நிலை மின்னியல்

மின்காந்தவியல் என்பது இயற்பியலின் மிக முக்கியமான பிரிவுகளில் ஒன்றாகும். 21 ஆம் நூற்றாண்டின் தொழில்நுட்ப வளர்ச்சிகள் பலவும் மின்காந்தவியலைப் பற்றிய நமது புரிதலினால் ஏற்பட்டவையே.

அன்றாட வாழ்வில் நாம் காணும் விசைகளுள், ஈர்ப்பு விசையைத் தவிர பிற அனைத்து விசைகளும் மின்காந்த இயல்பு கொண்டவையே. +1 வகுப்பில், ஈர்ப்பு விசை, இழுவிசை, உராய்வு விசை, செங்குத்து விசை உள்ளிட்ட விசைகளைப் பற்றி நாம் கற்றோம். அவை ஒவ்வொன்றையும் தனித்த இயல்புடைய விசையாகவும் ஒன்றையொன்று சார்ந்தவை அல்ல என்றும் நியூட்டன் கூறினார். அப்படியெனில் இவ்விசைகளின் தோற்ற காரணம் தான் என்ன? தற்போதைய புரிதல்படி, நம் அன்றாட வாழ்வில் நாம் எதிர்கொள்ளும் விசைகளுள் ஈர்ப்பு விசையைத் தவிர பிற விசைகள் அனைத்தும் (கம்பியின் இழுவிசை, பரப்பின் செங்குத்து விசை, உராய்வு விசை உள்ளிட்டவை) அணுக்களுக்கு இடையே தோன்றும் மின்காந்த விசைகளே. சில எடுத்துக்காட்டுகள் கீழே தரப்பட்டுள்ளது:

1. ஒரு பொருளைத் தள்ளப்படும்போது, நம் கைகளில் உள்ள அணுக்களுடன் அப் பொருளில் உள்ள அணுக்கள் இடைவினை புரிகின்றன. இந்த இடைவினை விசையானது மின்காந்த இயல்பையே பெற்றுள்ளது.
2. புவியின் மீது நாம் நிற்கும்போது, நம் மீது புவிஈர்ப்பு விசை கீழ்நோக்கிய திசையில் செயல்படுகிறது. தரையின் செங்குத்து விசை மேல்நோக்கிய திசையில் செயல்பட்டு அதை சமன் செய்கிறது. இந்த செங்குத்து விசையின் தோற்ற காரணம் என்ன? புவியின் மேலுள்ள அணுக்களுக்கும் நம் பாதங்களில் உள்ள அணுக்களுக்கும் இடையே நிகழும் இடைவினையின் காரணமாகவே இவ்விசை உருவாகிறது. உண்மையில், ஈர்ப்பு விசையினால் நாம் ஈர்க்கப்படும் நிலையில் அணுக்களுக்கு இடையே உருவாகும் மின்காந்த விசையினால் தான் புவியின் மேல் நம்மால் நிற்க முடிகிறது.
3. பரப்பு ஒன்றின் மீது ஒரு பொருளைத் தள்ளும்போது, அது நகரத் தடைப்படுவதை ஓய்வு நிலை உராய்வுக்கு காரணமாகும். இந்த ஓய்வுநிலை உராய்வானது பரப்பில் உள்ள அணுக்களுக்கும் பொருளில் உள்ள அணுக்களுக்கும் இடையே ஏற்படும் மின்காந்த இடைவினையால் உருவாகின்றது. இயக்கநிலை உராய்வும் இத்தகைய தோற்ற காரணத்தைக் கொண்டதே.

எனவே பிரபஞ்சத்தைப் பற்றிய முழுமையான புரிதலுக்கு மின்காந்தவியலைப் பற்றிய புரிதல் இன்றியமையாதது என்று இந்த எழுத்துக்காட்சிகள் மூலம் தெளிவாகின்றது. மின்காந்தவியலின் அடிப்படைத் தத்துவங்களை +2 வகுப்பு இயற்பியலின் முதல் தொகுதியில் அறிந்து கொள்ளலாம். நிலையாக உள்ள மின்துகள்களின் தன்மை பற்றியும் அது தொடர்பான நிகழ்வுகள் பற்றியும் இந்த அலகில் கூறப்பட்டுள்ளது. நிலையாக உள்ள மின்துகள்களைப் பற்றி அறிய உதவும் மின்னியலின் இந்தப் பிரிவு நிலை மின்னியல் எனப்படும்.

