“झटाक!” का रहस्य उजागर! 1.5 लाख वोल्ट वाले वान डे ग्राफ जनरेटर के चौंकाने वाले राज़!
मैं हूँ साइंस ट्रेनर, कवाको केन। हर दिन एक प्रयोग है।
सर्दियों में, जैसे ही आप दरवाज़े के हैंडल को छूते हैं, एक “चट!” की आवाज़ के साथ एक दर्द भरा झटका लगता है, या स्वेटर उतारते समय “पच-पच” की आवाज़ आती है। यह सब ‘स्थिर वैद्युतिकी’ (Static Electricity) की शरारत है, जहाँ चीज़ें बिजली जमा कर लेती हैं। आज, मैं आपको एक थोड़ा ‘जादुई’ लेकिन बेहद मज़ेदार वैज्ञानिक उपकरण के बारे में बताने जा रहा हूँ, जिसकी मदद से आप जानबूझकर यह स्टैटिक बिजली पैदा कर सकते हैं और उस पर ‘कंट्रोल’ पा सकते हैं।
क्या आप “चट!” को कंट्रोल कर सकते हैं? वो रहस्यमय गोला, वैन डी ग्राफ
इस उपकरण का नाम है: “वैन डी ग्राफ”। क्या आपने साइंस लैब या म्यूज़ियम में कभी किसी चांदी के गोले को छूने वाले व्यक्ति के बाल हवा में “फटाफट” खड़े होते हुए देखे हैं? यह बिल्कुल वही चीज़ है। यह थोड़ा मुश्किल सा नाम दरअसल इसके आविष्कारक, डॉ. रॉबर्ट जेमिसन वैन डी ग्राफ के नाम पर रखा गया है।सबसे मज़ेदार बात यह है कि इसे मूल रूप से साइंस क्लास के खिलौने के रूप में नहीं बनाया गया था। डॉ. वैन डी ग्राफ ने इस हाई-वोल्टेज पैदा करने वाली मशीन को ‘पार्टिकल एक्सेलेरेटर’ (कण त्वरक) के हिस्से के रूप में विकसित किया था, जिसका उपयोग परमाणु के नाभिक पर कणों को तेज़ी से टकराने के लिए किया जाता है। यानी, यह मूल रूप से परमाणु जगत की खोज करने के लिए बनाया गया एक अत्याधुनिक अनुसंधान उपकरण था। (अगर आप उत्सुक हैं, तो “वैन डी ग्राफ एक्सेलेरेटर” सर्च करके इसकी भव्यता को देख सकते हैं!)（वैसे, मैं यहाँ जापान के ईदो काल की स्थिर विद्युत पैदा करने वाली मशीन “एलेकिटर” की कार्यप्रणाली के बारे में बता रहा हूँ।）https://phys-edu.net/wp/?p=34689
150,000 वोल्ट की दुनिया!
मेरे पास व्यक्तिगत रूप से नारिका कंपनी का वैन डी ग्राफ मॉडल है। यह अधिकतम 150,000 वोल्ट तक वोल्टेज पैदा कर सकता है (मैंने इसे चुपके से अपने परिवार से छिपाकर खरीदा था, लेकिन इतना बड़ा आकार… यह तुरंत पकड़ा गया)।
150,000 वोल्ट सुनकर आपको लग सकता है कि “करंट लग सकता है!” लेकिन स्थिर विद्युत का वोल्टेज (वोल्ट) भले ही ज़्यादा हो, बहने वाली बिजली की मात्रा (एम्पीयर) बहुत कम होती है, इसलिए आपको झटका तो लगेगा, पर बड़ा ख़तरा नहीं होता है। (हाँ, दिल के मरीज़ों या पेसमेकर वाले लोगों को सावधान रहना चाहिए!) आम तौर पर, स्थिर विद्युत के प्रयोग केवल सूखी सर्दियों के दिनों में ही सफल होते हैं, लेकिन यह उपकरण इतना शक्तिशाली है कि आप नमी वाले दिनों में भी “चट-चट” के मज़ेदार प्रयोग कर सकते हैं।
वैन डी ग्राफ का उपयोग करके, आप बाल खड़े करने और बिजली जमा करके उसे डिस्चार्ज करने जैसे प्रयोग कर सकते हैं। उदाहरण के लिए, जब आप वैन डी ग्राफ को छूते हैं, तो आपके शरीर में बिजली जमा हो जाती है, और आपकी उंगली की नोक से डिस्चार्ज होकर “चट” की आवाज़ आती है। इस सिद्धांत का उपयोग करके बहुत सारे मज़ेदार स्थिर विद्युत प्रयोग किए जा सकते हैं!
