चीजें कैसे काम करती हैं — विद्युत, प्रकाश, ध्वनि और ऊष्मा | CTET विज्ञान P2

विद्युत धारा और परिपथ

विद्युत धारा किसी चालक में आवेश (इलेक्ट्रॉनों) के प्रवाह की दर है। I = Q / t। SI मात्रक: एम्पीयर (A)। 1 A = 1 कूलॉम/सेकण्ड।

इलेक्ट्रॉन वास्तव में ऋण टर्मिनल से धन टर्मिनल की ओर प्रवाहित होते हैं, परन्तु परम्परागत धारा की दिशा धन से ऋण टर्मिनल की ओर मानी जाती है।

विद्युत धारा एक अदिश राशि है, सदिश नहीं। भले ही धारा एक निश्चित दिशा में बहती है, यह सदिश संयोजन के नियमों का पालन नहीं करती। इसीलिए 'विद्युत धारा सदिश राशि है' यह अभिकथन गलत है।

विद्युत परिपथ: एक बन्द, सतत पथ जिसमें धारा प्रवाहित हो सके। धारा प्रवाहित होने के लिए परिपथ पूर्ण (अटूट) होना चाहिए। प्रमुख घटक:

• सेल/बैटरी: विद्युत ऊर्जा का स्रोत।
• स्विच: परिपथ खोलता या बन्द करता है।
• बल्ब/प्रतिरोध: विद्युत ऊर्जा प्रकाश/ऊष्मा में बदलती है।
• संयोजी तार: धारा का मार्ग।

श्रेणी परिपथ: घटक एक ही पथ में जुड़े हैं। सभी से समान धारा प्रवाहित होती है; एक बल्ब फ्यूज होने पर सभी बुझ जाते हैं। कुल प्रतिरोध = R₁ + R₂ + R₃।

समान्तर परिपथ: घटक समान दो बिन्दुओं के बीच जुड़े हैं। प्रत्येक घटक को समान वोल्टेज मिलता है; एक बल्ब फ्यूज होने पर बाकी जलते रहते हैं। घरों की वायरिंग समान्तर संयोजन में होती है।

ओम का नियम: V = IR। प्रतिरोध का मात्रक ओह्म (Ω)। उच्च प्रतिरोध = अधिक ऊष्मा और प्रकाश उत्पन्न होती है (जैसे टंगस्टन तन्तु)।

चालक और कुचालक

चालक वे पदार्थ हैं जिनमें विद्युत धारा आसानी से प्रवाहित होती है क्योंकि उनमें स्वतंत्र इलेक्ट्रॉन बहुतायत में होते हैं। उदाहरण: सभी धातुएँ (ताँबा, चाँदी, सोना, एल्युमिनियम), ग्रेफाइट, नमक का घोल।

कुचालक (विद्युत-रोधी) वे पदार्थ हैं जिनमें विद्युत धारा प्रवाहित नहीं होती क्योंकि इलेक्ट्रॉन दृढ़तापूर्वक बँधे रहते हैं। उदाहरण: रबर, प्लास्टिक, काँच, लकड़ी, शुष्क वायु, चीनी मिट्टी, शुद्ध आसुत जल।

प्रतिरोध धारा प्रवाह में पदार्थ द्वारा किया गया विरोध है। यह पदार्थ की प्रकृति, लम्बाई (अधिक लम्बाई = अधिक प्रतिरोध), अनुप्रस्थ काट (मोटा तार = कम प्रतिरोध), और तापमान (धातुओं में तापमान बढ़ने पर प्रतिरोध बढ़ता है) पर निर्भर करता है।

तापदीप्त बल्ब का तन्तु (filament) टंगस्टन से बनाया जाता है क्योंकि इसका गलनांक अत्यंत उच्च (3422 °C) है और यह उच्च तापमान पर बिना पिघले प्रकाश देता है। टंगस्टन का प्रतिरोध उच्च होता है (निम्न नहीं) — इसीलिए यह गर्म होकर चमकता है। जो कथन टंगस्टन के निम्न प्रतिरोध की बात करता है, वह गलत है।

