత్వం పరస్పరం సంబంధం ఉన్న దృగ్విషయాలు.
• హాన్స్ క్రిస్టియన్ ఆయర్‌స్టెడ్ (Hans Christian Oersted, 1777–1851):
  1. 19వ శతాబ్దపు ప్రముఖ శాస్త్రవేత్త; విద్యుదయస్కాంతత్వాన్ని అర్థం చేసుకోవడంలో కీలక పాత్ర వహించారు.
  2. 1820లో దగ్గరలో ఉన్న లోహపు తీగలో విద్యుత్ ప్రవహించినప్పుడు దిక్సూచి సూచీ విక్షేపం చెందడాన్ని యాదృచ్ఛికంగా (Accidentally) గమనించారు.
  3. ఈ పరిశీలనతో విద్యుత్తు, అయస్కాంతత్వం సంబంధం ఉన్నవని చూపారు.
  4. ఆయన పరిశోధనలు తర్వాత రేడియో, టెలివిజన్, ఫైబర్ ఆప్టిక్స్ వంటి సాంకేతికతలకు దారి తీశాయి.
  5. అయస్కాంత క్షేత్ర తీవ్రత ప్రమాణానికి ఆయన గౌరవార్థం ఆయర్‌స్టెడ్ (oersted) అని పేరు పెట్టారు.
• తిరుగు ప్రశ్న: విద్యుత్ వల్ల అయస్కాంత ప్రభావం కలిగితే, కదిలే అయస్కాంతం వల్ల విద్యుత్ ప్రభావం కలుగుతుందా అనే ప్రశ్నను అధ్యాయం లేవనెత్తుతుంది.
• ఈ అధ్యాయంలో అధ్యయనం: అయస్కాంత క్షేత్రాలు, క్షేత్ర రేఖలు, విద్యుత్ ప్రవాహ తీగ క్షేత్రాలు, విద్యుదయస్కాంతాలు (Electromagnets), అయస్కాంత క్షేత్రంలో వాహకంపై బలం, గృహ విద్యుత్ వలయాలు.

దండాయస్కాంతాన్ని దగ్గరికి తెస్తే దిక్సూచి సూచీ కదులుతుందని తెలిసిన విషయమే. దీనికి కారణం దిక్సూచి సూచీ కూడా ఒక చిన్న అయస్కాంతం కావడం. అయస్కాంతం తన చుట్టూ ఉన్న ప్రదేశంలో తన ప్రభావాన్ని చూపుతుంది; ఆ ప్రదేశాన్ని అయస్కాంత క్షేత్రం అంటారు.

• దిక్సూచి సూచీ (Compass needle): ఇది ఒక చిన్న దండాయస్కాంతం. దీని చివరలు సుమారుగా ఉత్తర, దక్షిణ దిక్కులను చూపిస్తాయి.
• ఉత్తరాన్వేషక ధ్రువం (North seeking pole): ఉత్తర దిక్కును చూపే చివరను ఉత్తర ధ్రువం (North pole) అంటారు.
• దక్షిణాన్వేషక ధ్రువం (South seeking pole): దక్షిణ దిక్కును చూపే చివరను దక్షిణ ధ్రువం (South pole) అంటారు.
• ధ్రువాల ప్రవర్తన:
  1. సజాతి ధ్రువాలు వికర్షించుకుంటాయి (Repel)
  2. విజాతి ధ్రువాలు ఆకర్షించుకుంటాయి (Attract).
• కృత్యం 12.2 (ఇనుప రజను):
  1. డ్రాయింగ్ బోర్డుపై తెల్ల కాగితాన్ని అతికించి, మధ్యలో దండాయస్కాంతం ఉంచుతారు.
  2. అయస్కాంతం చుట్టూ ఇనుప రజనును (Iron filings) సమానంగా చల్లి (ఉప్పు చల్లే డబ్బా వాడవచ్చు), బోర్డును మెల్లగా తట్టుతారు.
  3. రజను ఒక నిర్దిష్ట నమూనాలో అమరుతుంది.
• నమూనాకు కారణం: అయస్కాంతం తన చుట్టూ ఉన్న ప్రదేశంలో ప్రభావం చూపుతుంది, కాబట్టి ఇనుప రజనుపై బలం పనిచేసి దాన్ని ఒక నమూనాలో అమరుస్తుంది.
• అయస్కాంత క్షేత్రం (Magnetic field): అయస్కాంతం చుట్టూ ఉండే, ఆ అయస్కాంత బలాన్ని గుర్తించగల ప్రదేశం.
• క్షేత్ర రేఖలు (Field lines): ఇనుప రజను అమరే రేఖలే అయస్కాంత క్షేత్ర రేఖలను సూచిస్తాయి.
• దిక్సూచితో కూడా నమూనా: ఇనుప రజను లేకపోయినా దిక్సూచి సహాయంతో దండాయస్కాంతం క్షేత్ర రేఖలను గీయవచ్చు (తదుపరి నోట్స్‌లో).

దండాయస్కాంతం చుట్టూ క్షేత్ర రేఖలను దిక్సూచి సహాయంతో కూడా గీయవచ్చు. ఈ రేఖలు అయస్కాంత క్షేత్ర దిశను, బలాన్ని చూపే ఊహా రేఖలు. పరీక్షల్లో క్షేత్ర రేఖల లక్షణాల నుంచి ప్రశ్నలు తప్పక వస్తాయి.