आश्चर्यजनक रूप से सरल? वैन डी ग्राफ के अंदर क्या है
वैन डी ग्राफ भले ही किसी ‘पागल वैज्ञानिक’ (Mad Scientist) के उपकरण जैसा दिखता हो, लेकिन इसके अंदर क्या है? असल में, यह गोला खुल सकता है। आइए, अंदर झाँक कर देखते हैं…
हैरान हुए? जी हाँ, इसके अंदर बस एक बेल्ट कन्वेयर जैसा कुछ लगा है। मेरे पास जो नारिका कंपनी का वैन डी ग्राफ है, उसकी वेबसाइट पर इसकी विशेषताएं कुछ इस तरह हैं:
रबर बेल्ट के रोलर्स द्वारा उत्पन्न स्थिर विद्युत को गुंबद (कलेक्टर स्फीयर) तक पहुँचाया जाता है, और इसे जमा करके उच्च वोल्टेज वाली स्थिर विद्युत उत्पन्न की जाती है।●उत्पन्न वोल्टेज: अधिकतम लगभग 150,000V●डिस्चार्ज दूरी (लगभग): अधिकतम 110mm (40% आर्द्रता पर), बरसात में 60mm या उससे अधिक (मापा गया मान)●कलेक्टर स्फीयर: $\phi$ लगभग 215mm●डिस्चार्ज स्फीयर: $\phi$ लगभग 115mm●बिजली की आपूर्ति: AC100V 50/60Hz●आकार: लगभग $270 \times 210 \times 620$mm (कलेक्टर स्फीयर), लगभग $150 \times 130 \times 490$mm (डिस्चार्ज स्फीयर)●वज़न: लगभग 5.6kg
वैन डी ग्राफ का दिल! बिजली को ‘ले जाने’ का अद्भुत तंत्र
वैन डी ग्राफ का सिद्धांत एक लाइन में यह है: “घर्षण से बिजली बनाओ, और उसे बेल्ट से ले जाकर गोले में जमा करो।” जब आप वैन डी ग्राफ का गोला खोलते हैं, तो अंदर एक रबर बेल्ट और ऊपर-नीचे दो रोलर्स दिखते हैं। दरअसल, इन दोनों रोलर्स के ‘पदार्थ’ (Material) में अंतर होना ही वैन डी ग्राफ का सबसे बड़ा रहस्य है। तो, आइए देखते हैं कि स्विच ऑन करने से लेकर बिजली जमा होने तक बेल्ट कन्वेयर कैसे काम करता है।
①【नीचे】रगड़कर, बिजली ‘बनाना’ (ऋणात्मक चार्ज का निर्माण)
सबसे पहले, जब बेल्ट कन्वेयर चलना शुरू होता है, तो रबर बेल्ट निचले रोलर A (एक्रिलिक रेज़िन से बना) के साथ ज़ोर से रगड़ खाती है। चीज़ों में एक क्रम होता है कि रगड़ने पर कौन ‘धनात्मक’ (Positive) बनेगा और कौन ‘ऋणात्मक’ (Negative)। इसे “ट्राइबोइलेक्ट्रिक सीरीज़” कहते हैं।रबर और एक्रिलिक रेज़िन के मामले में, एक्रिलिक रेज़िन धनात्मक हो जाता है और रबर ऋणात्मक। यानी, ऋणात्मक बिजली (इलेक्ट्रॉन) एक्रिलिक रेज़िन से रबर बेल्ट पर कूद जाती है। इससे रबर बेल्ट ऋणात्मक (－) आवेशित हो जाती है।
②【ऊपर जाना】ले जाना, बिजली ‘जमा करना’ (गोले में)