सुरक्षा युक्तियाँ:

• फ्यूज: कम गलनांक का पतला तार जो अत्यधिक धारा पर पिघलकर परिपथ तोड़ देता है। सीसे और टिन की मिश्र धातु से बनता है।
• भूसम्पर्कण (Earthing): रिसाव धारा को पृथ्वी में प्रवाहित कर विद्युत आघात से बचाता है।
• MCB: स्वचालित स्विच जो निर्धारित सीमा से अधिक धारा पर ट्रिप हो जाता है; पुनः सेट किया जा सकता है।

चालक और कुचालक का अध्ययन सरल परिपथ और बैटरी से विभिन्न पदार्थों की जाँच — एक अत्यन्त अनुशंसित गतिविधि-आधारित शिक्षण पद्धति का उत्कृष्ट उदाहरण है।

चुम्बक और चुम्बकत्व

चुम्बक वह वस्तु है जो लोहे, निकेल और कोबाल्ट जैसी चुम्बकीय सामग्री को आकर्षित करती है। लकड़ी, प्लास्टिक, एल्युमिनियम, ताँबा — जो चुम्बक से आकर्षित नहीं होतीं — अचुम्बकीय सामग्री कहलाती हैं।

चुम्बक के गुण:

• प्रत्येक चुम्बक के दो ध्रुव होते हैं: उत्तर (N) और दक्षिण (S)।
• समान ध्रुव प्रतिकर्षण करते हैं; असमान ध्रुव आकर्षण: N–N और S–S विकर्षित; N–S आकर्षित।
• चुम्बकीय ध्रुव सदैव युगल में होते हैं। यदि चुम्बक को काटें तो प्रत्येक टुकड़ा दोनों ध्रुवों वाला पूर्ण चुम्बक बन जाता है।
• स्वतंत्र रूप से लटकाया चुम्बक सदैव उत्तर-दक्षिण दिशा में ठहरता है — दिक्सूची (Compass) का आधार।

चुम्बक के प्रकार:

• प्राकृतिक चुम्बक: मैग्नेटाइट (Fe₃O₄)।
• कृत्रिम चुम्बक: दण्ड चुम्बक, नालाकार चुम्बक, छल्ला चुम्बक।
• स्थायी चुम्बक: दीर्घकाल तक चुम्बकत्व बनाए रखते हैं (इस्पात)।
• अस्थायी चुम्बक: केवल सम्पर्क में चुम्बकीय (मृदु लोहा)।
• विद्युत चुम्बक: मृदु लोहे की क्रोड पर लिपटी कुण्डली में धारा प्रवाहित करने पर बनता है। उपयोग: विद्युत घण्टी, क्रेन, MRI मशीन, लाउडस्पीकर।

चुम्बकीय क्षेत्र: चुम्बक के चारों ओर का वह क्षेत्र जहाँ उसका प्रभाव महसूस होता है। क्षेत्र रेखाएँ N से निकलकर S में प्रवेश करती हैं; ध्रुवों के निकट सघन होती हैं (सबसे शक्तिशाली क्षेत्र)।

गर्म करने, हथौड़े से पीटने, या बार-बार गिराने से चुम्बक अपना चुम्बकत्व खो देता है (विचुम्बकन)।

ध्वनि — उत्पादन और संचरण

ध्वनि कम्पन करती वस्तुओं से उत्पन्न होती है। कम्पन से आसपास की वायु में संपीडन (उच्च दाब के क्षेत्र) और विरलन (निम्न दाब के क्षेत्र) बारी-बारी बनते हैं। यह अनुदैर्ध्य तरंग है — माध्यम के कण तरंग की दिशा के समान्तर कम्पन करते हैं।

ध्वनि के लक्षण:

• आयाम (Amplitude): कम्पन करते कण का अधिकतम विस्थापन। अधिक आयाम → तेज़ ध्वनि (उच्च तीव्रता)।
• आवृत्ति (Frequency): प्रति सेकण्ड कम्पन की संख्या। मात्रक: हर्ट्ज़ (Hz)। अधिक आवृत्ति → तीक्ष्ण (उच्च) तारत्व।
• तारत्व (Pitch): ध्वनि की उच्चता-निम्नता; आवृत्ति से सम्बन्धित।
• प्रबलता (Loudness): ध्वनि की तीव्रता; आयाम से सम्बन्धित। मात्रक: डेसिबल (dB)।

