2026年9月7日 / Last updated : 2026年9月7日桑子研 Science

विद्युत क्षेत्र से मिलने वाले बल का सूत्र “F=qE” क्या बताता है? तड़ित चालक (लाइटनिंग रॉड) के रहस्य को सुलझाता विद्युत क्षेत्र और विभव

मैं साइंस ट्रेनर कुवाको केन हूँ। मेरे लिए हर दिन एक प्रयोग है।

विज्ञान की कक्षा में जब हम “बल” पढ़ाते हैं, तो अक्सर यह समझाते हैं कि किसी वस्तु पर बल लगाने के लिए उस वस्तु को छूना ज़रूरी है। लेकिन “स्थिरवैद्युत बल” ऐसा बल है जो वस्तुओं के एक-दूसरे को छुए बिना भी, बिल्कुल चुंबक की तरह, दूर से प्रभाव डाल सकता है। इसके रोज़मर्रा के उदाहरण हैं—प्लास्टिक की पट्टी से बालों का खड़ा हो जाना या सर्दियों में दरवाज़े के हैंडल को छूते ही “चटाक!” से लगने वाली स्थिर बिजली। ये सभी हमारी आँखों से दिखाई न देने वाले बल के प्रभाव हैं। गुरुत्वाकर्षण भी ऐसा ही एक रहस्यमय बल है, जो बिना छुए वस्तुओं पर प्रभाव डालता है।

इस “बिना छुए काम करने वाले बल” को समझने के लिए भौतिकी में “क्षेत्र” की अवधारणा का उपयोग किया जाता है। गुरुत्वाकर्षण के लिए “गुरुत्वाकर्षण क्षेत्र” और स्थिरवैद्युत बल के लिए “विद्युत क्षेत्र” की अवधारणा का उपयोग करके हम बिजली की अदृश्य दुनिया को “दृश्य रूप” में समझ सकते हैं और उसके बल के गुणों को अधिक गहराई से जान सकते हैं।

विद्युत क्षेत्र की अवधारणा थोड़ी अमूर्त लग सकती है। लेकिन इसे अच्छी तरह समझ लेने पर हम न केवल स्थिरवैद्युत बल की कार्यप्रणाली, बल्कि बिजली गिरने जैसी प्राकृतिक घटनाओं और यहाँ तक कि तड़ितचालक के सिद्धांत जैसी रोज़मर्रा की ज़िंदगी से जुड़ी घटनाओं को भी एक ही दृष्टिकोण से समझ पाएँगे। तो आइए, विद्युत क्षेत्र की दुनिया की खोज करें और बिजली के इन अद्भुत रहस्यों को मिलकर समझें!

■२ विद्युत क्षेत्र से लगने वाले बल का सूत्र ～बिजली की दुनिया को “दृश्य” बनाना～

सबसे पहले उस सूत्र को देखते हैं, जो विद्युत क्षेत्र द्वारा किसी आवेश पर लगाए जाने वाले बल को व्यक्त करता है।

F = qE

विद्युत आवेश पर लगने वाला बल ＝ विद्युत आवेश $\times$ विद्युत क्षेत्र

यह सरल-सा सूत्र बिजली की उस अदृश्य दुनिया को समझने के लिए एक बेहद शक्तिशाली उपकरण है।

मान लीजिए हमारे पास $+ 1 C$ का आवेश A है। इसके पास $+ Q [C]$ का आवेशित पिंड रखने पर, आवेश A उस आवेशित पिंड से स्थिरवैद्युत बल प्राप्त करता है। यदि वह आवेशित पिंड मौजूद न हो, तो आवेश A पर कोई प्रभाव नहीं पड़ेगा। इसलिए हम यह मान सकते हैं कि उस आवेशित पिंड के मौजूद होने से, भले ही हमारी आँखों को दिखाई न दे, अंतरिक्ष में कुछ परिवर्तन हुआ है।

इसी “अंतरिक्ष में हुए परिवर्तन” को व्यक्त करने वाली अवधारणाएँ हैं—विद्युत क्षेत्र और विद्युत विभव।

अब इसे एक ठोस उदाहरण से समझते हैं। यदि $+ Q [C]$ के आवेशित पिंड से $1 m$ की दूरी पर आवेश A（ $+ 1 C$ ）रखा जाए, तो A पर लगने वाला स्थिरवैद्युत बल FA इस प्रकार होगा।

