विक्रमाच्या परंपरांना जपणाऱ्या प्रजेला नवनवीन संशोधनाची आणि त्यातून मिळणाऱ्या नवनवीन व्यवहारोपयोगी तंत्रज्ञानाची तितकीच उत्सुकता असे. नवनवीन तंत्रज्ञान हे केवळ प्रयोगशाळेत बंदिस्त न राहता ते माणसांच्या नित्याच्या व्यवहारात उपयोगाला आले तर त्यातून माणसांचीच कामे सोपी, सहजसाध्य होतात याबाबतीत विक्रमाला काहीच संदेह नव्हता. खासकरून अशी कामे जी रोजची रोजच करायची आहेत आणि ती करता करता माणसे एक तर शारीरिक दृष्ट्या थकून तर जातात किंवा रोजच ती करून कंटाळून तरी जातात. प्रजेची हि आवड लक्षात घेऊन विक्रमाने इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम संबंधित उपकरणांचे आणि वस्तूंचे प्रदर्शनच भरवले होते म्हणजे वस्तूंच्या विक्रीसाठीचे प्रदर्शन असे नसून इलेकरॉमॅग्नेटिझमच्या साहाय्याने आपली कोणकोणती कामे सोपी झाली आहेत आणि त्यात कोणते फिजिक्सचे तत्व आणि तंत्रज्ञान वापरले आहे हे दाखवणारे प्रदर्शन. मग यात विजेच्या साहाय्याने शेताला, बिल्डिंग्जना पाणी चढवायला मदत करणाऱ्या मोटर्स (AC motors) होत्या, बिल्डींग्स च्या पार्किंग मधून गच्चीत नेणाऱ्या लिफ्ट्स होत्या, रेडिओ होते, टीव्ही होते, मिक्सर – ग्राइंडर-फूड प्रोसेसर होते, मायक्रोवेव्ह ने वस्तू गरम करणाऱ्या शेगड्या (ovens) होत्या, सौर दिवे होते, मोबाईल टॉवर होते सारे होते.. सारे प्रजाजन हौशीने त्यांची कामे समजून घेतानाच ते कोणत्या तत्वावर चालतात, त्यातले फिजिक्स काय आहे हे उत्सुकतेने जाणून घेत होते..इन्फ्रारेड गॉगल होते, रिमोट कंट्रोल होते, मोबाईल फोन्स होते.. पाणी शुद्ध करणारे UV फिल्टर्स होते.. क्ष किरणे(X ray) वापरणारी मशिन्स होती.. काय काय नव्हते तिथे.. माणसाच्या रोजच्या जीवनात इलेक्ट्रोमॅगेटिझ्म किती खोलवर पोहोचला आहे याची आठवण करून देणारी ती जणू एक प्रयोगशाळा होती.. त्या सर्व उपकरणांचा तो देखावा विक्रमाच्या डोळ्यांसमोरून काही केल्या जात नव्हता.. अमावास्येच्या अंधाऱ्या रात्रीही त्या वस्तूंचे विचार विक्रमाच्या विचारांना नवीन प्रकाशवाट दाखवत होते . ”
इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम वापरणाऱ्या वस्तूंचे वर्गीकरण: कार्य परिणाम(Scalar or Dot Product) वापरणाऱ्या आणि बल परिणाम(Vector or Cross Product) वापरणाऱ्या
“वा विक्रमा वा, तू प्रगतिशील राजा तर खराच.. तुमच्या राज्यात या नवनवीन उपकरणांची, साधनांची रेलचेल तर आहेच, ती साधने तुमचं आयुष्य सोपं तर करत आहेतच काही प्रमाणात तुम्हाला आळशीसुद्धा करत आहेत. पण मला सांग हे जे इलेकट्रोमॅग्नेटिझम तुम्ही दररोजच्या आयुष्यात इतक्या जास्त प्रमाणात वापरता त्याच्या वापराचे, त्याच्या वस्तूंचे काही ठळक वर्गीकरण करता येते का? त्या वर्गीकरणाला काही फिजिक्स चा आधार आहे का?” वेताळाने येता क्षणीच विक्रमाची विचारांची लहर अचूक पकडली आणि मुद्द्याचा, नेमका प्रश्न विचारला.