ऋणात्मक (－) बिजली से भरी रबर बेल्ट कन्वेयर की तरह तेज़ी से ऊपर चढ़ती है। फिर, यह ऊपर के गोले के अंदर लगी धातु की ‘कलेक्टर प्लेट’ तक पहुँचती है। यहाँ, बेल्ट जो ऋणात्मक बिजली (इलेक्ट्रॉन) लाई है, वह ‘चट-चट’ करके धातु की प्लेट में डिस्चार्ज हो जाती है। इलेक्ट्रॉन धातु के अंदर स्वतंत्र रूप से घूम सकते हैं, इसलिए वे तुरंत पूरे गोले में फैल जाते हैं और जमा हो जाते हैं।
③【ऊपर】रगड़कर, बिजली ‘रीसेट’ करना (धनात्मक चार्ज का निर्माण)
अब, बिजली दे चुकने के बाद “खाली” हुई रबर बेल्ट दिशा बदलकर नीचे उतरने लगती है। इस बार, यह ऊपरी रोलर B (पॉलीविनाइल क्लोराइड रेज़िन से बना) के साथ रगड़ खाती है। यहाँ फिर से ट्राइबोइलेक्ट्रिक सीरीज़ काम आती है! इस बार इसका साथी है पॉलीविनाइल क्लोराइड रेज़िन। यह पदार्थ रबर से भी “ज़्यादा ऋणात्मक बनने वाला” गुण रखता है। नतीजतन, पिछली बार के विपरीत, ऋणात्मक बिजली (इलेक्ट्रॉन) रबर बेल्ट से पॉलीविनाइल क्लोराइड रेज़िन की ओर खींची जाती है। इलेक्ट्रॉन खोने वाली रबर बेल्ट, अब सापेक्ष रूप से धनात्मक (＋) बिजली से आवेशित हो जाती है।
④【नीचे आना】विपरीत बिजली को भी, ले जाना (सपोर्ट बेस तक)
धनात्मक (＋) आवेशित रबर बेल्ट सीधे नीचे उतरती है। और, नीचे लगी दूसरी कलेक्टर प्लेट तक पहुँचती है, जहाँ यह धनात्मक बिजली को स्थानांतरित कर देती है। यह धनात्मक बिजली वैन डी ग्राफ के “सपोर्ट बेस (नीचे के आधार)” में जमा होती रहती है।
⑤【दोहराव】और इस तरह बनता है हाई वोल्टेज…
बेल्ट फिर से निचले रोलर A (एक्रिलिक रेज़िन) को छूती है, और फिर से ① “ऋणात्मक (－) आवेशित होने” के काम पर लौट आती है। “① ऋणात्मक ले जाना → ② गोले में जमा करना → ③ धनात्मक ले जाना → ④ सपोर्ट बेस में जमा करना” का यह चक्र मोटर द्वारा तेज़ी से दोहराया जाता है।इससे, ऊपर के गोले में ऋणात्मक (－) बिजली, और नीचे के सपोर्ट बेस में धनात्मक (＋) बिजली, लगातार जमा होती जाती है। ऋणात्मक और धनात्मक चार्ज का बड़ी मात्रा में अलग-अलग जगहों पर जमा होना, दोनों के बीच एक शक्तिशाली बल (वोल्टेज) पैदा करता है, जिसकी वजह से 150,000 वोल्ट का उच्च वोल्टेज बनता है।
स्थिर विद्युत केवल रगड़ने से नहीं, बल्कि “सही पदार्थ चुनने” और “ढोने के तंत्र” को मिलाकर, इतनी ज़बरदस्त ऊर्जा पैदा कर सकती है। यह सच में विज्ञान की बुद्धिमत्ता है!
