ऊर्जेचे अंतरंग-१५: फ्लेमिंग यांचे नियम

चुंबकीय क्षेत्र आणि विद्युतक्षेत्र यांत घनिष्ट संबंध असल्याचे खूपच पूर्वीपासून लक्षात आलेले आहे. एका क्षेत्रात कुठलेही बदल घडत असल्यास ते दुसर्‍या क्षेत्रास जन्म देतात असेही आढळून आले. या नव्या क्षेत्राच्या निर्मितीची दिशा निश्चित करणारा अभ्यास फ्लेमिंग यांनी केला होता.

सर जॉन ऍम्ब्रोज फ्लेमिंग (२९-११-१८४९ ते १८-०४-१९४५) हे इंग्लिश गृहस्थ,व्यवसायाने विद्युत अभियंता आणि भौतिकशास्त्रज्ञ होते. निर्वातनळी-एकदिक्प्रवर्तकाचाही (व्हॅक्यूम-ट्यूब-डायोड) शोध त्यांनीच लावला होता. मात्र यांची खरीखुरी ओळख म्हणजे त्यांनी विद्युत  अभियांत्रिकीमधे शोधून काढलेले दोन नियम. विद्युतजनित्राचे तत्त्व विशद करणारा “उजव्या हाताचा नियम” आणि चालनायंत्रा (मोटार) ची संकल्पना विशद करणारा “डाव्या हाताचा नियम”. हे नियम समजायला अतिशय सोपे आहेत. मात्र जनसामान्यांच्या जीवनातील वीज-वापराच्या सर्वच क्षेत्रांवर त्यांची अमीट छाप पडलेली आहे. ऊर्जेचे अंतरंग, या दोन नियमांमुळे मनुष्यप्राण्यास जेवढे उमगले आहेत, तेवढे यश क्वचितच कुठल्या संशोधनाला कधी मिळाले असावे.

असे प्रयोगांद्वारे अनुभवास आलेले होते की, जर एक तांब्याची तार, चुंबकीय क्षेत्रात, त्या क्षेत्रास लंब अशी, सरळ ताठ धरली आणि जर ती त्या उभयतांस-लंब दिशेने स्थलांतरित केली, तर तिच्यात विद्युत-विभव उत्पन्न होतो. त्याचे परिमाण मायकेल फॅरडे यांच्या नियमानुसार निश्चित होते. मात्र, त्या विद्युत-विभवाची दिशा निश्चितपणे सांगण्याचे काम फ्लेमिंग यांच्या “उजव्या हाताच्या नियमा”ने साध्य केलेले आहे.

करंगळी, मरंगळी, मधलं बोट, चाफेकळी (हिलाच अनामिका, तर्जनी अथवा दर्शक बोट असेही संबोधले जाते) आणि अंगठा, अशाप्रकारे हाताची रचना असल्याचे आपण जाणतोच. फ्लेमिंग यांचा “उजव्या हाताचा नियम” हे सांगतो की उजव्या हाताची तर्जनी, मधलं बोट आणि अंगठा हे जर परस्परांस लंब अवस्थेत ताणून धरले आणि जर तर्जनीच्या दिशेने चुंबकीय क्षेत्र कार्यरत असेल व अंगठ्याच्या दिशेने ती तार स्थलांतरित केली असेल, तर उद्भवणार्‍या विद्युत-विभवाची दिशा मधले बोट दर्शवेल.

विद्युत-वाहक-स्थलांतरण गती = ग (मीटर/सेकंद)
चुंबकीय क्षेत्र = क्षे (टेस्ला)
विद्युत-विभव = वि (व्होल्ट)
विद्युतवाहक तारेची चुंबकीय क्षेत्रातली लांबी = लां (मीटर)

विद्युत-विभव, वि = क्षे x ग x लां

इथे विद्युत-वाहक-स्थलांतर हे कारण आहे आणि उद्‌भवणारे विद्युत-विभव हा परिणाम आहे. या प्रकारच्या ऊर्जांतरणात यांत्रिकी गतीपासून वीजनिर्मिती केली जाते. विद्युत-जनित्रांची संरचना याच तत्त्वावर आधारित असते. जुन्या काळी सायकलला गतिवीजयंत्र (डायनॅमो) बसवत असत. तेही याच तत्त्वावर काम करते.

