चुंबकत्व एवं द्रव्य | Magnetism and Matter

Hemant Verma

16 May, 2026

B = μ₀(H + M) χ = M / H ∮ B · dA = 0 U = -m · B

चुंबकत्व एवं द्रव्य
(Magnetism and Matter)

पृथ्वी के रहस्यमयी चुंबकत्व और पदार्थों के चुंबकीय गुणों का संपूर्ण विश्लेषण

प्राकृतिक चुंबकत्व और पदार्थ

चुंबक के गुण, गॉस का नियम और पदार्थों का चुंबकीय वर्गीकरण

भूमिका: चुंबकत्व का ऐतिहासिक दृष्टिकोण (Introduction)

मानव जाति को 'चुंबकत्व' (Magnetism) का ज्ञान प्राचीन काल से ही रहा है। लगभग 600 ईसा पूर्व, ग्रीस (यूनान) के मैग्नेशिया (Magnesia) नामक द्वीप पर एक विशेष प्रकार का पत्थर पाया गया, जिसमें लोहे के छोटे-छोटे टुकड़ों को अपनी ओर आकर्षित करने का अद्भुत गुण था। इस पत्थर को 'मैग्नेटाइट' (Magnetite - Fe₃O₄) कहा गया और इसी से 'मैग्नेट' शब्द की उत्पत्ति हुई।

प्राचीन चीन के नाविकों ने इस पत्थर का एक और अत्यंत उपयोगी गुण खोजा—दिशिक गुण (Directional Property)। जब इस पत्थर के एक टुकड़े को स्वतंत्रतापूर्वक धागे से लटकाया जाता था, तो वह हमेशा उत्तर-दक्षिण दिशा में ही ठहरता था। इस कारण इस पत्थर को दिशा बताने वाला पत्थर यानी लोडस्टोन (Lodestone) या 'लीडिंग स्टोन' कहा जाने लगा। आज के समय में हमारे कंपास (Compass) का आधार भी यही सिद्धांत है।

चुंबकत्व के कुछ मूल तथ्य:

पृथ्वी स्वयं एक विशालकाय चुंबक की भांति व्यवहार करती है, जिसका चुंबकीय क्षेत्र लगभग 10^-4 टेस्ला (Tesla) या 1 गॉस (Gauss) कोटि का होता है।
किसी चुंबक के समान ध्रुव (N-N या S-S) एक-दूसरे को प्रतिकर्षित (Repel) करते हैं, जबकि विपरीत ध्रुव (N-S) आकर्षित (Attract) करते हैं।
चुंबकीय एकध्रुव (Magnetic Monopoles) का अस्तित्व नहीं है: यदि आप एक छड़ चुंबक को दो टुकड़ों में तोड़ते हैं, तो आपको दो अलग-अलग उत्तर या दक्षिण ध्रुव नहीं मिलेंगे, बल्कि दोनों टुकड़ों में अपने-अपने नए N और S ध्रुव उत्पन्न हो जाएंगे।

छड़ चुंबक और चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं (The Bar Magnet and Field Lines)

जिस प्रकार वैद्युत आवेशों के प्रभाव को वैद्युत क्षेत्र रेखाओं (Electric Field Lines) द्वारा दर्शाया जाता है, उसी प्रकार चुंबकीय क्षेत्र को दृष्टिगत (visualize) करने के लिए चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं का उपयोग किया जाता है। यदि हम एक छड़ चुंबक (Bar Magnet) के ऊपर कांच रखकर उस पर लोहे का बुरादा (Iron filings) छिड़कें और कांच को हल्का सा थपथपाएं, तो बुरादा स्वयं को एक विशेष पैटर्न में व्यवस्थित कर लेता है।

चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं के गुण (Properties)