एक आम गलतफहमी है कि बिजली सॉकेट से इलेक्ट्रॉन बह रहे हैं। लेकिन असल में, यह तंत्र बहुत सरल है। सॉकेट की शक्ति का उपयोग केवल मोटर चलाने के लिए किया जाता है, जबकि बिजली खुद “घर्षण” से उत्पन्न होती है।
इसकी ज़्यादा विस्तृत कार्यप्रणाली यहाँ भी दी गई है, आप देख सकते हैं।
प्रयोग! गोले में + है या －?
सिर्फ़ थ्योरी नहीं, हमें इसे करके देखना चाहिए! तो, मैंने यह पता लगाने की कोशिश की कि इस स्थिर विद्युत जनरेटर का ऊपर का गोला धनात्मक है या ऋणात्मक।https://youtu.be/1u3j8XRYnRgहम एक “गुब्बारे” का उपयोग करेंगे। 
टिशू पेपर आदि से गुब्बारे को रगड़ने पर, गुब्बारा ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाता है।
पदार्थों में बिजली के “+” और “－” चार्ज होते हैं, लेकिन अलग-अलग पदार्थों को रगड़ने पर, ऋणात्मक बिजली (इलेक्ट्रॉन) के आसानी से स्थानांतरित होने का गुण होता है। गुब्बारे और टिशू के बीच, इलेक्ट्रॉन टिशू से गुब्बारे में चले जाते हैं, इसलिए गुब्बारा ऋणात्मक रूप से आवेशित हो जाता है।अब, इस ऋणात्मक गुब्बारे को स्विच ऑन किए हुए वैन डी ग्राफ के पास लाते हैं। मैं नारिका कंपनी का वैन डी ग्राफ इस्तेमाल कर रहा हूँ। स्विच ऑन करके, गुब्बारे को पास लाने पर…
हाथ छोड़ने पर वह दूर हट गया।
गुब्बारा ज़ोरदार तरीके से दूर हट गया! विज्ञान के मूल नियम को याद करें: “समान प्रकार की बिजली (－ और －, या ＋ और ＋) एक दूसरे को धकेलती है, और विपरीत प्रकार की बिजली (＋ और －) एक दूसरे को खींचती है”। चूँकि ऋणात्मक गुब्बारा दूर हट गया, इससे पता चलता है कि इस वैन डी ग्राफ के गोले में भी ऋणात्मक बिजली जमा हो रही है!
【एडवांस्ड प्रयोग】बिजली का ‘भागना’? स्थिरवैद्युत प्रेरण का रहस्य
यहाँ एक मज़ेदार चीज़ यह है: वैन डी ग्राफ का स्विच बंद करके, एक बार गोले को हाथ से छूकर बिजली निकाल (डिस्चार्ज कर) देते हैं। अब गोला तटस्थ अवस्था (Neutral State) में होना चाहिए, यानी उसमें कोई बिजली नहीं होनी चाहिए। अब, इस “खाली” गोले के पास पहले वाला ऋणात्मक गुब्बारा लाएँ तो क्या होगा?