• కృత్యం 12.3 (దిక్సూచితో క్షేత్ర రేఖ గీయడం):
  1. కాగితంపై దండాయస్కాంతం సరిహద్దును గుర్తించి, దాని ఉత్తర ధ్రువం దగ్గర దిక్సూచి ఉంచుతారు.
  2. దిక్సూచి దక్షిణ ధ్రువం అయస్కాంతం ఉత్తర ధ్రువం వైపు చూపిస్తుంది; దిక్సూచి ఉత్తర ధ్రువం అయస్కాంత ఉత్తర ధ్రువం నుంచి దూరంగా చూపిస్తుంది.
  3. సూచీ రెండు చివరల స్థానాలను గుర్తిస్తారు. తర్వాత సూచీ దక్షిణ ధ్రువం ఇంతకుముందు సూచీ ఉత్తర ధ్రువం ఉన్న బిందువు మీదకు వచ్చేలా సూచీని జరిపి, మళ్లీ రెండు చివరలను గుర్తిస్తారు. ఇలా అడుగడుగునా అయస్కాంతం దక్షిణ ధ్రువం చేరే వరకు కొనసాగిస్తారు.
  4. గుర్తించిన బిందువులను నున్నని వక్రరేఖతో కలిపితే ఒక క్షేత్ర రేఖ వస్తుంది; ఇలా చాలా రేఖలు గీయవచ్చు.
• విక్షేపం: క్షేత్ర రేఖ వెంట దిక్సూచిని కదిలిస్తే, ధ్రువాల వైపు వెళ్లే కొద్దీ సూచీ విక్షేపం పెరుగుతుంది.
• క్షేత్రం ఒక సదిశ రాశి: అయస్కాంత క్షేత్రానికి దిశ, పరిమాణం (Magnitude) రెండూ ఉంటాయి.
• క్షేత్ర దిశ: క్షేత్రంలో దిక్సూచి ఉత్తర ధ్రువం కదిలే దిశను క్షేత్ర దిశగా తీసుకుంటారు.
• సంప్రదాయం (Convention): క్షేత్ర రేఖలు ఉత్తర ధ్రువం నుంచి బయలుదేరి దక్షిణ ధ్రువంలో కలుస్తాయి. అయస్కాంతం లోపల రేఖల దిశ దక్షిణ ధ్రువం నుంచి ఉత్తర ధ్రువానికి ఉంటుంది. అందువల్ల క్షేత్ర రేఖలు సంవృత వక్రాలు (Closed curves).
• క్షేత్ర బలం: క్షేత్ర రేఖలు ఎంత దగ్గరగా ఉంటే క్షేత్రం అంత బలంగా ఉంటుంది. అంటే రేఖలు గుంపుగా ఉన్నచోట (ధ్రువాల వద్ద) మరో అయస్కాంత ధ్రువంపై పనిచేసే బలం ఎక్కువ.
• రేఖలు ఖండించుకోవు:
  1. ఏ రెండు క్షేత్ర రేఖలు ఒకదాన్నొకటి ఖండించవు. ఖండిస్తే ఆ బిందువు వద్ద దిక్సూచి సూచీ రెండు దిశలను చూపాల్సి వస్తుంది
  2. అది అసాధ్యం.
• నిర్వచనం (సారాంశం): క్షేత్ర రేఖ అంటే స్వేచ్ఛగా ఉన్న ఊహాత్మక ఉత్తర ధ్రువం కదలడానికి ప్రయత్నించే మార్గం.

విద్యుత్ ప్రవహించే లోహపు తీగ చుట్టూ అయస్కాంత క్షేత్రం ఏర్పడుతుందని కృత్యం 12.1 చూపింది. ఈ క్షేత్ర దిశ, ఆకారం, బలం దేనిపై ఆధారపడతాయో రెండు కృత్యాలు వివరిస్తాయి.

• కృత్యం 12.4 (ప్రవాహ దిశ – క్షేత్ర దిశ):
  1. పొడవైన సరళ రాగి తీగ, 1.5 V ఘటాలు రెండు–మూడు, ప్లగ్ కీని శ్రేణిలో కలుపుతారు. తీగను దిక్సూచి సూచీపై సమాంతరంగా ఉంచుతారు.
  2. ప్రవాహం ఉత్తరం నుంచి దక్షిణానికి ప్రవహిస్తే దిక్సూచి ఉత్తర ధ్రువం తూర్పు వైపు జరుగుతుంది.
  3. ఘటాల కలయికను మార్చి ప్రవాహాన్ని దక్షిణం నుంచి ఉత్తరానికి చేస్తే సూచీ వ్యతిరేక దిశలో, అంటే పడమర వైపు కదులుతుంది.
  4. కాబట్టి ప్రవాహ దిశ తిరగబడితే విద్యుత్ ప్రవాహం ఏర్పరిచే క్షేత్ర దిశ కూడా తిరగబడుతుంది.
• కృత్యం 12.5 (క్షేత్ర నమూనా):
  1. పరికరాలు: 12 V బ్యాటరీ, రియోస్టాట్ (చర నిరోధం), 0–5 A అమ్మీటర్, ప్లగ్ కీ, తీగలు, పొడవైన మందపాటి రాగి తీగ.
  2. మందపాటి తీగను దీర్ఘచతురస్రాకార అట్టముక్క మధ్యలో, దాని తలానికి లంబంగా దూర్చి, అట్ట జారిపోకుండా స్థిరంగా ఉంచుతారు. తీగను X, Y బిందువుల మధ్య నిలువుగా కలుపుతారు.
  3. అట్టపై ఇనుప రజను చల్లి, కీ వేసి, అట్టను తట్టితే ఇనుప రజను తీగ చుట్టూ ఏకకేంద్ర వృత్తాల (Concentric circles) నమూనాలో అమరుతుంది.
  4. ఈ వృత్తాలే అయస్కాంత క్షేత్ర రేఖలు.
• క్షేత్ర దిశ కనుగొనడం: ఒక వృత్తంపై ఉన్న బిందువు P వద్ద దిక్సూచి ఉంచితే, దాని ఉత్తర ధ్రువం చూపే దిశ ఆ బిందువు వద్ద క్షేత్ర రేఖ దిశ. దాన్ని బాణంతో చూపుతారు.
• ప్రవాహంపై ఆధారం: ప్రవాహం పెంచితే దిక్సూచి విక్షేపం పెరుగుతుంది, అంటే ఒక బిందువు వద్ద క్షేత్ర పరిమాణం ప్రవాహంతో పెరుగుతుంది.
• దూరంపై ఆధారం: ప్రవాహం అదే ఉంచి దిక్సూచిని తీగ నుంచి దూరంగా (బిందువు Q వద్దకు) జరిపితే విక్షేపం తగ్గుతుంది. కాబట్టి క్షేత్రం దూరంతో తగ్గుతుంది (తీగ నుంచి దూరానికి విలోమానుపాతంలో).
• వృత్తాల పరిమాణం: తీగ నుంచి దూరంగా వెళ్లే కొద్దీ క్షేత్రాన్ని సూచించే ఏకకేంద్ర వృత్తాలు పెద్దవి అవుతాయి.