வரலாற்று பின்புலம் – மின்னூட்டங்கள்#

அரக்கு (amber) எனப்படும் ஒரு வகைப் பொருளை (இது ஒளிகசியும் தன்மையுடைய, புதைப்படிமமாக மாறிய ஒரு வகை மரப்பிசினே) விங்கு உரோமம் அல்லது கம்பளி கொண்டு தேய்த்தால் அது சிறு இலைகளையும் தூசிகளையும் கவர்வதை சுமார் இரண்டாயிரம் ஆண்டுகளுக்கு முன்னரே பண்டைய கிரேக்கர்கள் கண்டுள்ளனர். இத்தகைய பண்பைப் பெற்றுள்ள அரக்கு ‘மின்னூட்டம் பெற்றுள்ளது’ எனலாம். தொடக்கத்தில் அரக்கு மட்டுமே இந்த சிறப்பியல்பு உள்ளதாக கருதப்பட்டது. ஆனால், பின்னாளில் பட்டித்துணியால் தேய்க்கப்பட்ட கண்ணாடித் தண்டும் காகிதத் துண்டுகளைக் கவர்வது கண்டறியப்பட்டது. எனவே, தகுந்த பொருளைக் கொண்டு தேய்க்கப்படும் கண்ணாடித் தண்டும் கூட ‘மின்னூட்டம் பெறும்’ தன்மை கொண்டுள்ளது.

படம் 1.1 இல் கொடுத்துள்ளபடி நூலில் தொங்கவிடப்பட்டுள்ள மின்னூட்டம் பெற்ற ஒரு இரப்பர் தண்டைக் கருதுவோம். இப்போது மின்னூட்டம் பெற்ற கண்ணாடித் தண்டும் இரப்பர் தண்டின் அருகில் கொண்டு செல்லும் போது, அவை ஒன்றையொன்று கவருகின்றன. அதே சமயம், மின்னூட்டம் பெற்ற கண்ணாடித் தண்டினை மின்னூட்டம் பெற்ற இன்னொரு கண்ணாடித் தண்டின் அருகில் கொண்டு சென்றால் அவை ஒன்றையொன்று விலக்குவதைக் காணலாம்.

இந்த காட்சியறிவுகளின் (observations) மூலம் பின்வரும் முடிவுகளைக் கூறலாம்.

1. இரப்பர் தண்டு பெற்ற மின்னூட்டம் கண்ணாடித் தண்டு பெற்ற மின்னூட்டத்திலிருந்து வேறுபட்டது.
2. மின்னூட்டம் பெற்ற இரப்பர் தண்டு மின்னூட்டம் பெற்ற இன்னொரு இரப்பர் தண்டினை விலக்குகிறது. இதிலிருந்து, ஓரின மின்னூட்டங்கள் ஒன்றையொன்று விலக்குகின்றன எனலாம். மின்னூட்டம் பெற்ற கண்ணாடித் தண்டு மின்னூட்டம் பெற்ற இன்னொரு கண்ணாடித் தண்டு விலக்கும் செயல்பாட்டிலிருந்து இதே முடிவை எட்டலாம்.
3. மின்னூட்டம் பெற்ற இரப்பர் தண்டு மின்னூட்டம் பெற்ற கண்ணாடித் தண்டு கவருகின்றது. இதிலிருந்து கண்ணாடித் தண்டுள்ள மின்னூட்டமும் இரப்பரிலுள்ள மின்னூட்டமும் ஒரே வகையல்ல என்பதும் வேறின மின்னூட்டங்கள் ஒன்றையொன்று கவருகின்றன என்பதும் தெரிய வருகின்றது.