अरे वाह! इस बार गुब्बारा तुरंत चिपक गया! यह अजीब है। गोला तो खाली था, फिर वह ऋणात्मक गुब्बारे को क्यों खींच रहा है (यानी, धनात्मक गुण क्यों दिखा रहा है)? यही है “स्थिरवैद्युत प्रेरण” (Electrostatic Induction), जो स्थिर वैद्युतिकी की सबसे दिलचस्प घटनाओं में से एक है।यह गोला “धातु” का बना है। धातु के अंदर, घूमने के लिए आज़ाद ऋणात्मक बिजली (फ्री इलेक्ट्रॉन) बहुत सारे होते हैं। जब इसके पास ऋणात्मक गुब्बारा आता है… “अरे! ऋणात्मक चार्ज आ गया!” यह सोचकर, धातु के अंदर के फ्री इलेक्ट्रॉन गुब्बारे से सबसे दूर की तरफ (इस फ़ोटो में, जहाँ मेरा हाथ छू रहा है) भाग जाते हैं।
गोले के दूसरी तरफ ऋणात्मक चार्ज का स्थानांतरण (हो सकता है कि इलेक्ट्रॉन मेरे शरीर के माध्यम से भाग रहे हों)
नतीजतन, गुब्बारे के पास वाली साइड से इलेक्ट्रॉन चले गए, इसलिए वह “धनात्मक” अवस्था में आ जाती है। इसीलिए, वह ऋणात्मक गुब्बारे को खींचती है। यह बिल्कुल उसी सिद्धांत पर काम करता है, जब स्केल से रगड़े गए बाल, उस दीवार पर चिपक जाते हैं जिसमें कोई बिजली नहीं होती है।
स्थिर वैद्युतिकी ‘क्यों?’ का खजाना है
यह एक छोटी सी बात है, लेकिन स्विच ON और OFF होने पर गुब्बारे की हरकत “दूर धकेलने” से “खींचने” में बदल जाती है। इसी तरह, आस-पास की घटनाओं के “क्यों” को समझना ही स्थिर वैद्युतिकी के प्रयोगों की गहराई है, और यह विज्ञान का असली मज़ा है।अगली बार जब सर्दियों में आपको “चट!” का झटका लगे, तो समझ लेना कि इलेक्ट्रॉन (ऋणात्मक बिजली) या तो आपसे किसी चीज़ में कूद गया है, या किसी चीज़ से आपमें आ गया है। यह सोचना कि “वाह! अभी इलेक्ट्रॉन का स्थानांतरण हुआ है,” थोड़ा मज़ेदार हो सकता है।
स्थिर विद्युत जनरेटर (वैन डी ग्राफ) का उपयोग करके ये मज़ेदार प्रयोग किए जा सकते हैं!!
वैन डी ग्राफ का उपयोग करके किए गए कुछ मज़ेदार प्रयोगों को भी मैंने सार्वजनिक किया है। इनमें से कुछ प्रयोगों को टीवी कार्यक्रम में अभिनेत्री हिरोसे सुज़ु, सुज़ुकी र्योहेई, यासुको, और चॉकलेट प्लैनेट्स के ओसादा और मात्सुओ जैसे कलाकारों के साथ भी किया गया था। अधिक जानकारी के लिए यहाँ देखें।
※ ध्यान दें, स्थिर विद्युत जनरेटर (वैन डी ग्राफ) का उपयोग करके किए जाने वाले प्रयोग हमेशा किसी विशेषज्ञ की देखरेख में ही करें। कृपया सावधानी से प्रयास करें। स्थिर विद्युत प्रयोगों से संबंधित किसी भी अनुरोध (जैसे प्रयोग क्लास, टीवी पर्यवेक्षण/उपस्थिति आदि) के लिए यहाँ संपर्क करें।
【विशेष】आप इन स्थिर विद्युत प्रयोगों को रोक नहीं पाएंगे!
संपर्क और अनुरोध
विज्ञान के रहस्यों और रोचकता को और करीब लाएँ! घर पर किए जा सकने वाले मज़ेदार वैज्ञानिक प्रयोग और उनके तरीके आसानी से यहाँ दिए गए हैं। अलग-अलग चीज़ें सर्च करके देखें!・साइंस नोटपैड की सामग्री एक किताब बन गई है। अधिक जानकारी यहाँ・संचालक कवाको केन के बारे में यहाँ・विभिन्न अनुरोधों (लेखन, भाषण, प्रयोग क्लास, टीवी पर्यवेक्षण/उपस्थिति आदि) के लिए यहाँ・लेख अपडेट की जानकारी X पर उपलब्ध है!
साइंस नोट चैनल पर प्रयोग वीडियो जारी हैं!