बंद लूप (Closed Loops): चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं सदैव सतत बंद पाश (Continuous closed loops) बनाती हैं। ये चुंबक के बाहर उत्तरी ध्रुव (N) से निकलकर दक्षिणी ध्रुव (S) की ओर जाती हैं, और चुंबक के अंदर दक्षिणी ध्रुव (S) से उत्तरी ध्रुव (N) की ओर वापस आती हैं। (यह वैद्युत क्षेत्र रेखाओं से एक बड़ा अंतर है, जो बंद लूप नहीं बनातीं)।

स्पर्श रेखा (Tangent): क्षेत्र रेखा के किसी भी बिंदु पर खींची गई स्पर्श रेखा, उस बिंदु पर परिणामी चुंबकीय क्षेत्र (B) की दिशा को प्रदर्शित करती है।

प्रतिच्छेदन (No Intersection): दो चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं कभी भी एक-दूसरे को नहीं काटतीं। यदि वे ऐसा करतीं, तो कटान बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र की दो दिशाएं होतीं, जो कि भौतिक रूप से असंभव है।

क्षेत्र की प्रबलता: जहाँ क्षेत्र रेखाएं पास-पास (सघन) होती हैं (जैसे ध्रुवों के पास), वहाँ चुंबकीय क्षेत्र प्रबल (Strong) होता है, और जहाँ रेखाएं दूर-दूर होती हैं, वहाँ क्षेत्र दुर्बल होता है।

परिनालिका के समतुल्य छड़ चुंबक (Bar Magnet as an Equivalent Solenoid)

ऐम्पियर ने सुझाव दिया था कि सभी प्रकार के चुंबकत्व का मूल कारण विद्युत धाराओं के बंद लूप (Circulating currents) हैं। यदि हम एक धारावाही परिनालिका (Solenoid) के चुंबकीय क्षेत्र का पैटर्न देखें, तो वह बिल्कुल एक छड़ चुंबक के चुंबकीय क्षेत्र के समान होता है।

यदि किसी छड़ चुंबक का चुंबकीय द्विध्रुव आघूर्ण (Magnetic dipole moment) m है, तो उसके केंद्र से अक्षीय स्थिति (Axial line) पर बहुत दूर (r >> l) स्थित किसी बिंदु पर चुंबकीय क्षेत्र का मान होता है:

B = (μ₀ / 4π) · (2m / r³)

यह सूत्र बिल्कुल वैद्युत द्विध्रुव के अक्षीय वैद्युत क्षेत्र [E = (1/4πε₀) · (2p/r³)] के समतुल्य है, जो इस बात की पुष्टि करता है कि छड़ चुंबक और परिनालिका दोनों चुंबकीय द्विध्रुव (Magnetic Dipoles) की भांति कार्य करते हैं।

एकसमान चुंबकीय क्षेत्र में द्विध्रुव (Dipole in a Uniform Magnetic Field)

जब किसी चुंबकीय द्विध्रुव (या छड़ चुंबक / कंपास की सुई) को किसी एकसमान बाह्य चुंबकीय क्षेत्र B में क्षेत्र से θ कोण पर रखा जाता है, तो उस पर एक बल-आघूर्ण (Torque, τ) कार्य करता है जो उसे घुमाकर क्षेत्र की दिशा में लाने का प्रयास करता है।

τ = m × B ⇒ τ = m B sinθ

इस घुमाव के कारण चुंबक में एक स्थितिज ऊर्जा (Potential Energy, U) संचित हो जाती है, जिसका मान होता है:

U = - m · B ⇒ U = - m B cosθ

यदि चुंबक को क्षेत्र से थोड़ा सा विस्थापित करके छोड़ दिया जाए, तो वह अपनी माध्य स्थिति के इर्द-गिर्द सरल आवर्त गति (Simple Harmonic Motion) करने लगता है। इसके दोलनों का आवर्तकाल (Time Period, T) निम्न सूत्र द्वारा दिया जाता है:

T = 2π √(I / mB)

यहाँ I चुंबक का जड़त्व आघूर्ण (Moment of Inertia) है। यह प्रयोग किसी अज्ञात चुंबकीय क्षेत्र B का मान ज्ञात करने के लिए उपयोग किया जाता है।