ప్రవాహ తీగ చుట్టూ క్షేత్ర దిశను ప్రతిసారీ దిక్సూచి పెట్టి చూడనవసరం లేకుండా ఒక సులభ నియమం ఉంది. దాన్నే కుడిచేతి బొటనవేలి నియమం అంటారు.

• నియమం: ప్రవాహం ఉన్న సరళ వాహకాన్ని కుడిచేతితో పట్టుకున్నట్టు ఊహించాలి. బొటనవేలు విద్యుత్ ప్రవాహ దిశను సూచించేలా ఉంచితే, వాహకం చుట్టూ చుట్టుకున్న వేళ్లు క్షేత్ర రేఖల దిశను సూచిస్తాయి.
• మాక్స్‌వెల్ కార్క్‌స్క్రూ నియమం (Maxwell's corkscrew rule): ఇదే నియమానికి మరో పేరు. కార్క్‌స్క్రూను ప్రవాహ దిశలో తిప్పుతూ లోపలికి దూర్చుతున్నట్టు ఊహిస్తే, కార్క్‌స్క్రూ తిరిగే దిశే క్షేత్ర దిశ.
• ఏ దిశలో?:
  1. బొటనవేలు = ప్రవాహ దిశ
  2. వంగిన వేళ్లు = అయస్కాంత క్షేత్ర దిశ.
• ఉదాహరణ 12.1 (విద్యుత్ తీగ):
  1. ఒక సమాంతర విద్యుత్ తీగలో ప్రవాహం తూర్పు నుంచి పడమరకు ప్రవహిస్తోంది. తీగకు సరిగ్గా కింద, పైన ఉన్న బిందువుల వద్ద క్షేత్ర దిశ ఏమిటి?
  2. కుడిచేతి బొటనవేలి నియమం ప్రకారం, తీగకు లంబంగా ఉన్న తలంలో క్షేత్రం తూర్పు చివర నుంచి చూస్తే సవ్యదిశ (Clockwise)లో, పడమర చివర నుంచి చూస్తే అపసవ్యదిశ (Anti-clockwise)లో తిరుగుతుంది. ఇది తీగకు పైన, కింద ఉన్న ఏ బిందువుకైనా వర్తిస్తుంది.
• ఉపయోగం:
  1. సరళ వాహకం కోసం ఈ నియమం
  2. వృత్తాకార లూప్, సోలనాయిడ్‌ల కోసం కూడా ప్రతి భాగం క్షేత్ర దిశను ఈ నియమంతో తెలుసుకుంటారు.
• అధ్యాయ ప్రశ్నలు (క్షేత్ర రేఖలు): దండాయస్కాంతం చుట్టూ క్షేత్ర రేఖలు గీయడం, రేఖల లక్షణాలు, రెండు రేఖలు ఖండించుకోకపోవడానికి కారణం – ఇవి గత నోట్స్‌లో ఉన్నాయి.

సరళ తీగను వృత్తాకారంగా వంచి విద్యుత్ ప్రవహింపజేస్తే క్షేత్ర రేఖలు ఎలా ఉంటాయో ఈ భాగం వివరిస్తుంది. లూప్ ప్రతి బిందువు వద్ద సరళ తీగ లాగే క్షేత్రం ఏర్పడుతుంది.

• తీగ నుంచి దూరం: ప్రవాహ తీగ వల్ల కలిగే క్షేత్రం ఆ తీగ నుంచి ఉన్న దూరానికి విలోమానుపాతంలో ఉంటుంది. అందువల్ల లూప్ ప్రతి బిందువు చుట్టూ ఉన్న ఏకకేంద్ర వృత్తాలు తీగ నుంచి దూరంగా వెళ్లే కొద్దీ పెద్దవి అవుతాయి.
• కేంద్రం వద్ద నమూనా: లూప్ కేంద్రానికి చేరేసరికి ఈ పెద్ద వృత్తాల చాపాలు సరళరేఖల్లా కనిపిస్తాయి. అంటే లూప్ మధ్యలో క్షేత్ర రేఖలు సమాంతర సరళరేఖలు.
• ప్రతి భాగం ఒకే దిశ: కుడిచేతి నియమం వర్తింపజేస్తే, లూప్ లోపల ప్రతి భాగం ఇచ్చే క్షేత్ర రేఖల దిశ ఒకటే అని తెలుస్తుంది. అందుకే అన్ని భాగాల ప్రభావాలు కలుస్తాయి.
• కాయిల్‌లో n చుట్టలు: ఒక బిందువు వద్ద క్షేత్రం ఆ తీగలోని ప్రవాహానికి అనులోమానుపాతంలో ఉంటుంది. n చుట్టలున్న వృత్తాకార కాయిల్‌లో క్షేత్రం ఒక్క చుట్ట క్షేత్రానికి n రెట్లు ఉంటుంది.
• కారణం: ప్రతి చుట్టలో ప్రవాహ దిశ ఒకటే కాబట్టి ప్రతి చుట్ట క్షేత్రం కలిసి (కూడి) పోతుంది.
• కృత్యం 12.6:
  1. రెండు రంధ్రాలున్న దీర్ఘచతురస్రాకార అట్టలో, చాలా చుట్టలున్న వృత్తాకార కాయిల్‌ను అట్ట తలానికి లంబంగా దూర్చుతారు.
  2. కాయిల్ చివరలను బ్యాటరీ, కీ, రియోస్టాట్‌తో శ్రేణిలో కలుపుతారు.
  3. అట్టపై ఇనుప రజను చల్లి, కీ వేసి, మెల్లగా తట్టితే రజను ఏర్పడే నమూనా కాయిల్ క్షేత్ర రేఖలను చూపుతుంది.
• ఉపయోగం:
  1. ఎక్కువ చుట్టలు, ఎక్కువ ప్రవాహం ఉంటే బలమైన క్షేత్రం వస్తుంది
  2. ఇదే విద్యుదయస్కాంతాల పునాది.