பிரபஞ்சத்தில் இரு வகை மின்னூட்டங்களே உள்ளன. ஒரு வகையை நேர மின்னூட்டம் (+) எனவும் இன்னொரு வகையை எதிர் மின்னூட்டம் (-) எனவும் பெஞ்சமின் பிராங்களின் என்பார் 18ம் நூற்றாண்டில் வகைப்படுத்தினார். இம்முறைப்படி, மின்னூட்டம் பெற்ற இரப்பர் மற்றும் அரக்குத் தண்டுகள் எதிர் மின்னூட்டம் பெற்றவை என்றும், மின்னூட்டம் பெற்ற கண்ணாடித் தண்டு நேர மின்னூட்டம் பெற்றது என்றும் எடுத்துக்கொள்ளப்படுகின்றன. ஒரு பொருளிலுள்ள நிகர (net) மின்னூட்டம் சுழியெனில், அப்பொருள் மின் நடுநிலையில் உள்ளது எனலாம்.

19ம் நூற்றாண்டின் இறுதியிலும் 20ம் நூற்றாண்டின் தொடக்கத்திலும் தம் ஆராய்ச்சிகளை மேற்கொண்ட ஜேஜேதாம்சன், ஏ.ருதர்போர்டு போன்ற அறிவியல் அறிஞர்களின் முன்னோடி ஆய்வுகளின் மூலம் அணுவானது மின் நடுநிலை கொண்டது என்று அறியப்பட்டது. மேலும், அணுவானது எதிர் மின்னூட்டம் கொண்ட எலக்ட்ரான்கள், நேர மின்னூட்டம் கொண்ட புரோட்டான்கள் மற்றும் மின் நடுநிலைமை கொண்ட நியூட்ரான்கள் ஆகியவற்றால் ஆனது என்றும் நாம் அறிகிறோம். பொதுவாக, அனைத்துப் பொருள்களும் அணுக்களால் ஆனவை என்பதால் அவையும் மின் நடுநிலைமை கொண்டவையே. ஒரு பொருளை மற்றொரு பொருளுடன் தேய்க்கும்போது (எடுத்துக்காட்டாக, இரப்பரை பட்டுத்துணியால் தேய்க்கும்போது) எதிர் மின்துகள்கள் சிலவற்றை அப்பொருள் இழக்கின்றது அல்லது பெறுகின்றது. இதனால் தான் அப்பொருள் மின்னூட்டம் பெற்றதாகின்றது. இம்முறையில், அதாவது, உராய்வின் மூலம் பொருள்களை மின்னேற்றம் (charging) செய்யும் முறை ‘உராய்வு மின்னேற்றம்’ எனப்படும்.

மின்னூட்டத்தின் அடிப்படைப் பண்புகள்#

(i) மின்னூட்டம்#

பிரபஞ்சத்திலுள்ள பொருள்கள் அனைத்தும் அணுக்களால் ஆனவை; அணுக்கள் புரோட்டான்கள், நியூட்ரான்கள் மற்றும் எலக்ட்ரான்களால் ஆனவை. இவை அனைத்துமே நிறை எனும் உள்ளார்ந்த (inherent) பண்பை உடையவை. இதேபோல், மின்னூட்டம் என்பதும் மற்றொரு உள்ளார்ந்த அடிப்படைப் பண்பாகும். 19 ஆம் மற்றும் 20 ஆம் நூற்றாண்டுகளில் மேற்கொள்ளப்பட்ட பல்வேறு ஆய்வுகளின் மூலம் மின்துகளின் இயல்பைப் பற்றிய புரிதல் ஏற்பட்டது. மின்னூட்டத்தின் SI அலகு கூலூம் [C] ஆகும்.