चुंबकत्व के लिए गाउस का नियम (Gauss's Law for Magnetism)

स्थिरवैद्युतिकी में गाउस का नियम कहता है कि किसी बंद पृष्ठ से गुजरने वाला कुल वैद्युत फ्लक्स उस पृष्ठ के अंदर परिबद्ध कुल आवेश का (1/ε₀) गुना होता है। यदि अंदर नेट आवेश शून्य है, तो फ्लक्स शून्य होता है।

चुंबकत्व के मामले में, चूंकि स्वतंत्र (अकेले) चुंबकीय ध्रुव (Magnetic Monopoles) नहीं पाए जाते, इसलिए किसी भी चुंबक में उत्तरी (N) और दक्षिणी (S) ध्रुव हमेशा समान सामर्थ्य (strength) के साथ जोड़े में (dipole) होते हैं।

नियम का कथन

"किसी भी बंद पृष्ठ (Closed Surface) से गुजरने वाला कुल नेट चुंबकीय फ्लक्स (Φ_B) सदैव शून्य (Zero) होता है।"

∮ B · dA = 0

इस नियम का भौतिक अर्थ (Physical Significance) बहुत गहरा है: यह सिद्ध करता है कि जितनी चुंबकीय क्षेत्र रेखाएं किसी बंद पृष्ठ के अंदर प्रवेश करती हैं, ठीक उतनी ही रेखाएं बाहर भी निकल जाती हैं। प्रकृति में कोई 'चुंबकीय आवेश' (Magnetic charge) जैसी कोई चीज नहीं है जिसे अलग किया जा सके।

पृथ्वी का चुंबकत्व (Geomagnetism)

हमारी पृथ्वी एक अत्यंत शक्तिशाली चुंबक की भांति व्यवहार करती है। पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र इस प्रकार प्रतीत होता है मानो इसके केंद्र में एक बहुत बड़ा छड़ चुंबक रखा हो, जिसका दक्षिणी ध्रुव भौगोलिक उत्तरी ध्रुव की ओर और उत्तरी ध्रुव भौगोलिक दक्षिणी ध्रुव की ओर हो।

डायनेमो प्रभाव (Dynamo Effect)

पृथ्वी के चुंबकत्व का सटीक कारण आज भी पूरी तरह से प्रमाणित नहीं है, लेकिन सबसे मान्य सिद्धांत 'डायनेमो प्रभाव' है। इसके अनुसार, पृथ्वी के बाहरी क्रोड (Outer Core) में पिघले हुए लोहे और निकल (धात्विक तरल) की संवहन धाराएं (Convection currents) बहती हैं। पृथ्वी के घूर्णन के कारण ये धाराएं एक डायनेमो की तरह काम करती हैं और यह विशाल चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करती हैं।

पृथ्वी के चुंबकीय अवयव (Magnetic Elements of Earth)

पृथ्वी के पृष्ठ पर किसी भी स्थान पर पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र का पूर्ण रूप से वर्णन करने के लिए मुख्य रूप से तीन राशियों (Elements) की आवश्यकता होती है:

1. दिक्पात का कोण (Magnetic Declination, D)

किसी स्थान पर भौगोलिक याम्योत्तर (Geographic Meridian - वास्तविक उत्तर-दक्षिण दिशा) और चुंबकीय याम्योत्तर (Magnetic Meridian - कंपास सुई की दिशा) के बीच बनने वाले न्यून कोण को दिक्पात का कोण कहते हैं। यह बताता है कि कंपास वास्तविक उत्तर से कितना विचलित है।

2. नमन या नति कोण (Magnetic Dip or Inclination, I)

पृथ्वी का कुल चुंबकीय क्षेत्र (B_E) क्षैतिज दिशा (Horizontal) के साथ जो कोण बनाता है, उसे नति कोण (Dip Angle) कहते हैं। भूमध्य रेखा (Equator) पर नति कोण 0° होता है (सुई क्षैतिज रहती है), और ध्रुवों (Poles) पर 90° होता है (सुई एकदम ऊर्ध्वाधर/खड़ी हो जाती है)।