मानव श्रव्यता सीमा: 20 Hz से 20,000 Hz। 20 Hz से नीचे की ध्वनि अवश्रव्य (Infrasound)। 20,000 Hz से ऊपर पराश्रव्य (Ultrasound) — SONAR, चिकित्सीय इमेजिंग (सोनोग्राफी) और चमगादड़ की इकोलोकेशन में प्रयोग।

ध्वनि के संचरण के लिए माध्यम आवश्यक है — यह निर्वात में नहीं चल सकती। वायु में 0°C पर ध्वनि की चाल लगभग 332 m/s। ध्वनि ठोस में सबसे तेज़, फिर द्रव में, फिर गैस में चलती है।

ध्वनि का परावर्तन: कठोर सतहों से परावर्तित होती है। प्रतिध्वनि (Echo) तब सुनाई देती है जब परावर्तित ध्वनि मूल ध्वनि के बाद कम से कम 0.1 s में आए। अनुनाद (Reverberation) बहु-परावर्तन से ध्वनि का बने रहना है। सिनेमा हॉल की वक्र छत ध्वनि को दर्शकों की ओर केन्द्रित करती है — सभी दिशाओं में नहीं बिखेरती। यही कारण है कि वक्र छत के बारे में 'ध्वनि सभी दिशाओं में परावर्तित होती है' वाला तर्क गलत है।

प्रकाश — परावर्तन और दर्पण

प्रकाश विद्युतचुम्बकीय विकिरण का एक रूप है जो सीधी रेखाओं में यात्रा करता है और माध्यम की आवश्यकता नहीं होती। निर्वात में प्रकाश की चाल लगभग 3 × 10⁸ m/s है।

प्रकाश का परावर्तन: जब प्रकाश किसी सतह से टकराकर वापस आता है। परावर्तन के नियम:

• आपतन कोण = परावर्तन कोण (दोनों अभिलम्ब से मापे जाते हैं)।
• आपतित किरण, अभिलम्ब और परावर्तित किरण एक ही तल में होती हैं।

तीन प्रकार के दर्पण, तीन प्रकार के प्रतिबिम्ब:

• समतल दर्पण: आभासी, सीधा, समान आकार का प्रतिबिम्ब बनाता है। श्रृंगार-दर्पण, पेरिस्कोप में प्रयोग।
• अवतल दर्पण (अभिसारी; अन्दर की ओर वक्र): वस्तु की स्थिति के अनुसार विभिन्न प्रतिबिम्ब।
  • C से परे: वास्तविक, प्रतिलोमित, छोटा।
  • C पर: वास्तविक, प्रतिलोमित, समान आकार।
  • C और F के बीच: वास्तविक, प्रतिलोमित, आवर्धित।
  • F और दर्पण के बीच: आभासी, सीधा, आवर्धित (शेविंग/मेकअप दर्पण)।
• उत्तल दर्पण (अपसारी; बाहर की ओर वक्र): सदैव आभासी, सीधा, छोटा प्रतिबिम्ब। वाहनों के पश्च-दर्शी दर्पण, दुकानों के सुरक्षा दर्पण।

CTET-शैली दर्पण पहचान तालिका:

• दर्पण A: आभासी और सीधा, वस्तु के समान आकार → समतल दर्पण
• दर्पण B: वास्तविक और प्रतिलोमित, वस्तु के समान आकार → अवतल दर्पण (C पर)
• दर्पण C: वास्तविक और प्रतिलोमित, आवर्धित → अवतल दर्पण (F और C के बीच)
• दर्पण D: आभासी और सीधा, हासित → उत्तल दर्पण

यह A=समतल, B=अवतल, C=अवतल, D=उत्तल पैटर्न CTET जुलाई 2024 के दर्पण प्रश्न का सही उत्तर है।

