લોહચુંબક (Magnet)

લોહચુંબક (Magnet) : લોહ(લોખંડ)ને આકર્ષવાનો ગુણ ધરાવતો પદાર્થ. લોહચુંબક કાયમી તેમજ બિનકાયમી એમ બે પ્રકારનાં હોય છે. ચુંબકત્વના અનેક પ્રકારો છે; જેમાં લોહચુંબક ફેરોમૅગ્નેટિઝમ (ferromagnetism) પ્રકારનું ચુંબકત્વ ધરાવે છે.

લોખંડના ઑક્સાઇડ (Fe₃O₄) એશિયા માઇનોર(Asia Minor)ના મૅગ્નેશિયા વિસ્તારમાં મળેલ હતા, તે લોખંડના ટુકડાને આકર્ષવાની શક્તિ ધરાવતા હતા. તે મૅગ્નેટાઇટ (Magnetite) તરીકે ઓળખાવા લાગ્યા હતા અને તેમની આકર્ષવાની શક્તિને ચુંબકત્વ (magnetism) કહેવામાં આવી. લોહયુગ (Iron age) દરમિયાન મૅગ્નેટાઇટના આ ગુણધર્મો પૂર્વીય ભૂમધ્ય સાગર વિસ્તારમાં જાણીતા હતા. મધ્યકાળમાં મૅગ્નેટાઇટને દોરી ઉપર લટકાવીને ઉત્તર દિશા જાણવા માટે ઉપયોગ થવા લાગ્યો. પેટ્રસ પેરેજિનસે (Petrus Pereginus) શોધી કાઢ્યું કે મૅગ્નેટાઇટના ટુકડામાં ચોક્કસ બિંદુ છે જ્યાં લોખંડ સૌથી વધારે આકર્ષાય છે. ગિલબર્ટે પૃથ્વી એક પ્રકારના ચુંબક તરીકે કામ કરે છે તેમ દર્શાવ્યું. રૉબર્ટ નૉર્મને ચુંબકની આસપાસના ચુંબકીય ક્ષેત્રનો ખ્યાલ આપ્યો. ગિલબર્ટ, ગૉસ, બૉર્ડા (Borda) જેવા અનેક સંશોધકોએ ચુંબકત્વના મહત્વના ખ્યાલો પ્રસ્થાપિત કર્યા.

કુદરતી લોહચુંબકની જગ્યાએ આજે કૃત્રિમ લોહચુંબકો વાપરવામાં આવે છે; જે જુદા જુદા આકારોમાં જોવા મળે છે. તેઓ ખાસ પ્રકારના પોલાદ(steel)ના અથવા તો નરમ લોખંડ(soft iron)ની આસપાસ વાહકતાર વીંટાળીને બનાવેલા વિદ્યુત લોહચુંબકો (electromangets) હોય છે. વિદ્યુત લોહચુંબકો અસ્થાયી (temporary) હોય છે. જ્યારે વાહકતારમાં વીજપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે છે ત્યારે નરમ લોખંડ ચુંબકિત થાય છે. પોલાદના બનાવેલા ચુંબકો કાયમી ચુંબક હોય છે.

લોહચુંબકને બે ધ્રુવો, ઉત્તર-ધ્રુવ અને દક્ષિણ-ધ્રુવ હોય છે; જેમની ક્ષમતા (strength) એકસમાન હોય છે. લોહચુંબકના ટુકડાને ઢ આધાર ઉપર મુક્ત રીતે લટકાવવામાં આવે તો લોહચુંબકનો ઉત્તર-ધ્રુવ ઉત્તર દિશામાં અને દક્ષિણ-ધ્રુવ દક્ષિણ દિશામાં ગોઠવાય છે.