(Source: dreamstime(dot)org)
“खूपच चांगला प्रश्न वेताळा, खरंतर इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चे तत्व आणि त्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चा दैनंदिन व्यवहारातला उपयोग, दोन्हीही समजून घेण्याच्या दृष्टीने हा प्रश्न अतिशय महत्वाचा आहे. असं पहा, आपण मागील वेळी दोन बलांच्या कार्य परिणामा विषयी आणि शक्ती परिणामा विषयी बोललो होतो. जेव्हा दोन एकमेकांच्या काटकोनात काम करणारी बले काही विशिष्ठ काम करून घेण्यासाठी वापरली जातात. म्हणजे स्पॅनर वापरून एक बोल्ट फिरवत फिरवत आत घुसवत नेला किंवा सैल करत बाहेर आणला तर स्पॅनर ला वरून खाली(top -down) लावलेले बल बोल्ट ला वर्तुळाकार(circular) फिरवते म्हणजे या ठिकाणी दोन काटकोनात काम करणारी बले लावली जातात, त्यांची दिशा एकमेकांच्या काटकोनात काम करणारी असते. इथे जर बोल्ट नुसताच फिरत राहिला तर बोल्ट फिरण्याचे कार्य(work done of circular displacement) होते. बोल्ट फिरतोय म्हणजे बोल्ट ला वर्तुळाकार गतिज ऊर्जाही(kinetic energy) मिळते असे म्हणू शकतो. म्हणजे दोन काटकोनात काम करणाऱ्या बलांचा कार्य परिणाम(scalar or dot product) किंवा ऊर्जा परिणाम होतोय. पण जर याबरोबरच जर बोल्ट एखाद्या स्लॉट मध्ये घुसत गेला तर बोल्ट वर काही बल(force) लावले गेले आणि तो या दोन बलांच्या पेक्षाही वेगळ्या अश्या तिसऱ्याच दिशेत स्लॉट मध्ये घुसला असे म्हणू शकतो. यालाच बल परिणाम(vector or cross product) असेही म्हणू शकतो.”
“अरे होरे विक्रमा, कळलं रे मागच्या वेळीच कळलं. किती वेळा तो स्पॅनर फिरवणार आहेस? आज आपण इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम बद्दल बोलतोय हे विसरलास का? का इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चा पण ऊर्जा परिणाम आणि बल परिणाम असतो काही?”
इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चा कार्य परिणाम(Electromagnetism’s Scalar Products or resultant work done) आणि फ्लेमिंग ची गुंडाळलेली बोटे(Fleming’s rule of thumb and curled fingers)
“एक्झॅक्टली वेताळा, मला तेच सांगायचं होतं. जेव्हा आपण electromagnetism असा शब्द वापरतो तेव्हा त्यात वीज(electricity) आणि चुंबकत्व(magnetism) हि दोन बले येतात. यातील वीज ही आपल्या हाताच्या तर्जनीच्या(index finger) दिशेत जात असेल तर चुंबकत्व हे कायम त्याच्या काटकोनात धरलेल्या मधल्या बोटाच्या(middle finger) दिशेत काम करते. आपल्या डोळ्यासमोर चित्र आणायचे असेल तर वीज ही जर सरळ दिशेत जात असेल तर चुंबकत्व हे त्या वायरला लपेटलेल्या सिलींडर च्या सारखे वायर भोवती प्रदक्षिणा घालत राहते. किंवा देवळातल्या गाभाऱ्यात देवाच्या मूर्तीकडून शिखराकडे अशी वीज जात जात असेल तर चुंबकत्व हे त्या गाभाऱ्याला प्रदक्षिणा करणाऱ्या भक्तासारखे वर्तुळाकार फिरत राहते. अशा पद्धतीने लक्षात घेतले तर वीज वाहवून चुंबकत्व निर्माण झाले आणि त्याच्या फिरण्याच्या दिशेत काही काम करून घेतले तर तो कार्य परिणाम म्हणवला जातो. म्हणजे वीज सरळ वाहवली आणि त्यातून पंखा फिरवला तर पंख्याला कोणी वर्तुळाकार फिरवले तर मॅग्नेटिझम ने. एखाद्या वाशिंग मशीन मध्ये वीज वाहावली आणि टाकलेले कपडे पाण्यात गोलगोल फिरवले गेले, कोणी फिरवले तर मॅगेटिझ्म ने. मिक्सर मध्ये वीज सोडली आणि भांड्याच्या आत शेंगदाण्यांना गोल गोल फिरवून, भरडून चटणी तयार झाली, शेंगदाण्यांना कोणी फिरवले मॅग्नेटिझम ने. जिथे जिथे वीज वाहवून अशी वर्तुळाकार गती निर्माण केली जात आहे त्या सर्व ठिकाणी इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझमचा कार्य परिणाम(resultant work or scalar product or dot product). वापरला जात आहे हे निश्चित समज.