3. क्षैतिज घटक (Horizontal Component, H_E)

यह पृथ्वी के कुल चुंबकीय क्षेत्र (B_E) का क्षैतिज दिशा में घटक है। कंपास की सुई इसी क्षैतिज घटक के कारण उत्तर-दक्षिण दिशा में ठहरती है।

सूत्र:
H_E = B_E cos I
Z_E = B_E sin I (ऊर्ध्वाधर घटक)
tan I = Z_E / H_E

चुंबकन एवं चुंबकीय तीव्रता (Magnetisation and Magnetic Intensity)

किसी पदार्थ को चुंबकीय क्षेत्र में रखने पर वह किस प्रकार व्यवहार करेगा, इसे समझने के लिए कुछ महत्वपूर्ण भौतिक राशियों को परिभाषित किया गया है:

चुंबकन सदिश (Magnetisation, M)

जब किसी पदार्थ को बाह्य चुंबकीय क्षेत्र में रखा जाता है, तो उसके भीतर के परमाण्विक द्विध्रुव (Atomic dipoles) एक ही दिशा में संरेखित होने लगते हैं। पदार्थ के प्रति एकांक आयतन (per unit volume) में उत्पन्न नेट चुंबकीय आघूर्ण (m_net) को चुंबकन (M) कहते हैं।

M = m_net / V

इसका मात्रक ऐम्पियर/मीटर (A/m) है।

चुंबकीय तीव्रता (Magnetic Intensity, H)

यह वह बाह्य कारक है जो पदार्थ को चुंबकित करने की क्षमता रखता है। यदि परिनालिका में धारा I बह रही है, तो H = nI होता है। H पदार्थ के गुणों से स्वतंत्र होता है। इसका मात्रक भी A/m होता है।

B, H और M के बीच संबंध

पदार्थ के भीतर कुल चुंबकीय क्षेत्र (B), बाह्य कारक (H) और पदार्थ के अपने चुंबकन (M) दोनों का योग होता है:

B = μ₀ (H + M)

अधिकतर पदार्थों के लिए, चुंबकन (M) चुंबकीय तीव्रता (H) के अनुक्रमानुपाती होता है: M = χ H। यहाँ χ (काई - Chi) पदार्थ की चुंबकीय प्रवृत्ति (Magnetic Susceptibility) कहलाती है। यह एक विमाहीन राशि है जो यह बताती है कि कोई पदार्थ बाह्य क्षेत्र के प्रति कितनी आसानी से चुंबकित होता है।

आपेक्षिक चुंबकशीलता (Relative Permeability, μ_r)

μ_r = 1 + χ
तथा पदार्थ की कुल चुंबकशीलता μ = μ₀ μ_r होती है। अतः B = μ H।

पदार्थों के चुंबकीय गुण (Magnetic Properties of Materials)

चुंबकीय प्रवृत्ति (χ) और चुंबकशीलता (μ_r) के आधार पर महान वैज्ञानिक फैराडे ने प्रकृति के सभी पदार्थों को मुख्य रूप से तीन श्रेणियों में विभाजित किया:

1. प्रतिचुंबकीय पदार्थ (Diamagnetic)

ये वे पदार्थ हैं जो बाह्य चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर क्षेत्र की विपरीत दिशा (Opposite direction) में हल्का सा चुंबकित हो जाते हैं।
ये शक्तिशाली चुंबकों द्वारा प्रतिकर्षित (Repelled) होते हैं।
इनकी चुंबकीय प्रवृत्ति (χ) ऋणात्मक और बहुत कम होती है (-1 ≤ χ < 0)।
इन पर तापमान का कोई प्रभाव नहीं पड़ता।
उदाहरण: बिस्मथ, तांबा (Copper), सीसा, जल (Water), सोडियम क्लोराइड।
अतिचालक (Superconductors) पूर्णतः प्रतिचुंबकीय होते हैं (χ = -1)। वे चुंबकीय क्षेत्र रेखाओं को अपने अंदर से पूरी तरह बाहर निकाल देते हैं, जिसे मीस्नर प्रभाव (Meissner Effect) कहते हैं।