પૃથ્વી એક વિશાળ ચુંબક છે; જેનો ચુંબકીય ઉત્તર-ધ્રુવ ભૌગોલિક દક્ષિણ-ધ્રુવ પાસે છે અને ચુંબકીય દક્ષિણ-ધ્રુવ ભૌગોલિક ઉત્તર-ધ્રુવ પાસે છે. લોહચુંબકના પરસ્પરવિરુદ્ધ પ્રકારના ધ્રુવો વચ્ચે આકર્ષણ થાય છે અને સમાન પ્રકારના ધ્રુવો વચ્ચે અપાકર્ષણ થાય છે. જો લોહચુંબકના બે ટુકડાઓ કરવામાં આવે તો બંને ટુકડાઓમાં ઉત્તર-ધ્રુવ અને દક્ષિણ-ધ્રુવ ઉત્પન્ન થાય છે, વધારે નાના ટુકડાઓ કરતાં ફરીથી નવા ટુકડાઓમાં દ્વિ-ધ્રુવો  ઉત્તર-ધ્રુવ તથા દક્ષિણ-ધ્રુવ  ઉત્પન્ન થાય છે. બંને ધ્રુવોને સૂક્ષ્મ ટુકડાઓ કરીને બંનેથી છૂટા પાડી શકાતા નથી. આમ ચુંબકીય એક-ધ્રુવ (monopole) વાસ્તવિક રીતે શક્ય નથી.

પ્રયોગોના અંતે કુલંબે (Coulomb) દર્શાવ્યું કે બે સૂક્ષ્મ ચુંબકીય ધ્રુવો વચ્ચે લાગતું બળ વ્યસ્ત વર્ગનો નિયમ (inverse square law of force) પાળે છે, જે નીચે મુજબ છે :

અહીં m₁ અને m₂ એ બે ધ્રુવોની ક્ષમતા (strengths) છે, જે નિરપેક્ષ એકમમાં મેળવેલ હોય છે. d બે ધ્રુવો વચ્ચેનું અંતર છે. k અચળાંક છે, જે ધ્રુવોની આસપાસના તેમની વચ્ચેના માધ્યમના પ્રકાર તથા જે એકમમાં બળ માપેલ છે તેના ઉપર આધાર રાખે છે. જો બંને ધ્રુવો મુક્ત અવકાશ (free space) અથવા શૂન્યાવકાશ(vacuum)માં આવેલ હોય અને m₁ = m₂ = 1, d = 1 સેમી. અને F = 1 dyne (ડાઇન) હોય તો k = 1 મળે છે. જો બંને ધ્રુવો એક સમાન પ્રકારના હોય તો Fની સંજ્ઞા ધન હોય છે, જો બંને ધ્રુવો વિરુદ્ધ પ્રકારના હોય તો Fની સંજ્ઞા ઋણ હોય છે.

સમાંગી અને સમદિગ્ધર્મી (homogeneous and isotropic) માધ્યમ (medium) માટે બળ નીચે પ્રમાણે છે :

જ્યાં μ_o મુક્ત અવકાશની પારગમ્યતા (free space permea-bility) છે, μ_r જે માધ્યમમાં ચુંબકીય ધ્રુવો આવેલ છે તેની સાપેક્ષ (relative) પારગમ્યતા છે; જ્યારે નિરપેક્ષ પારગમ્યતા (absolute permeability) μ_a = μ_oμ_rછે.

લોહચુંબકની આસપાસના અવકાશમાં કોઈ બિંદુએ ચુંબકીય ધ્રુવ મૂકવામાં આવે ત્યારે તેના ઉપર બળ લાગે છે. જો એ વિસ્તારમાં એકમ ઉત્તર-ધ્રુવ મૂકવામાં આવે તો અનુભવવામાં આવતા બળને ચુંબકીય તીવ્રતા (magnetic intensity) અથવા તો ચુંબકીય ક્ષેત્રની ક્ષમતા (strength of magnetic field) અથવા તો તેને તે બિંદુએ લાગતું ચુંબકીય બળ (magnetic force) કહેવામાં આવે છે. તે H વડે દર્શાવવામાં આવે છે. m જેટલી ક્ષમતા ધરાવતા ચુંબકીય ધ્રુવ ઉપર લાગતું બળ F = Hm ડાઇન્સ હોય છે. એકમ ધ્રુવ ઉપર એક ડાઇન જેટલું જો બળ લાગતું હોય તો ચુંબકીય ક્ષેત્રની તીવ્રતા એક ઓર્સ્ટેડ (oerstad  O_e) થાય છે.  આ ઉપરાંત m^–1માં પણ તે માપી શકાય છે, જ્યાં 1 Oe = 10³/4π Am^–1 છે.