అనేక వృత్తాకార చుట్టలను ఒకదాని పక్కన ఒకటి దగ్గరగా చుట్టినప్పుడు వచ్చే పరికరం సోలనాయిడ్. దీని క్షేత్రం దండాయస్కాంతం క్షేత్రంలా ఉండటం ఈ భాగంలో ముఖ్యాంశం.

• సోలనాయిడ్ (Solenoid): విద్యుత్ నిరోధక పూతతో ఉన్న రాగి తీగను అనేక వృత్తాకార చుట్టలుగా సిలిండర్ ఆకారంలో, దగ్గరగా చుట్టిన కాయిల్.
• క్షేత్ర నమూనా: ప్రవాహం ఉన్న సోలనాయిడ్ చుట్టూ క్షేత్ర రేఖల నమూనా దండాయస్కాంతం క్షేత్ర నమూనాను (పోలిక) పోలి ఉంటుంది.
• ధ్రువాలు: సోలనాయిడ్ ఒక చివర ఉత్తర ధ్రువంలా, రెండో చివర దక్షిణ ధ్రువంలా ప్రవర్తిస్తుంది.
• లోపలి క్షేత్రం:
  1. సోలనాయిడ్ లోపల క్షేత్ర రేఖలు సమాంతర సరళరేఖలు. అంటే లోపల అన్ని బిందువుల వద్ద క్షేత్రం ఒకటే
  2. దీన్ని ఏకరీతి క్షేత్రం (Uniform field) అంటారు.
• ఉపయోగం: సోలనాయిడ్ లోపల ఏర్పడే బలమైన క్షేత్రం ద్వారా మెత్తని ఇనుము (Soft iron) వంటి అయస్కాంత పదార్థాన్ని కాయిల్ లోపల ఉంచి అయస్కాంతంగా మార్చవచ్చు. ఇలా తయారైన అయస్కాంతమే విద్యుదయస్కాంతం.
• ప్రశ్నల సారాంశం:
  1. బల్లపై సమతలంగా ఉన్న వృత్తాకార లూప్ లోంచి ప్రవాహం సవ్యదిశలో వెళ్తే, కుడిచేతి నియమం ప్రకారం క్షేత్రం లూప్ లోపల బల్ల లోపలి వైపు (కిందికి), లూప్ బయట పైకి ఉంటుంది.
  2. ఏకరీతి క్షేత్రాన్ని సమాన దూరంలో ఉన్న సమాంతర సరళరేఖలతో చూపాలి.
  3. పొడవైన సోలనాయిడ్ లోపల క్షేత్రం అన్ని బిందువుల వద్ద సమానంగా ఉంటుంది (ముగింపు వైపు వెళ్లే కొద్దీ తగ్గదు, పెరగదు, సున్నా కాదు).

సోలనాయిడ్ లోపల ఇనుప కడ్డీ ఉంచినప్పుడు బలమైన అయస్కాంతం ఏర్పడుతుంది. దీన్ని విద్యుదయస్కాంతం (Electromagnet) అంటారు. ఈ భాగంలో నిర్మాణం, అయస్కాంత క్షేత్రం ఏర్పరిచే పద్ధతులు ముఖ్యం.

• నిర్మాణం:
  1. విద్యుదయస్కాంతంలో మెత్తని ఇనుపకోర్ (Soft iron core) ఉంటుంది
  2. దాని చుట్టూ విద్యుత్ నిరోధక పూతగల రాగి తీగ కాయిల్ చుట్టి ఉంటుంది.
• పనితీరు:
  1. కాయిల్‌లో విద్యుత్ ప్రవహిస్తే సోలనాయిడ్ బలమైన క్షేత్రాన్ని పుట్టిస్తుంది
  2. అది కోర్‌ను అయస్కాంతంగా మారుస్తుంది.
• అయస్కాంత క్షేత్రం పుట్టించే రెండు పద్ధతులు (అధ్యాయం వ్యాయామ ప్రశ్న):
• అయస్కాంతం (శాశ్వత అయస్కాంతం, ఉదా: దండాయస్కాంతం) ద్వారా.
• విద్యుత్ ప్రవాహం ఉన్న వాహకం ద్వారా (సరళ తీగ, లూప్, సోలనాయిడ్/విద్యుదయస్కాంతం).
• ప్రవాహ తీగ క్షేత్ర ఆకారం ఎలా నిర్ణయమవుతుంది: ప్రవాహం వల్ల వాహకం చుట్టూ ఏర్పడే క్షేత్ర నమూనా ఆ వాహకం ఆకారంపై ఆధారపడుతుంది.
• సరళ తీగ → ఏకకేంద్ర వృత్తాలు.
• వృత్తాకార లూప్ → కేంద్రం వద్ద సరళరేఖలు.
• సోలనాయిడ్ → దండాయస్కాంతం లాంటి నమూనా.
• అయస్కాంత ప్రవర్తన: విద్యుదయస్కాంతాలు సాధారణ అయస్కాంతాల్లానే ప్రవర్తిస్తాయి.
• ప్రయోజనం: విద్యుత్‌ను ఆన్ చేసి ఆఫ్ చేసినప్పుడు క్షేత్రం వచ్చి పోవడం, కరెంట్ మార్చి బలాన్ని నియంత్రించడం విద్యుదయస్కాంత ప్రత్యేకత.
• పరికరాలు: ప్రవాహ వాహకాలు, అయస్కాంత క్షేత్రాలను వినియోగించే పరికరాలలో విద్యుత్ మోటారు, లౌడ్‌స్పీకర్లు, విద్యుదయస్కాంతాలు ఉన్నాయి.