FA =k Q×1/1^2 = kQ

यदि आवेश A के स्थान पर उसी जगह $+ 2 C$ का आवेश B रखा जाए, तो B पर लगने वाला स्थिरवैद्युत बल $F_{B} = 2 k Q [N]$ होगा। इसे A पर लगने वाले बल $F_{A}$ के आधार पर व्यक्त करें, तो $F_{B} = 2 F_{A}$ होगा। इसी तरह, यदि $+ 3 C$ का आवेश D रखा जाए, तो $D$ पर लगने वाला स्थिरवैद्युत बल $F_{D} = 3 F_{A} [N]$ लिखा जा सकता है।

अर्थात, यदि हमें उस स्थान पर $+ 1 C$ के आवेश द्वारा प्राप्त बल $F_{A}$ पता हो, तो अन्य आवेशों पर लगने वाले बल को $F_{A}$ के गुणज के रूप में व्यक्त किया जा सकता है। इसलिए हमने $+ 1 C$ के आवेश को आधार मानकर, “ $+ 1 C$ के आवेश पर लगने वाले बल” को विद्युत क्षेत्र $E$ के रूप में परिभाषित किया है। ऊपर के उदाहरण में, $F_{A}$ विद्युत क्षेत्र $E$ को दर्शाता है।

इसलिए, यदि किसी स्थान पर $+ q [C]$ का आवेश X रखा जाए, तो उस स्थान के विद्युत क्षेत्र $E$ से X पर लगने वाला बल $F_{X} = qE$ के रूप में लिखा जा सकता है। विद्युत क्षेत्र $E$ की इकाई $N / C$ (न्यूटन/कूलॉम) होती है।

इस विद्युत क्षेत्र $E$ की अवधारणा का उपयोग करना बहुत सुविधाजनक है। उदाहरण के लिए, आइए $+ Q$ के आवेशित पिंड के आसपास अलग-अलग स्थानों पर $+ 1 C$ का आवेश A रखकर विद्युत क्षेत्र $E$ की जाँच करें। तब विद्युत क्षेत्र के वितरण से हमें $+ Q$ के आवेश द्वारा बनाए गए “विद्युत स्थान के स्वरूप” का पता चल जाएगा।

आवेशित पिंड के पास विद्युत क्षेत्र अधिक प्रबल होता है और उससे दूर जाने पर कमजोर होता जाता है। भले ही हमें यह पता न हो कि आवेशित पिंड कहाँ स्थित है, $+ 1 C$ का आवेश A रखकर, A पर लगने वाले बल से विद्युत क्षेत्र का पता लगाया जा सकता है।

वास्तव में बिजली दिखाई नहीं देती, इसलिए आवेशित वस्तु और बिना आवेश वाली वस्तु में अंतर करना आसान नहीं है। हो सकता है कि अलग-अलग स्थानों पर कई आवेशित वस्तुएँ छिपी हुई हों। ऐसे “अच्छी तरह समझ न आने वाले स्थान” में भी, $+ 1 C$ का आवेश A अलग-अलग जगहों पर रखकर उस स्थान में विद्युत क्षेत्र का वितरण जाना जा सकता है। यह ठीक वैसा ही है जैसे मौसम की स्थिति जानने के लिए अलग-अलग स्थानों पर हवा की गति और दिशा को मापना।

यदि किसी स्थान का विद्युत क्षेत्र पता हो, तो हमें उस क्षेत्र को बनाने वाले “दोषी” यानी आवेशित पिंड के बारे में जाने बिना भी यह गणना की जा सकती है कि किसी निश्चित मात्रा के आवेश（ $+ q [C]$ ）पर वहाँ कितना बल और किस दिशा में लगेगा（ $F = qE$ के अनुसार, $E$ से गुणा करना है）。यदि विद्युत क्षेत्र की अवधारणा का उपयोग न करें और केवल स्थिरवैद्युत बल का सूत्र जानते हों, तो हर बार दूसरे आवेश को ढूँढ़ना और उस आवेश से दूरी मापना आवश्यक होगा। अब आप समझ सकते हैं कि विद्युत क्षेत्र की अवधारणा कितनी शक्तिशाली और उपयोगी है।

विद्युत क्षेत्र और विद्युत विभव: बिजली की दुनिया को एक “ढलान” की तरह समझें

अब आइए उस भौतिक राशि “विद्युत विभव” को समझते हैं, जो बिजली की दुनिया को और भी आसानी से समझने में मदद करती है। विद्युत क्षेत्र का अर्थ था “ $+ 1 C$ के आवेश पर लगने वाला बल”। दूसरे शब्दों में कहें तो विद्युत क्षेत्र “बल” है। फिर विद्युत विभव क्या है? इसे बिजली की दुनिया में “ऊँचाई” के रूप में समझा जा सकता है।