(source: pasco(dot)com)
फ्लेमिंगने इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम मधील बलांच्या म्हणजे विजेच्या आणि मॅग्नेटिझम या बलांच्या दिशांना ओळखायचा एक नियम सांगितला होता. उजव्या हाताचा अंगठा ताणून धरला आणि बोटे लपेटली तर अंगठा हा जर विजेची दिशा दाखवत असेल तर बोटे हि बरोबर मॅगेटिझ्म ची दिशा दाखवतात. अगदी बोटे जशी लपेटली आहेत त्या दिशेतच चुंबकत्व गरागरा फिरते. ज्या दिशेत मॅग्नेटिझम फिरते त्याच दिशेत कार्यही होते. म्हणजे मिक्सर, वाशिंग मशीन, पंखा, मायक्रोवेव्ह ओव्हन या सर्व अप्लायन्सेस मध्ये जिथे गोल फिरवून काम असते तिथे कार्य परिणाम(scalar or dot product) असतो.”
किकस्टार्ट, स्पार्कप्लग आणि गाडी सुरु करणे – इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम च्या दृष्टिकोनातून
“हि फारच कामाची माहिती दिलीस विक्रमा, पण पुढे जाण्या आधी मला एक वेगळाच प्रश्न विचारायचा आहे. असं बघ जेव्हा आपण एखादी दुचाकी किंवा टुव्हीलर सुरु करण्याचा प्रयत्न करतोय. किक करतोय पण त्यात बॅटरी डाऊन असली किंवा गाडी बरेच दिवस सुरु केलेली नसली तर दुचाकी सुरूच होत नाही. चारचाकी गाडयांना तर पावसाळ्यात हा जॅम होण्याचा प्रॉब्लेम होतोच होतो. मग या गाडी सुरु करण्याच्या प्रक्रियेत सुद्धा काही तुमचं ते इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम असतं का असा माझा प्रश्न होता खरंतर? पूर्वीच्या गाड्यांमध्ये बघ स्पार्क प्लग(spark plug) असत. त्या प्लग च्या गॅप मध्ये घासलं, स्वच्छ केलं कि गाडी सुरु होई बऱ्याच वेळा म्हणून हा प्रश्न आला.. या स्पार्क चा, मारलेल्या किक चा आणि बॅटरीचा काहीतरी संबंध असतो कदाचित.. खरं काय मॅटर आहे? ”
(source: www(dot)roadthrillcommunity(dot)com)
“वेताळा, काय रे हा तुझा ऍनॅलिसिस.. कमाल आहे बाबा तुझ्या विचारांची.. पण खरं आहे तुझं म्हणणं. आपल्या नेहमीच्या वापराच्या दुचाकी आणि चारचाकींच्या सुरु होण्याच्या कामात इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चा वापर होतोच होतो. आपण जरा जुन्या काळात वापरल्या जाणाऱ्या गाड्यांच्या बाबतीत विचार करू. ऑटोमोबाइल्सच्या रचनेच्या फार तपशीलात न जाता सर्व साधारणपणे अश्या गाड्यांच्या सुरु करण्याच्या कामासाठी काही सिस्टिम्स किंवा यंत्रणा या दुचाकींमध्ये बसवलेल्या असतात असे आपण लक्षात घेऊया. यांना गाडी सुरु करणाऱ्या किंवा इंजिन सुरु करणाऱ्या यंत्रणा असे म्हणू. तर अशा यंत्रणेमध्ये एक बॅटरी असते, आपली किक स्टार्टची गाडी असेल तर किक असते, किक ला जोडलेले एक कायम स्वरूप चुंबक ठेवलेले चक्र असते आणि विजेमुळे चुंबकत्व येणाऱ्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक कॉइल्स चे सुद्धा एक सर्किट याला जोडलेले असते. याच कॉइल्स च्या सर्किट मध्ये स्पार्क प्लग जोडलेला असतो. तो स्पार्क प्लग गाडीच्या इंजिनमध्ये असा जोडलेला असतो की स्पार्क उडाला तर तो इंजिनच्या आत उडेल आणि तिथले पेट्रोल/डिझेल जोरात जळेल आणि ती वाफ मोठा जोर देऊन इंजिन मधल्या पिस्टन ला धक्का देऊन ढकलेल आणि गाडी सुरु होईल.जशी गाडी सुरु होईल तशी बॅटरी चार्ज होत राहील आणि मग ती बॅटरी गाडीचे पुढचे लाईट्स, मागचे लाईट्स, हॉर्न, इंडिकेटर या सर्वांना वीज पुरवत राहील असा साधारण प्रकार असतो.”