ప్రవాహ వాహకం అయస్కాంతంపై బలం చూపుతుందని ఆయర్‌స్టెడ్ ప్రయోగం తెలిపింది. అయస్కాంతం కూడా వాహకంపై అంతే బలాన్ని వ్యతిరేక దిశలో ప్రయోగిస్తుందని ఆంపియర్ సూచించారు. కృత్యం 12.7 దీన్ని చూపిస్తుంది.

• ఆంపియర్ సూచన: ఫ్రెంచ్ శాస్త్రవేత్త ఆండ్రే మారీ ఆంపియర్ (André-Marie Ampère, 1775–1836) ప్రవాహ వాహకం చుట్టూ ఉన్న క్షేత్రం అయస్కాంతంపై బలం చూపినట్లే, అయస్కాంతం కూడా వాహకంపై సమాన, వ్యతిరేక బలం ప్రయోగిస్తుందని సూచించారు.
• కృత్యం 12.7 (ఏర్పాటు):
  1. సుమారు 5 సెం.మీ. పొడవైన చిన్న అల్యూమినియం కడ్డీ ABను రెండు తీగలతో స్టాండ్ నుంచి అడ్డంగా వేలాడదీస్తారు.
  2. బలమైన గుర్రపునాడా అయస్కాంతాన్ని (Horse-shoe magnet) కడ్డీ ధ్రువాల మధ్యలో ఉండేలా, క్షేత్రం పైకి ఉండేలా ఉంచుతారు; ఉత్తర ధ్రువం కింద, దక్షిణ ధ్రువం పైన ఉంటుంది.
  3. కడ్డీని బ్యాటరీ, కీ, రియోస్టాట్‌తో శ్రేణిలో కలిపి, ప్రవాహాన్ని B నుంచి A వైపు పంపుతారు.
• పరిశీలనలు:
  1. కడ్డీ ఎడమ వైపు కదులుతుంది (స్థానభ్రంశం).
  2. ప్రవాహ దిశను తిప్పితే కడ్డీ కుడి వైపు కదులుతుంది.
  3. అయస్కాంత ధ్రువాలను మార్చి క్షేత్రాన్ని కిందికి చేస్తే మళ్లీ బలం దిశ తిరగబడుతుంది.
• తీర్మానాలు: అయస్కాంత క్షేత్రంలో ఉంచిన ప్రవాహ వాహకంపై బలం పనిచేస్తుంది. ఈ బలం దిశ ప్రవాహ దిశపై, క్షేత్ర దిశపై ఆధారపడుతుంది.
• గరిష్ఠ బలం: ప్రవాహ దిశ అయస్కాంత క్షేత్ర దిశకు లంబంగా ఉన్నప్పుడు బలం (స్థానభ్రంశం) గరిష్ఠం.
• బలం ఏ దిశలో?: ఈ సందర్భంలో బలం ప్రవాహ దిశకు, క్షేత్ర దిశకు రెండింటికీ లంబంగా ఉంటుంది.
• అధ్యాయ ప్రశ్న 2 (కారకాల ప్రభావం): కడ్డీ AB స్థానభ్రంశం (i) ప్రవాహం పెంచితే, (ii) బలమైన గుర్రపునాడా అయస్కాంతం వాడితే, (iii) కడ్డీ పొడవు పెంచితే – మూడు సందర్భాల్లో బలం పెరిగి స్థానభ్రంశం పెరుగుతుంది (సాధారణ సూత్రం F = BIL).
• ప్రయోగ క్షేత్రం: వాహక–క్షేత్ర బల సూత్రం మోటారు, లౌడ్‌స్పీకర్ వంటి పరికరాల్లో ఉపయోగపడుతుంది.

ప్రవాహం, క్షేత్రం, బలం — ఈ మూడు దిశలు పరస్పరం లంబంగా ఉన్నప్పుడు ఒకదాని నుంచి మరొకదాన్ని కనుగొనడానికి సులభమైన ఫ్లెమింగ్ ఎడమచేతి నియమం ఉపయోగిస్తారు.