કોઈ પસંદ કરેલ ઉત્તર-ધ્રુવને જ્યારે ચુંબકીય ક્ષેત્રમાં મૂકવામાં આવે છે ત્યારે તે ચુંબકીય ક્ષેત્રની દિશામાં નિશ્ચિત પથમાં ગતિ કરે છે. આ પથને ચુંબકીય બળ-રેખા કહે છે. પ્રત્યેક લોહચુંબકમાં ચુંબકીય બળ-રેખાઓ (lines of force) ઉત્તર-ધ્રુવથી ઉત્પન્ન થઈને દક્ષિણ-ધ્રુવ તરફ ચુંબકની બહાર જાય છે, જ્યારે ચુંબકની અંદર દક્ષિણ-ધ્રુવથી ઉત્તર-ધ્રુવ તરફ જાય છે. ચુંબકીય ધ્રુવો ચુંબકમાં કોઈ નિશ્ચિત બિંદુઓને બદલે ચોક્કસ વિસ્તારોમાં વિસ્તરેલા જોવા મળે છે; પરંતુ ગણિતીય સૂત્રો મેળવવાની સરળતા માટે તેમને બિંદુઓ ઉપર કેન્દ્રિત થયેલા ગણવામાં આવે છે. લોહચુંબકની આસપાસનું ચુંબકીય ક્ષેત્ર ચુંબકીય સોયની મદદથી અથવા તો લોખંડનો બારીક ભૂકો (વહેર) આસપાસ વેરીને સમક્ષિતિજ પૃષ્ઠમાં જાણી શકાય છે. જો ચુંબકીય બળ-રેખાઓ પરસ્પર સમાંતર હોય તો ચુંબકીય ક્ષેત્ર એકસમાન (uniform) કહેવાય છે. બળ-રેખાઓ સમાંતર ન હોય તો અસમાન ચુંબકીય ક્ષેત્ર કહેવાય છે.

માઇકલ ફૅરડેએ એવા પ્રકારની બળ-રેખાઓની વિભાવના આપી કે જે પરસ્પર એકબીજાની નજીક રહીને સમગ્ર અવકાશને આવરી લે છે. એ રીતે પ્રવાહીનું વહન કરવા માટે વપરાતી નલિકાઓ પરસ્પર નજીક નજીક ગોઠવીને જાણે એ દ્વારા અવકાશને આવરી લીધો હોય તેવું લાગે છે. તે નલિકાઓને બળની નલિકાઓ (tubes of force) તરીકે ઓળખવામાં આવે છે. જેમ નલિકાઓની સંખ્યા વધારે અને તેમનો આડછેદ ઓછો (સાંકડી નલિકાઓ) તેમ ચુંબકીય ક્ષેત્ર પ્રબળ. ચુંબકીય ક્ષેત્રની ક્ષમતા નલિકાઓના આડછેદના વ્યસ્ત પ્રમાણમાં હોય છે અને નલિકાઓની દિશાને લંબ એવા એકમ ક્ષેત્રફળમાંથી પસાર થતી એકમ નલિકાઓની સંખ્યાના (ફ્લક્સ ઘનતા) સપ્રમાણમાં હોય છે. સી.જી.એસ. પ્રણાલીમાં ફ્લક્સનો એકમ મૅક્સવેલ અને ફ્લક્સ-ઘનતા(flux density)નો એકમ ગૉસ (G) (Gauss) છે. S. I. એકમમાં ફ્લક્સ-ઘનતા ટેસ્લામાં (T) માપવામાં આવે છે, જ્યાં 1 T = 10⁴ G છે.