2. अनुचुंबकीय पदार्थ (Paramagnetic)

ये वे पदार्थ हैं जो बाह्य चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर क्षेत्र की दिशा में (Same direction) हल्का सा चुंबकित हो जाते हैं।
ये शक्तिशाली चुंबकों द्वारा क्षीण रूप से आकर्षित (Weakly attracted) होते हैं।
इनकी चुंबकीय प्रवृत्ति (χ) धनात्मक और बहुत कम होती है (0 < χ < ε)।
उदाहरण: एल्युमिनियम, सोडियम, कैल्शियम, ऑक्सीजन (STP पर)।
क्यूरी का नियम (Curie's Law): अनुचुंबकीय पदार्थों का चुंबकन (M) निरपेक्ष ताप (T) के व्युत्क्रमानुपाती होता है। M = C (B₀ / T), जहाँ C क्यूरी नियतांक है। अर्थात् गर्म करने पर इनका चुंबकत्व घटता है।

3. लौहचुंबकीय पदार्थ (Ferromagnetic)

ये वे पदार्थ हैं जो बाह्य चुंबकीय क्षेत्र में रखे जाने पर क्षेत्र की दिशा में बहुत प्रबल (Strongly) रूप से चुंबकित हो जाते हैं।
ये सामान्य चुंबकों द्वारा प्रबलता से आकर्षित होते हैं।
इनकी चुंबकीय प्रवृत्ति (χ) धनात्मक और बहुत अधिक (हजारों में) होती है (χ >> 1)।
इनमें डोमेन (Domains) नामक सूक्ष्म क्षेत्र पाए जाते हैं (जहाँ करोड़ों परमाणु एक साथ एक दिशा में संरेखित होते हैं)।
उदाहरण: लोहा (Iron), कोबाल्ट, निकल, गैडोलिनियम।
क्यूरी ताप (Curie Temperature, T_C): वह निश्चित ताप जिसके ऊपर कोई लौहचुंबकीय पदार्थ अपना लौहचुंबकत्व खोकर अनुचुंबकीय (Paramagnetic) बन जाता है। (लोहे के लिए T_C = 1043 K)।

शैथिल्य वक्र (Hysteresis Curve)

लौहचुंबकीय पदार्थों का चुंबकन (B) बाह्य चुंबकीय तीव्रता (H) के साथ रैखिक (linear) रूप से नहीं बदलता है। यदि हम किसी लौहचुंबकीय पदार्थ (जैसे लोहे की छड़) को एक परिनालिका में रखकर H का मान बढ़ाएं, फिर शून्य करें, और फिर विपरीत दिशा में बढ़ाएं, तो B और H के बीच खींचा गया वक्र एक बंद पाश (Closed loop) बनाता है। इसे B-H वक्र या शैथिल्य पाश (Hysteresis Loop) कहते हैं।

"शैथिल्य" (Hysteresis) का अर्थ है "पिछड़ जाना" (Lagging behind)। इस प्रक्रिया में चुंबकीय क्षेत्र B, बाह्य कारक H से हमेशा पीछे रह जाता है।

धारणशीलता (Retentivity)

बाह्य चुंबकीय क्षेत्र (H = 0) हटा लेने के बाद भी पदार्थ में जो अवशिष्ट चुंबकत्व (Residual Magnetism, B) शेष रह जाता है, उसे धारणशीलता कहते हैं।

निग्राहिता (Coercivity)

पदार्थ के अवशिष्ट चुंबकत्व (B) को पूरी तरह समाप्त (शून्य) करने के लिए विपरीत दिशा में जो बाह्य चुंबकीय क्षेत्र (H) लगाना पड़ता है, उसे निग्राहिता कहते हैं।

शैथिल्य हानि (Hysteresis Loss)