वीजनिर्मितीसाठी प्रमुख ऊर्जास्त्रोत असतात विविध इंधने, जलऊर्जा, सौर ऊर्जा, पवनऊर्जा, लहरऊर्जा इत्यादी. त्या प्राथमिक ऊर्जांपासून यांत्रिक गती प्रथम प्राप्त केली जाते. मग त्या गतीपासून वीजनिर्मिती केली जाते. सामान्यतः कोळशाच्या खाणीबाहेर अशी ऊर्जासंयंत्रे बसवतात. ती सामान्यतः शहरांबाहेर असतात. त्यामुळे कोळशाचे प्रदूषण बाहेरच राहते आणि निर्मळ विद्युत-ऊर्जा गावात आणली जाते.

असे प्रयोगांद्वारे अनुभवास आलेले होते की, जर एक विद्युतप्रवाहधारी तांब्याची तार, चुंबकीय क्षेत्रात, त्या क्षेत्रास लंब अशी धरली, तर ती उभयतांस लंब दिशेने एक बल अनुभवते, त्या दिशेने स्थलांतरित होते. यात उद्भवणारे, उभयतांस लंब असणारे बल, किती असेल त्याचे परिमाण मायकेल फॅरडे यांच्या नियमानुसार निश्चित होते. मात्र, त्या बलाची दिशा निश्चितपणे सांगण्याचे काम फ्लेमिंग यांच्या “डाव्या हाताच्या नियमा”ने साध्य केलेले आहे.

फ्लेमिंग यांचा “डाव्या हाताचा नियम” हे सांगतो की डाव्या हाताची तर्जनी, मधलं बोट आणि अंगठा हे जर परस्परांस लंब अवस्थेत ताणून सरळ ताठ धरून ठेवले आणि जर तर्जनीच्या दिशेने चुंबकीय क्षेत्र कार्यरत असेल व मधले बोट विद्युतप्रवाहाची दिशा दाखवत असेल तर उद्भवणारे विद्युत-वाहक-स्थलांतरण बल, अंगठ्याच्या दिशेने कार्य करेल.

विद्युत-वाहक-स्थलांतरण बल = ब (न्यूटन)
चुंबकीय क्षेत्र = क्षे (टेस्ला)
विद्युत प्रवाह = प्र (अँपिअर)
विद्युतवाहक तारेची चुंबकीय क्षेत्रातली लांबी = लां (मीटर)

विद्युत-वाहक-स्थलांतरण बल, ब = क्षे x प्र x लां

इथे विद्युतप्रवाह हे कारण आहे आणि विद्युत-वाहक-स्थलांतर हा परिणाम आहे. या प्रकारच्या ऊर्जांतरणात विजेपासून यांत्रिक गती प्राप्त केली जाते. चालना-यंत्राची(मोटर) रचना याच तत्त्वावर आधारलेली असते. चालना-यंत्रा (मोटर) चा उपयोग आजच्या आधुनिक जगात बहुतेक सर्व विजेवर चालणार्‍या यांत्रिक उपकरणांत केलेला दिसून येतो. उदाहरणार्थ शीतकपाट (फ्रीज), वाटणयंत्र (मिक्सर), कुटणयंत्र (क्रशर), कणीक तिंबायचे यंत्र (फूड प्रोसेसर), दाढी करायचे यंत्र (शेव्हर), पंखे, क्षेपक (पंप), विद्युतवाहने, चक्क्या व अशीच असंख्य विजेवर चालणारी यंत्रे.

यावरून हे लक्षात येऊ शकेल की घरगुती वापराची असंख्य साधने विद्युतशक्तीवर चालतात. मात्र त्याकरता वापरली जाणारी वीज तयार करण्याकरता अवाढव्य संयंत्रे लागतात, कमालीचे प्रदूषण होते, निर्मितीप्रक्रिया गुंतागुंतीची आणि अविरत चालणारी असू शकते. तरीही या सार्‍यांचा अजिबात त्रास न होता आपण केवळ निर्मळ वीजच काय ती हवी तेव्हा, हवी तिथे, बटण दाबताच मिळवू शकतो. हे सारे साध्य होते त्याचे कारण यांत्रिक ऊर्जेपासून वीज आणि मग विजेपासून यांत्रिक ऊर्जा अगदी सहज मिळवता येण्यास कारण ठरलेली यंत्रे. म्हणूनच ती यंत्रे ज्या संकल्पनांवर, तत्त्वांवर, नियमांवर आधारलेली आहेत त्यांची किमान माहिती आपण करून घ्यायला हवी. फ्लेमिंग यांचे हे नियम जाणून घेतल्याने याबाबतीतल्या आपल्या संकल्पना नक्कीच सशक्त झाल्या असतील.
.
श्रेयनिर्देशः या लेखातील संकल्पनाचित्रे विकिपेडियावरील चित्रांचे आधारे तयार केलेली आहेत.
.