उदाहरण के लिए, किसी ढलान पर रखी वस्तु गुरुत्वाकर्षण के कारण बल प्राप्त करती है और नीचे की ओर लुढ़कने लगती है। ढलान जितनी अधिक तीखी होगी, वस्तु पर लगने वाला बल भी उतना ही अधिक होगा।

विद्युत क्षेत्र को भी इसी तरह समझा जा सकता है। मान लीजिए, अगले चित्र की तरह $+ 1 C$ का आवेश विद्युत क्षेत्र के कारण बल प्राप्त कर रहा है। इस स्थिति में हम बिजली की दुनिया में एक नई “विद्युत स्थान की ऊँचाई” की अवधारणा लाते हैं और यह मानते हैं कि उसकी ढलान के कारण विद्युत क्षेत्र उत्पन्न होता है।

इस ऊँचाई को “विद्युत विभव” कहते हैं और इसे $V$ से दर्शाते हैं। विद्युत विभव से बनी “ढलान की तीव्रता” ही विद्युत क्षेत्र को दर्शाती है। विद्युत क्षेत्र जितना अधिक प्रबल होगा, ढलान भी उतनी ही तीखी होगी।

उदाहरण के लिए, $+ Q [C]$ के आवेश के आसपास विद्युत विभव कैसा होगा, यह सोचते हैं। अगले चित्र के बाईं ओर दिखाए गए उदाहरण में, आवेश $Q$ के पास विद्युत क्षेत्र बहुत प्रबल होता है और उससे दूर जाने पर कमजोर होता जाता है। यह विद्युत क्षेत्र चारों दिशाओं में रेडियल रूप से फैलता है। दाईं ओर के चित्र में विद्युत विभव का उपयोग करके विद्युत क्षेत्र की तीव्रता को व्यक्त किया गया है। विद्युत क्षेत्र जितना अधिक प्रबल है, ढलान को उतना ही अधिक तीखा दिखाया गया है। आवेश $Q$ के पास ढलान अधिक तीखी है और उससे दूर जाने पर धीरे-धीरे कम तीखी होती जाती है।

केवल विद्युत क्षेत्र का उपयोग करके बनाए गए चित्र की तुलना में, विद्युत विभव यानी “ऊँचाई” की अवधारणा जोड़ने से बिजली की दुनिया को कल्पना करना और भी आसान हो जाता है। अब सवाल यह है कि विद्युत क्षेत्र और विद्युत विभव की इन अवधारणाओं की मदद से हम धनात्मक और धनात्मक आवेशों के बीच प्रतिकर्षण तथा धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के बीच आकर्षण को कैसे समझ सकते हैं?

मान लीजिए कि आप एक रूमाल को क्षैतिज रूप से पकड़कर उसके ऊपर एक कंचा रखते हैं। इस स्थिति में कंचा हिलेगा नहीं।

रूमाल को अगले चित्र की तरह ऊपर की ओर खींचने पर कंचा खींचे गए स्थान से दूर जाने की दिशा में लुढ़कने लगता है। वहीं, यदि रूमाल को नीचे की ओर खींचें, तो कंचा उस दिशा में लुढ़कने लगता है, मानो उसे अपनी ओर खींचा जा रहा हो। यदि हम रूमाल के इस “खींचाव” को धनात्मक या ऋणात्मक आवेशों द्वारा बनाए गए विद्युत विभव और कंचे को दूसरे धनात्मक आवेश के रूप में देखें, तो आवेशों के बीच काम करने वाले बल को सहज रूप से समझना बहुत आसान हो जाता है।

चित्र ChatGPT की मदद से बनाया गया है

विद्युत विभव की सटीक परिभाषा है: $+ 1 C$ के आवेश में मौजूद स्थिरवैद्युत स्थितिज ऊर्जा（ऊँचाई के कारण मिलने वाली ऊर्जा）। इसकी इकाई $[J / C]$ या $[V]$ （वोल्ट）होती है।

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【सूत्र का उपयोग】क्या तड़ितचालक वास्तव में बिजली को “मार्गदर्शन” करता है?

विद्युत क्षेत्र और विद्युत विभव की अवधारणाओं को समझ लेने पर हम रोज़मर्रा की ज़िंदगी में दिखाई देने वाली घटनाओं को भी वैज्ञानिक दृष्टि से अधिक गहराई से समझ सकते हैं। उदाहरण के लिए, गर्मियों की पहचान बन चुकी “बिजली” भी स्थिरवैद्युत के विशाल पैमाने पर होने वाली एक विसर्जन घटना है।

गर्मियों में जब गरज वाले बादल यानी क्यूम्यलोनिम्बस बादल बनते हैं, तो बिजली के बादलों के निर्माण में शामिल बर्फ के कण आपस में तेज़ी से टकराते हैं और इस घर्षण के कारण स्थिर बिजली उत्पन्न होती है। माना जाता है कि इस प्रक्रिया में बड़े बर्फ के कण ऋणात्मक और छोटे बर्फ के कण धनात्मक रूप से आवेशित हो जाते हैं।