• నియమం: ఎడమ చేతి బొటనవేలు, చూపుడువేలు (First finger), మధ్యవేలు (Second finger) ను పరస్పరం లంబంగా ఉండేలా చాపాలి.
• చూపుడువేలు → అయస్కాంత క్షేత్ర దిశ.
• మధ్యవేలు → విద్యుత్ ప్రవాహ దిశ.
• బొటనవేలు → వాహకం చలన దిశ లేదా దానిపై పనిచేసే బలం దిశ.
• షరతు:
  1. ప్రవాహ దిశ, క్షేత్ర దిశ పరస్పరం లంబంగా ఉన్నప్పుడు బలం రెండింటికీ లంబంగా ఉంటుంది
  2. ఈ సందర్భంలోనే ఈ నియమం వాడతారు.
• ఉదాహరణ 12.2 (ఎలక్ట్రాన్): అయస్కాంత క్షేత్రానికి లంబంగా ఒక ఎలక్ట్రాన్ ప్రవేశిస్తుంది. బలం దిశ?
• విద్యుత్ ప్రవాహ దిశ ఎలక్ట్రాన్ చలన దిశకు వ్యతిరేకం అని తీసుకోవాలి.
• ఫ్లెమింగ్ ఎడమచేతి నియమం ప్రకారం బలం క్షేత్రానికి, ప్రవాహ దిశకు లంబంగా ఉంటుంది
• పుస్తకంలోని పటంలో బలం పేజీ లోపలి వైపు (into the page) అని ఇచ్చారు.
• అధ్యాయ ప్రశ్న 1:
  1. స్వేచ్ఛగా అయస్కాంత క్షేత్రంలో కదిలే ప్రోటాన్ ద్రవ్యరాశి మారదు
  2. వడి (Speed) కూడా మారదు (బలం చలన దిశకు లంబంగా ఉండి శక్తిని ఇవ్వదు)
  3. కానీ దిశ మారడం వల్ల వేగం (Velocity), ద్రవ్యవేగం (Momentum) మారతాయి. కాబట్టి సరైన సమాధానాలు: వేగం, ద్రవ్యవేగం.
• అధ్యాయ ప్రశ్న 3: పడమర వైపు విసిరిన ధనావేశ కణం (ఆల్ఫా కణం) ఉత్తరం వైపు విక్షేపం చెందితే క్షేత్ర దిశ పైకి (upward).
• వ్యాయామ ప్రశ్న 6: గది వెనుక గోడ నుంచి ముందు గోడ వైపు అడ్డంగా కదిలే ఎలక్ట్రాన్ కిరణ పుంజం, కూర్చున్న వ్యక్తికి కుడి వైపు విక్షేపం చెందితే అయస్కాంత క్షేత్ర దిశ కిందికి (downward).
• వ్యాయామ ప్రశ్న 5: వాహకంపై బలం గరిష్ఠమయ్యేది ప్రవాహ దిశ క్షేత్ర దిశకు లంబంగా ఉన్నప్పుడు.
• ఉపయోగించే పరికరాలు: ప్రవాహ వాహకాలు, అయస్కాంత క్షేత్రాలను వాడే విద్యుత్ మోటారు, లౌడ్‌స్పీకర్లు, విద్యుదయస్కాంతాలు.
• వ్యాయామ ప్రశ్న 7 (నియమాలు):
  1. (i) సరళ వాహకం చుట్టూ క్షేత్ర దిశ – కుడిచేతి బొటనవేలి నియమం
  2. (ii) లంబ క్షేత్రంలోని వాహకంపై బలం దిశ – ఫ్లెమింగ్ ఎడమచేతి నియమం
  3. (iii) కాయిల్ తిరగడం వల్ల ప్రేరిత విద్యుత్ దిశ – ఫ్లెమింగ్ కుడిచేతి నియమం (ఇది పుస్తకంలో వివరించలేదు
  4. సాధారణ పరీక్ష వాస్తవం).

విద్యుత్ ప్రవాహం ఎక్కడ ఉన్నా అయస్కాంత క్షేత్రం ఏర్పడుతుందనే విషయం మన శరీరానికి కూడా వర్తిస్తుంది. నరాల్లో ప్రవహించే బలహీన అయాన్ ప్రవాహాలు కూడా అయస్కాంత క్షేత్రాలను ఇస్తాయి.

• శరీరంలో విద్యుత్: ఏదైనా వస్తువును తాకినప్పుడు మన నరాలు కండరాలకు విద్యుత్ ప్రచోదనాన్ని (Electric impulse) పంపుతాయి. ఈ ప్రచోదనం తాత్కాలిక అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని ఇస్తుంది.
• క్షేత్ర తీవ్రత:
  1. ఈ క్షేత్రాలు చాలా బలహీనం
  2. భూమి అయస్కాంత క్షేత్రంలో సుమారు వందకోట్లో ఒక వంతు ఉంటాయి.
• ముఖ్య అవయవాలు: మానవ శరీరంలో అయస్కాంత క్షేత్రం గణనీయంగా ఉండే ముఖ్య అవయవాలు రెండు – గుండె (Heart), మెదడు (Brain).
• MRI (Magnetic Resonance Imaging):
  1. శరీరం లోపలి అయస్కాంత క్షేత్రం ఆధారంగా వివిధ శరీర భాగాల చిత్రాలను పొందే సాంకేతికత.
  2. ఈ చిత్రాల విశ్లేషణ రోగ నిర్ధారణకు (Medical diagnosis) సహాయపడుతుంది.
  3. కాబట్టి వైద్యంలో అయస్కాంతత్వానికి ముఖ్యమైన ఉపయోగాలున్నాయి.
• సాధారణ సూత్రం: విద్యుత్ ప్రవాహం ఎల్లప్పుడూ అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని ఏర్పరుస్తుంది (ఆయర్‌స్టెడ్ ఆవిష్కరణ).
• అయస్కాంత ప్రభావ పరికరాలు: ప్రవాహ వాహకం–అయస్కాంత క్షేత్ర పరస్పర చర్య విద్యుత్ మోటారు, లౌడ్‌స్పీకర్లు, విద్యుదయస్కాంతాల్లో ఉపయోగపడుతుంది.
• గమనిక (బయటి వాస్తవం): ఆధునిక MRI యంత్రాల్లో శరీరం బయట నుంచి చాలా బలమైన అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని (సాధారణంగా విద్యుదయస్కాంతం ద్వారా) ప్రయోగించి చిత్రాలు తీస్తారు.

ఇళ్లకు విద్యుత్ శక్తి ప్రధాన సరఫరా (మెయిన్స్, Mains) ద్వారా వస్తుంది. ఇది విద్యుత్ స్తంభాల ద్వారా పైనుంచి లేదా భూగర్భ కేబుళ్ల ద్వారా వస్తుంది. పరీక్షల్లో తీగల రంగులు, వోల్టేజ్ విలువలు తరచుగా అడుగుతారు.