બળની નલિકાઓ લંબાઈમાં ટૂંકી થવા અને બાજુઓમાં ફેલાવા પ્રયાસ કરે છે. બળની નલિકાઓ વચ્ચેનું પ્રતાન ઉત્તર અને દક્ષિણ-ધ્રુવોને પરસ્પર આકર્ષે છે તેમજ બંને ઉત્તર-ધ્રુવોને અપાકર્ષે પણ છે.

લોહચુંબક ફેરોમૅગ્નેટિક પ્રકારના ચુંબકીય પદાર્થમાં વર્ગીકૃત થયેલ છે. લોખંડ, કોબાલ્ટ, નિકલ ફેરોમૅગ્નેટિક પદાર્થો છે. તેઓ વિશાળ ધન-ગ્રહણશીલતા (giant positive susceptibility) ધરાવે છે. તેઓ પ્રમાણમાં ઓછા ચુંબકીય ક્ષેત્ર વડે ચુંબકિત થઈ શકે છે. ફેરોમૅગ્નેટિક પદાર્થને ક્યુરી (curie) તાપમાનથી વધારે તાપમાને ગરમ કરતાં તે અનુચુંબકીય (paramagnetic) પદાર્થમાં રૂપાંતર પામે છે. ફેરોમૅગ્નેટિક પદાર્થો હિસ્ટેરેસિસ (hysteresis) જેવી ઘટના દર્શાવે છે.

ફેરોમૅગ્નેટિક પદાર્થોને 10^-12થી 10^-8 m³ જેટલું કદ ધરાવતા સ્ફટિકીય પ્રદેશ(crystalline domain)ના બનેલા માનવામાં આવે છે. દરેક પ્રદેશમાં ચુંબકીય ચાકમાત્રાઓ (magnetic moments) એક જ દિશામાં ગોઠવાયેલ હોય છે. પ્રત્યેક પ્રદેશ એક સૂક્ષ્મ ચુંબક તરીકે કામ કરે છે. કોઈ અચુંબકિત પદાર્થમાં ડોમેઇન જુદી જુદી દિશાઓમાં ગોઠવાયેલા અનેક સૂક્ષ્મ ચુંબકો તરીકે વર્તે છે, જેથી પરિણામી ચુંબકત્વ શૂન્ય બને છે. પરિણામે ચુંબકીય ચાકમાત્રા શૂન્ય રહે છે. બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રની હાજરીમાં જે ડોમેઇનની ચુંબકીય અક્ષો બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રની દિશામાં હોય તે અન્ય ડોમેઇનના ભોગે વૃદ્ધિ પામે છે. આ વૃદ્ધિ પામતા અને પરસ્પર સમાંતર ગોઠવાતા પ્રદેશોના કારણે અંતે એક જ ડોમેઇન બચે છે. તેની ચુંબકીય અક્ષ બાહ્ય ચુંબકીય ક્ષેત્રને સમાંતર રહે છે. આ કારણે પદાર્થ પ્રબળ ચુંબકન દર્શાવે છે. ડોમેઇનનું અસ્તિત્વ બિટર આકૃતિઓ (Bitter Patterns) અથવા તો બર્ખાઉસન (Barkhausen) અસર વડે જાણી શકાય છે.

ફેરોમૅગ્નેટિક પદાર્થોમાં પરમાણુની ચુંબકીય ચાકમાત્રા (atomic moment) પરમાણુઓની અંદરની કક્ષામાં રહેલ અપૂર્ણ ઇલેક્ટ્રૉનોના પ્રચક્રણ(spin)ના કારણે જોવા મળે છે. પ્રદેશનું અસ્તિત્વ સ્ફટિકની લેટિસ કે જે ફેરોમૅગ્નેટિક પરમાણુઓ ધરાવે છે તેની વચ્ચેના પરસ્પર પ્રબળ આંતરપરમાણુ-બળો (interatomic forces or exchange forces) ઉપર આધાર રાખે છે.

મિહિર જોશી