पदार्थ को चुंबकित और विचुंबकित करने के एक पूरे चक्र में कुछ ऊर्जा ऊष्मा (Heat) के रूप में नष्ट हो जाती है। नष्ट हुई ऊर्जा B-H वक्र के क्षेत्रफल (Area of the loop) के समानुपाती होती है। इसलिए ट्रांसफार्मर के क्रोड (Core) बनाने के लिए ऐसे पदार्थों का उपयोग किया जाता है जिनके B-H वक्र का क्षेत्रफल बहुत कम हो (जैसे नर्म लोहा)।

स्थायी चुंबक और विद्युत चुंबक (Permanent Magnets and Electromagnets)

पदार्थों के चुंबकीय गुणों (जैसे धारणशीलता और निग्राहिता) के आधार पर ही उनका उपयोग विभिन्न प्रकार के चुंबक बनाने में किया जाता है:

स्थायी चुंबक (Permanent Magnets)

ये वे चुंबक हैं जो कमरे के ताप पर लंबे समय तक अपना चुंबकत्व बनाए रखते हैं।

आवश्यक गुण:

उच्च धारणशीलता (High Retentivity): ताकि चुंबक शक्तिशाली बने।
उच्च निग्राहिता (High Coercivity): ताकि तापमान में बदलाव या हल्के झटकों से चुंबकत्व नष्ट न हो।
उच्च चुंबकशीलता: ताकि चुंबकन आसानी से हो।

पदार्थ: स्टील (Steel), एलनिको (Alnico - Al+Ni+Co), कोबाल्ट स्टील।

विद्युत चुंबक (Electromagnets)

ये वे चुंबक हैं जिनका चुंबकत्व केवल तभी तक रहता है जब तक परिनालिका में विद्युत धारा प्रवाहित होती है।

आवश्यक गुण:

अत्यंत उच्च चुंबकशीलता (High Permeability): ताकि कम धारा पर ही शक्तिशाली चुंबकत्व उत्पन्न हो।
निम्न धारणशीलता (Low Retentivity): ताकि धारा बंद करते ही चुंबकत्व तुरंत समाप्त हो जाए।
निम्न निग्राहिता (Low Coercivity): ऊर्जा हानि कम करने के लिए।

पदार्थ: नर्म लोहा (Soft Iron)। इनका उपयोग क्रेनों, इलेक्ट्रिक घंटी, और ट्रांसफार्मर क्रोड में होता है।

"हमारा ग्रह पृथ्वी अंतरिक्ष में तैरता हुआ एक विशाल चुंबक है। यह अदृश्य चुंबकीय कवच ही है जो अंतरिक्ष से आने वाली जानलेवा सौर हवाओं को रोककर हमारी रक्षा करता है।"

— भू-भौतिकी के रहस्य

अध्याय का संपूर्ण सारांश (Chapter Summary)

इस अध्याय में हमने प्राकृतिक चुंबकों के गुण, पृथ्वी के चुंबकत्व के रहस्य और चुंबकीय क्षेत्र के प्रति विभिन्न पदार्थों की प्रतिक्रिया का विस्तार से अध्ययन किया।

द्विध्रुव समतुल्यता

छड़ चुंबक = धारावाही परिनालिका

पृथ्वी का चुंबकत्व

दिक्पात, नति कोण और क्षैतिज घटक

पदार्थों का वर्गीकरण

प्रतिचुंबकीय, अनुचुंबकीय, लौहचुंबकीय

शैथिल्य वक्र

B-H लूप, धारणशीलता और निग्राहिता

आगे का सफ़र (What's Next?)

अब तक हमने देखा कि विद्युत धारा से चुंबकीय क्षेत्र कैसे उत्पन्न होता है। क्या इसका उल्टा संभव है? क्या चुंबकीय क्षेत्र की मदद से विद्युत धारा उत्पन्न की जा सकती है? इसका उत्तर हमें माइकल फैराडे देंगे हमारे अगले अध्ययन विषय "विद्युतचुंबकीय प्रेरण (Electromagnetic Induction - EMI)" में!