प्रकाश — अपवर्तन और लेन्स

अपवर्तन प्रकाश का एक पारदर्शी माध्यम से दूसरे भिन्न प्रकाशीय घनत्व वाले माध्यम में प्रवेश करने पर मुड़ना है। ऐसा इसलिए होता है क्योंकि विभिन्न माध्यमों में प्रकाश की चाल भिन्न होती है।

अपवर्तन के नियम (स्नेल का नियम):

• आपतित किरण, अपवर्तित किरण और अभिलम्ब एक ही तल में होते हैं।
• sin i / sin r = n (अपवर्तनांक) — किसी निश्चित माध्यम-युगल के लिए स्थिर।

जब प्रकाश विरल माध्यम (वायु) से सघन माध्यम (काँच, जल) में प्रवेश करता है — अभिलम्ब की ओर मुड़ता है (r < i)। सघन से विरल में — अभिलम्ब से दूर मुड़ता है।

अपवर्तन के दैनिक जीवन के उदाहरण:

• जल में आंशिक रूप से डूबी पेंसिल मुड़ी दिखती है।
• जल में तालाब उथला दिखता है।
• वायुमण्डलीय अपवर्तन के कारण तारे टिमटिमाते दिखते हैं।
• मृगतृष्णा (Mirage) गर्म वायु में पूर्ण आन्तरिक परावर्तन से होती है।

लेन्स:

• उत्तल लेन्स (अभिसारी): मध्य में मोटा; समान्तर किरणों को एक बिन्दु पर केन्द्रित करता है। आवर्धक काँच, कैमरा, प्रोजेक्टर, मानव नेत्र में प्रयोग।
• अवतल लेन्स (अपसारी): किनारों पर मोटा; किरणों को फैलाता है। निकट-दृष्टि दोष (मायोपिया) सुधारने में प्रयोग।

मानव नेत्र उत्तल लेन्स से प्रकाश रेटिना पर केन्द्रित करता है। सामान्य दोष:

• निकट-दृष्टि (मायोपिया): प्रतिबिम्ब रेटिना के आगे बनता है; अवतल लेन्स से सुधार।
• दूर-दृष्टि (हाइपरमेट्रोपिया): प्रतिबिम्ब रेटिना के पीछे बनता है; उत्तल लेन्स से सुधार।

प्रिज्म श्वेत प्रकाश को सात रंगों (VIBGYOR) में विभाजित करता है — इसे वर्ण-विक्षेपण (Dispersion) कहते हैं। इन्द्रधनुष जल-बूँदों में सूर्य-प्रकाश के विक्षेपण और आन्तरिक परावर्तन से बनता है।

ऊष्मा स्थानान्तरण — चालन, संवहन, विकिरण

ऊष्मा ऊर्जा का एक रूप है जो गर्म वस्तु से ठंडी वस्तु की ओर स्थानान्तरित होती है। तापमान पदार्थ के कणों की औसत गतिज ऊर्जा का माप है। ऊष्मा का SI मात्रक जूल (J); तापमान का मात्रक सेल्सियस (°C) या केल्विन (K)।

ऊष्मा तीन विधियों से स्थानान्तरित होती है:

1. चालन (Conduction) — पदार्थ के स्थूल प्रवाह के बिना अणुओं के कम्पन द्वारा ऊष्मा का स्थानान्तरण। मुख्यतः ठोसों में होता है।

• ठोसों में चालन द्रवों से तेज़ और गैसों से बहुत तेज़ होता है — परन्तु गैसों में भी चालन होता है, केवल बहुत धीमा। 'गैसों में चालन नहीं होता' यह कथन गलत है।
• ऊष्मा चालक: धातुएँ (ताँबा, लोहा, एल्युमिनियम)।
• ऊष्मा कुचालक: लकड़ी, प्लास्टिक, काँच, ऊन, वायु। ऊनी कपड़े वायु को रोककर ऊष्मा हानि कम करते हैं।