गुरुत्वाकर्षण और गरज वाले बादलों के भीतर ऊपर उठती वायु-धारा के कारण, अगले चित्र की तरह, धनात्मक आवेश वाले छोटे बर्फ के कण बादल के ऊपरी हिस्से में और ऋणात्मक आवेश वाले बड़े बर्फ के कण निचले हिस्से में जमा होते जाते हैं। परिणामस्वरूप, बिजली के बादल के ठीक नीचे की जमीन पर, बादल के निचले हिस्से में जमा ऋणात्मक आवेश के विपरीत धनात्मक आवेश एकत्र होने लगता है और जमीन तथा बादल के बीच विद्युत क्षेत्र बहुत प्रबल होता जाता है। सामान्यतः हवा में विद्युत धारा प्रवाहित नहीं होती, लेकिन जब विद्युत विभवांतर लगभग 10 करोड़ V तक पहुँच जाता है, तो बिजली हवा के भीतर से प्रवाहित होने लगती है। यही बिजली गिरना है।

इसी कारण, लोहे के टावर जैसी जमीन से ऊपर निकली हुई जगहों पर गरज वाले बादलों से दूरी कम होती है, इसलिए जमीन के धनात्मक आवेश वहाँ अधिक मात्रा में एकत्र हो जाते हैं। इसके परिणामस्वरूप, उस उभरे हुए हिस्से और बादल के बीच का विद्युत क्षेत्र बहुत प्रबल हो जाता है और बिजली के वहाँ गिरने की संभावना बढ़ जाती है।

बिजली पास में गिरने मात्र से भी मानव शरीर में बहुत बड़ी विद्युत धारा प्रवाहित हो सकती है। इस धारा की ऊर्जा बेहद अधिक होती है और बिजली की चपेट में आने पर केवल चोट ही नहीं, बल्कि जान जाने का भी गंभीर खतरा हो सकता है। जब गरज वाले बादल पास आ रहे हों और खतरा महसूस हो, तो यह महत्वपूर्ण है कि शरीर की मुद्रा जितना संभव हो उतना नीचे रखें और ऊँची इमारतों या ऊँचे पेड़ों के पास न जाएँ, क्योंकि ऊँची जगहों पर जमीन का धनात्मक आवेश अधिक मात्रा में एकत्र होता है। यदि गोल्फ खेलते समय या मछली पकड़ते समय बिजली गरजने लगे, तो विशेष सावधानी बरतें। आजकल के गोल्फ क्लब और मछली पकड़ने की छड़ियों में कार्बन का उपयोग बहुत अधिक होता है और कार्बन बिजली को आसानी से प्रवाहित करता है।

बिजली जितनी खतरनाक है, उतनी ही उपयोगी तकनीक “तड़ितचालक” भी है। ऊँची इमारतों पर तड़ितचालक लगाने से बिजली गिरने से होने वाली दुर्घटनाओं और इमारत को होने वाले नुकसान को कम किया जा सकता है। तड़ितचालक को इमारत की छत जैसी जानबूझकर ऊँची जगह पर लगाया जाता है। इसका उद्देश्य बिजली के बादल की विद्युत ऊर्जा को तड़ितचालक की ओर आकर्षित करना और बिजली को वहीं गिराना तथा उसकी विशाल विद्युत धारा को सीधे जमीन तक पहुँचाना है। इस तरह इमारत के मुख्य ढाँचे में विद्युत धारा प्रवाहित होने से होने वाले नुकसान को कम किया जाता है।

चित्र ChatGPT की मदद से बनाया गया है

दूसरे शब्दों में, तड़ितचालक अपने नाम के विपरीत बिजली को “टालता” नहीं है। बल्कि वह सक्रिय रूप से बिजली को “सुरक्षित दिशा में मार्गदर्शन” करता है और उसे सुरक्षित रूप से जमीन तक पहुँचाता है। इससे साफ़ समझ आता है कि विद्युत क्षेत्र और विद्युत विभव का ज्ञान हमारी ज़िंदगी को सुरक्षित रखने वाली तकनीकों में भी उपयोग किया जाता है।

※ यह लेख मेरी पुस्तक 『वयस्कों के लिए हाई स्कूल भौतिकी पुनरावृत्ति नोटबुक』 के परिशिष्ट के रूप में लिखा गया है। आप पुस्तक से संबंधित अन्य लेख भी पढ़ सकते हैं। यहाँ से देखें।

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