• లైవ్ తీగ (Live wire):
  1. ఎరుపు రంగు నిరోధక పూతతో ఉంటుంది
  2. దీన్ని ధనాత్మక (Positive) తీగ అని కూడా అంటారు.
• న్యూట్రల్ తీగ (Neutral wire):
  1. నలుపు రంగు పూత
  2. దీన్ని ఋణాత్మక (Negative) తీగ అని కూడా అంటారు.
• సరఫరా వోల్టేజ్: మన దేశంలో లైవ్, న్యూట్రల్ తీగల మధ్య పొటెన్షియల్ భేదం 220 V (పాఠ్యపుస్తకం ప్రకారం). గృహాలకు వచ్చే విద్యుత్ AC (ప్రత్యావర్తన విద్యుత్), పౌనఃపున్యం 50 Hz.
• ఎర్త్ తీగ (Earth wire):
  1. ఆకుపచ్చ రంగు పూత
  2. సాధారణంగా ఇంటి దగ్గర భూమిలో లోతున పాతిన లోహపు ప్లేటుకు కలుపుతారు.
• ఎర్త్ తీగ ఉపయోగం (భద్రతా చర్య): లోహపు శరీరం ఉన్న ఉపకరణాల భద్రత కోసం – ఎలక్ట్రిక్ ప్రెస్, టోస్టర్, టేబుల్ ఫ్యాన్, రిఫ్రిజిరేటర్ వంటివి.
• ఉపకరణపు లోహపు శరీరాన్ని ఎర్త్ తీగకు కలుపుతారు
• ఇది తక్కువ నిరోధంగల వాహక మార్గాన్ని ఇస్తుంది.
• ఉపకరణం లోహపు శరీరంలోకి విద్యుత్ లీక్ అయినా ఆ శరీర పొటెన్షియల్ భూమి పొటెన్షియల్‌తో సమానంగా ఉంటుంది, కాబట్టి వినియోగదారుడికి తీవ్ర విద్యుత్ షాక్ తగలదు.
• సరఫరా క్రమం:
  1. ఇంటి మీటర్ బోర్డు దగ్గర తీగలు మెయిన్ ఫ్యూజ్ గుండా విద్యుత్ మీటర్‌లోకి వెళ్తాయి
  2. మెయిన్ స్విచ్ ద్వారా ఇంట్లోని లైన్ తీగలకు కలుస్తాయి. ఇవి ఇంట్లో వేర్వేరు వలయాలకు (Circuits) విద్యుత్ అందిస్తాయి.
• రెండు వలయాలు:
  1. 15 A రేటింగ్ వలయం – గీజర్లు, ఎయిర్ కూలర్ల వంటి ఎక్కువ పవర్ రేటింగ్ ఉపకరణాల కోసం.
  2. 5 A రేటింగ్ వలయం – బల్బులు, ఫ్యాన్ల వంటి వాటి కోసం.
• బయటి వాస్తవం:
  1. భారతదేశంలో ప్రస్తుత ప్రామాణిక సరఫరా వోల్టేజ్ 230 V (50 Hz)
  2. పుస్తకం 220 V గా చెబుతుంది కాబట్టి పరీక్షల్లో 220 V అని రాయాలి. ప్రస్తుత అంతర్జాతీయ రంగు కోడ్‌లో లైవ్ గోధుమ, న్యూట్రల్ నీలం, ఎర్త్ ఆకుపచ్చ–పసుపు.

ఇంట్లోని ప్రతి వలయంలో వేర్వేరు ఉపకరణాలు లైవ్, న్యూట్రల్ తీగల మధ్య కలిపి ఉంటాయి. వలయాన్ని, ఉపకరణాలను రక్షించడానికి ఫ్యూజ్ ముఖ్య భాగం.

• సమాంతర కలయిక (Parallel connection): ప్రతి ఉపకరణానికి సమాన పొటెన్షియల్ భేదం అందేలా ఉపకరణాలన్నీ ఒకదానికొకటి సమాంతరంగా కలుపుతారు.
• వేర్వేరు స్విచ్‌లు:
  1. ప్రతి ఉపకరణానికి విడిగా ON/OFF స్విచ్ ఉంటుంది
  2. ఒకదాన్ని ఆపితే మిగతావి పనిచేస్తూనే ఉంటాయి.
• ఫ్యూజ్ (Electric fuse): అన్ని గృహ వలయాల్లో ముఖ్యమైన భాగం. ఓవర్‌లోడింగ్ వల్ల ఉపకరణాలకు, వలయానికి కలిగే నష్టాన్ని నివారిస్తుంది.
• ఎక్కువ విద్యుత్ ప్రవహించినప్పుడు ఫ్యూజ్‌లో ఏర్పడే జౌల్ ఉష్ణం (Joule heating) వల్ల అది కరిగి వలయాన్ని తెగగొడుతుంది. అలా అధిక ప్రవాహం ఆగిపోతుంది.
• లఘు వలయం (Short-circuiting):
  1. లైవ్ తీగ, న్యూట్రల్ తీగ నేరుగా తాకినప్పుడు ఏర్పడుతుంది.
  2. తీగల నిరోధక పూత పాడైనా, ఉపకరణంలో లోపం ఉన్నా ఇలా జరుగుతుంది.
  3. అప్పుడు వలయంలో విద్యుత్ ప్రవాహం అకస్మాత్తుగా చాలా పెరుగుతుంది.
• ఓవర్‌లోడింగ్ (Overloading) కారణాలు:
  1. సరఫరా వోల్టేజ్ ప్రమాదవశాత్తు పెరగడం.
  2. ఒకే సాకెట్‌కు చాలా ఉపకరణాలు కలపడం.
  3. (పుస్తకం లఘు వలయం వల్ల కూడా అధిక ప్రవాహం వస్తుందని పేర్కొంది).
• ఫ్యూజ్ పని: లఘు వలయం లేదా ఓవర్‌లోడింగ్ వల్ల కలిగే అధిక ప్రవాహాన్ని ఆపి వలయం, ఉపకరణం పాడవకుండా రక్షిస్తుంది.
• అధ్యాయ ప్రశ్నలు:
  1. వలయాలు, ఉపకరణాల్లో సాధారణ రెండు భద్రతా చర్యలు: ఎర్తింగ్ (భూమికి కలపడం), ఫ్యూజ్.
  2. 2 kW ఎలక్ట్రిక్ ఓవెన్‌ను 220 V, 5 A రేటింగ్ గృహ వలయంలో వాడితే: ప్రవాహం = P/V = 2000/220 ≈ 9.1 A, ఇది 5 A కంటే ఎక్కువ కాబట్టి ఫ్యూజ్ కరిగి వలయం తెగిపోతుంది (ఓవెన్ పనిచేయదు). ఓవెన్‌ను 15 A వలయంలో కలపాలి.
  3. ఓవర్‌లోడింగ్ నివారణ: ఒకే సాకెట్‌కు ఎక్కువ ఉపకరణాలు కలపరాదు; ఉపకరణాల మొత్తం ప్రవాహం వలయ రేటింగ్ మించకుండా చూడాలి.
• వ్యాయామ ప్రశ్న 8:
  1. లఘు వలయం లైవ్, న్యూట్రల్ తీగలు నేరుగా తాకినప్పుడు ఏర్పడుతుంది
  2. ప్రవాహం భారీగా పెరుగుతుంది.