(ii) மின்னூட்ட மாறாத்தன்மை#

ஒரு பொருள் இன்னொன்றால் தேய்க்கப்படும்போது ஒன்றிலிருந்து மற்றொன்றிற்கு மின்துகள்கள் இடம்பெயர்கின்றன என பெஞ்சமின் பிராங்களின் வாதிட்டார். தேய்க்கப்படும் முன் பொருள்கள் மின் நடுநிலையில் உள்ளன. தேய்க்கப்படும் போது ஒன்றிலிருந்து மற்றொரு பொருளுக்கு மின்துகள்கள் இடம்பெயர்கின்றன. (எடுத்துக்காட்டாக, கண்ணாடித் தண்டினை பட்டுத்துணியால் தேய்க்கும்போது, எதிர்மின்னூட்டம் பெற்ற மின்துகள்கள் கண்ணாடித் தண்டுவிருந்து பட்டுத்துணிக்கு இடம்பெயர்கின்றன. இதனால் கண்ணாடித் தண்டு நிகர நேர மின்னூட்டத்தையும் பட்டுத்துணி நிகர எதிர் மின்னூட்டத்தையும் பெறுகின்றன). இத்தகைய காட்சியறிவுகளிலிருந்து ‘மின்னூட்டங்களை ஆக்கவோ அழிக்கவோ இயலாது’ என்றும் ‘அவற்றை ஒரு பொருளிலிருந்து மற்றொரு பொருளுக்கு இடமாற்றம் செய்ய மட்டுமே இயலும்’ என்றும் அவர் கூறினார். இதையே மொத்த மின்னூட்ட மாறாத் தன்மை என்பர். இது, இயற்பியலில் அறியப்படும் மாறாத் தன்மை விதிகளுள் (Conservation laws) அடிப்படையான ஒன்றாகும். இவ்விதியை பொதுப்படையாகப் பின்வருமாறு கூறலாம். பிரபஞ்சத்திலுள்ள மொத்த மின்னூட்டம் மாறாமல் இருக்கும். மின்னூட்டத்தை ஆக்கவோ அழிக்கவோ இயலாது. எந்தவொரு இயற்கை நிகழ்விலும் மொத்த மின்னூட்ட மாற்றம் சுழியாகவே இருக்கும்.

(iii) மின்னூட்டத்தின் குவாண்டமாக்கல் (Quantization)#

இயற்கையில் கிடைக்கப்படும் சிறும மின்னூட்ட மதிப்பு எவ்வளவு? எலக்ட்ரானின் மின்னூட்ட மதிப்பு -e எனவும் புரோட்டானின் மின்னூட்ட மதிப்பு +e எனவும் ஆய்வுகள் (experiments) தெளிவுபடுத்துகின்றன. இங்கு e என்பதுதான் மின்னூட்டத்தின் அடிப்படை மதிப்பு. எந்தவொரு பொருளில் உள்ள மின்னூட்டத்தின் மதிப்பு இந்த அடிப்படை மதிப்பின் முழு மடங்காகவே இருக்கும்.

இங்கு n என்பது ஒரு முழுவெண் (0, ±1, ±2, ±3, ±4…….). இதுவே மின்னூட்டத்தின் குவாண்டமாக்கல் எனப்படும். e இன் மதிப்பு $1.6 \times 10^{-19}$ C என்பதை புகழ்பெற்ற ஆய்வின் மூலம் ராபர்ட் மில்லிகன் கண்டறிந்தார். எலக்ட்ரானின் மின்னூட்ட மதிப்பு $= -1.6 \times 10^{-19}$ C மற்றும் புரோட்டானின் மின்னூட்ட மதிப்பு $= +1.6 \times 10^{-19}$ C.

கண்ணாடித் தண்டொன்று பட்டுத்துணியால் தேய்க்கப்படும்போது இடம்பெயரும் மின்துகள்களின் எண்ணிக்கை (n) மிகப்பெரியதாக இருக்கும் (பொதுவாக $10^n$). எனவே, நடைமுறையில் நாம் காணும் பொருட்களுக்கு மின்னூட்டத்தின் குவாண்டமாக்கல் குறிப்பிடத்தக்க பங்கு வகிப்பதில்லை. ஆகவே, மின்னூட்டத்தை (பிரிவுநிலையற்ற = not discrete) தொடர் மதிப்புடையதாகக் கருதலாம். ஆனால் (கண்ணுக்குப் புலனாகாத) நுண்ணிய நிலையில் மின்னூட்டத்தின் குவாண்டமாக்கல் முக்கிய பங்கை வகிக்கிறது.

எடுத்துக்காட்டு 1.1

ஒரு கூலூம் மின்னூட்ட மதிப்புடைய எதிர் மின்துகளிலுள்ள எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கையைக் கணக்கிடுக.

தீர்வு

மின்னூட்டத்தின் குவாண்டமாக்கல் (பண்பின்) படி,

இங்கு q = 1 C. எனவே, இதிலுள்ள எலக்ட்ரான்களின் எண்ணிக்கை,