2. संवहन (Convection) — द्रव (द्रव या गैस) के स्थूल प्रवाह द्वारा ऊष्मा स्थानान्तरण। गर्म द्रव फैलता है, हल्का होकर ऊपर उठता है; ठंडा भारी द्रव नीचे आता है — संवहन धाराएँ बनती हैं।

• द्रव में संवहन: पकाने वाले बर्तन में पानी।
• गैस में संवहन: समुद्री हवा और थलीय हवा।

3. विकिरण (Radiation) — विद्युतचुम्बकीय तरंगों (अवरक्त विकिरण) के रूप में ऊष्मा स्थानान्तरण; माध्यम की आवश्यकता नहीं। एकमात्र विधि जो निर्वात में भी होती है।

• गहरी, खुरदुरी सतहें अच्छी अवशोषक और उत्सर्जक होती हैं।
• हल्की, चमकदार सतहें अच्छी परावर्तक और बुरी उत्सर्जक। थर्मस फ्लास्क की चाँदी-मढ़ी दीवार इसी सिद्धान्त पर काम करती है।
• सूर्य का ऊष्मा पृथ्वी तक विकिरण द्वारा (अन्तरिक्ष के निर्वात से) पहुँचती है।

विज्ञान और प्रौद्योगिकी का सम्बन्ध

विज्ञान और प्रौद्योगिकी परस्पर गहराई से जुड़े हैं — फिर भी उनके उद्देश्य भिन्न हैं। विज्ञान व्यवस्थित अवलोकन, परिकल्पना, प्रयोग और सिद्धान्त-निर्माण द्वारा प्राकृतिक संसार को समझने का प्रयास है। प्रौद्योगिकी वैज्ञानिक ज्ञान को व्यावहारिक मानवीय समस्याओं के समाधान हेतु उपकरणों और प्रणालियों के रूप में लागू करती है।

यह सम्बन्ध द्विदिशात्मक है:

• विज्ञान प्रौद्योगिकी को सक्षम बनाता है: फैराडे की विद्युत चुम्बकीय प्रेरण की खोज → विद्युत जनित्र और मोटर; अर्धचालक भौतिकी → ट्रांजिस्टर और कम्प्यूटर; परमाणु भौतिकी → परमाणु ऊर्जा।
• प्रौद्योगिकी विज्ञान को आगे बढ़ाती है: दूरदर्शी (Telescope) → खगोलीय खोजें; इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी → कोशिका संरचना; आधुनिक कम्प्यूटर → जटिल जलवायु अनुकरण।

NCERT उच्च प्राथमिक विषयों के उदाहरण:

• विद्युत और परिपथ → विद्युत प्रकाश, मोटर, संचार उपकरण, ECG, पेसमेकर।
• चुम्बक और विद्युत चुम्बकत्व → विद्युत घण्टी, MRI स्कैनर, मैग्लेव ट्रेन, लाउडस्पीकर, जनित्र।
• ध्वनि → टेलीफोन, रेडियो, SONAR, अल्ट्रासाउण्ड इमेजिंग, श्रवण-सहायक।
• प्रकाश → कैमरा, सूक्ष्मदर्शी, दूरदर्शी, ऑप्टिकल फाइबर, लेज़र सर्जरी, सौर सेल।
• ऊष्मा स्थानान्तरण → रेफ्रिजरेटर, प्रेशर कुकर, वातानुकूलक, थर्मस, सौर कुकर।

विज्ञान, प्रौद्योगिकी और समाज (STS): NCERT इस बात पर बल देता है कि उच्च प्राथमिक विद्यार्थियों को न केवल प्रौद्योगिकी के कार्यकरण की समझ हो बल्कि उसके सामाजिक, नैतिक और पर्यावरणीय निहितार्थों की भी। CTET में यह अनुभाग विषय-ज्ञान को शिक्षाशास्त्र सम्बन्धी विचारों से जोड़ता है — परियोजना-आधारित शिक्षण, स्थानीय सन्दर्भ के उदाहरण और प्रौद्योगिकी के सामाजिक प्रभाव पर चर्चा उच्च प्राथमिक विज्ञान कक्षाओं में अत्यन्त अनुशंसित हैं।