ఈ నోట్స్ అధ్యాయం మొత్తం సారాంశాన్ని ఒకే చోట ఇస్తుంది, పాఠం చివరి వ్యాయామాల్లోని ప్రశ్నల సమాధానాలను కూడా వాస్తవాల రూపంలో చెబుతుంది. అధ్యాయం పరీక్షకు ముందు త్వరిత పునశ్చరణకు ఇది ఉపయోగపడుతుంది.

• దిక్సూచి సూచీ:
  1. ఇది చిన్న అయస్కాంతం
  2. ఉత్తరం వైపు చూపే చివర ఉత్తర ధ్రువం, దక్షిణం వైపు చూపేది దక్షిణ ధ్రువం.
• అయస్కాంత క్షేత్రం: అయస్కాంతం చుట్టూ ఉండే, ఆ అయస్కాంత బలం గుర్తించగల ప్రదేశం.
• క్షేత్ర రేఖలు: ఇవి అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని సూచిస్తాయి. క్షేత్ర రేఖ అంటే స్వేచ్ఛా ఉత్తర ధ్రువం కదిలే మార్గం. రేఖలు దగ్గరగా ఉన్నచోట క్షేత్రం ఎక్కువ.
• ప్రవాహ తీగ:
  1. ప్రవాహం ఉన్న లోహపు తీగ చుట్టూ క్షేత్ర రేఖలు ఏకకేంద్ర వృత్తాలు
  2. దిశను కుడిచేతి నియమం చెబుతుంది.
• ఆకారం ప్రభావం: ప్రవాహం వల్ల వాహకం చుట్టూ ఏర్పడే క్షేత్ర నమూనా వాహకం ఆకారంపై ఆధారపడుతుంది. ప్రవాహ సోలనాయిడ్ క్షేత్రం దండాయస్కాంతం క్షేత్రంలా ఉంటుంది.
• విద్యుదయస్కాంతం: మెత్తని ఇనుపకోర్ చుట్టూ నిరోధక పూతగల రాగి తీగ కాయిల్.
• వాహకంపై బలం:
  1. అయస్కాంత క్షేత్రంలోని ప్రవాహ వాహకంపై బలం పనిచేస్తుంది. క్షేత్రం, ప్రవాహం పరస్పరం లంబంగా ఉంటే బలం రెండింటికీ లంబంగా ఉంటుంది
  2. దిశ ఫ్లెమింగ్ ఎడమచేతి నియమం ద్వారా తెలుస్తుంది.
• గృహ సరఫరా: 220 V, 50 Hz AC. తీగలు: ఎరుపు (లైవ్), నలుపు (న్యూట్రల్), ఆకుపచ్చ (ఎర్త్). ఎర్త్ తీగ లోతున భూమిలోని లోహపు వస్తువుకు కలుపుతారు.
• ఫ్యూజ్: లఘు వలయం, ఓవర్‌లోడింగ్ నుంచి వలయాలను రక్షించే ముఖ్య భద్రతా పరికరం.
• వ్యాయామాల సమాధానాలు:
  1. 1. సరళ వాహకం దగ్గర క్షేత్రం: తీగ కేంద్రంగా ఉన్న ఏకకేంద్ర వృత్తాలు.
  2. 2. లఘు వలయం సమయంలో ప్రవాహం బాగా పెరుగుతుంది.
  3. 3(a). పొడవైన వృత్తాకార కాయిల్ కేంద్రం వద్ద క్షేత్ర రేఖలు సమాంతర సరళరేఖలు – సత్యం. 3(b). ఆకుపచ్చ రంగు తీగ సాధారణంగా లైవ్ తీగ – అసత్యం (అది ఎర్త్ తీగ).
  4. 4. అయస్కాంత క్షేత్రాన్ని పుట్టించే రెండు పద్ధతులు: అయస్కాంతం ద్వారా, ప్రవాహ వాహకం ద్వారా.
  5. 5. వాహకంపై బలం గరిష్ఠం: ప్రవాహ దిశ క్షేత్ర దిశకు లంబంగా ఉన్నప్పుడు.
  6. 6. ఎలక్ట్రాన్ పుంజం వెనుక గోడ నుంచి ముందు గోడకు కదిలి కుడి వైపు విక్షేపం చెందితే క్షేత్ర దిశ కిందికి.
  7. 9. ఎర్త్ తీగ లోహపు శరీర ఉపకరణం పొటెన్షియల్‌ను భూమి పొటెన్షియల్‌గా ఉంచి షాక్ నుంచి రక్షిస్తుంది.
• సోలనాయిడ్ క్షేత్రం (ప్రశ్న 3): పొడవైన ప్రవాహ సోలనాయిడ్ లోపల క్షేత్రం అన్ని బిందువుల వద్ద సమానం.