“अरे पण विक्रमा, जेव्हा बॅटरी उतरलेली असते तेव्हाच तर बटनस्टार्ट होत नाही ना गाडी? मग किक नक्की गाडी कशी सुरु करते ते तरी सांग! ”
“हो सांगतो वेताळा. मी आधी सांगितले तसे किकशी एक कायम चुंबकाची डिस्क किंवा चक्र जोडलेले असते. जशी आपण किक मारू तसे हे कायम चुंबकाचे चक्र फिरते, त्याच्या चुंबकत्वामध्ये बदल होतो(change in magnetism) आणि त्यामुळे तिथे जवळच असणाऱ्या विद्युत चुंबकाच्या किंवा इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक स्वरूपाच्या कॉइल्स मध्येही चुंबकत्वाचा संचार होतो. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिक परिणामाच्या नियमानुसार कॉइल्स मध्ये या चुंबकत्वामुळे एका क्षणिक काळासाठी वीजसुद्धा निर्माण होते. हि वीज कॉइल्स शी जोडलेल्या सर्किटमध्ये प्रवाहित होते आणि याच सर्किट मध्ये स्पार्क प्लग देखील असतो. जशी वीज त्या सर्किट मध्ये वाहते तशी ती वीज स्पार्क प्लग च्या अतिशय लहान अशा स्पार्क गॅपच्या एका बाजूकडून दुसऱ्या बाजूकडे उडी मारते आणि यालाच आपण स्पार्क उडला असे म्हणतो. जसा स्पार्क पडतो तसे तिथले इंधन पेटते आणि पिस्टन च्या डोक्याला जोरात हलवते आणि पिस्टन ढकलला जाऊन गाडी सुरु होते. जर बॅटरी मध्ये बिघाड असला तर बॅटरी चार्ज होणार नाही आणि बटन स्टार्ट होणार नाही पण अशा किक मुळे गाडी सुरु मात्र होतेच होते. कारण या किक स्टार्टच्या कामात इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम आपल्या मदतीला कायम धावून येतो, स्पार्क पाडतो आणि गाडी सुरु करून देतो. म्हणजे बघ ज्या मेकॅनिकल हालचालींसाठी आपण गाडी वापरतो त्या यंत्रांना सुरु करण्यासाठी आपल्याला अश्या इलेक्ट्रिक सर्किट ची गरज पडते. विजेची गरज पडते. ”
“मग विक्रमा, या गाडी सुरु करण्याच्या कामात आपण इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चा कार्य परिणाम(scalar or dot product) वापरला की बल परिणाम(vector or cross product)? ”
“वेताळा, किक ने मॅग्नेटिझम मध्ये फरक आला(change in magnetism), त्यामुळे जवळच्या कॉईल मध्ये वीज आली(electricity).. ती वीज इंजिनच्या आत पिस्टनच्या वर जिथे पोकळी असते तिथे गेली आणि तिथे असलेल्या थोड्याश्या पेट्रोल किंवा डिझेलला तिने आग लावली. त्यामुळे तिथे उष्णता ऊर्जा(heat energy) मिळाली. त्यामुळे हा ऊर्जा किंवा आदिश(scalar or dot product ) परिणाम झाला. पण या ऊर्जेने पिस्टनला जोरात खाली ढकलले, म्हणजेच पिस्टनच्या डोक्यावर वरून खालच्या दिशेने बल(downward force) लावले. त्यामुळे तिथे पिस्टनच्या हालचाली च्या दिशेत बल परिणाम(vector or cross product) सुद्धा साध्य करण्यात आला. ”
“विक्रमा हे इंजिन सुरु होण्याचे समजून घेण्यासाठी इंजिन ची रचना समजून घ्यावी लागेल, पेट्रोल किंवा डिझेल जळून शक्ती कसे देते वगैरे गोष्टी समजून घ्याव्या लागतील, पिस्टन कसा असतो, कसा हलतो आणि इंजिनाच्या क्रांक शाफ्टशी कसा जोडलेला असतो, शाफ्टला कशी गती देतो हि सर्व माहिती घ्यावी लागेल. त्याला वेळ लागेल. इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चा बल परिणाम समजावण्यासाठी अजून एखादे, नेहमीच्या वापरातील उदाहरण दे बर जरा. तू ते इलेक्ट्रिक मोटर ने गच्चीतल्या टाकीत पाणी चढवण्या विषयी म्हटला होतास ते सांग पाहू ! ”
(source: 123rf(dot)com)
फ्लेमिंग चा उजव्या हाताचा नियम(Fleming’s Right Hand Rule)
“वेताळा एक साधे सोपे उदाहरण घेऊ. किंवा आधी तुला इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम मुळे तयार होणारे बल कुठल्या दिशेत काम करते त्या संबंधीचा नियम सांगतो. समजा आपल्या उजव्या हाताचा अंगठा, तर्जनी आणि मधले बोट असे आपण ताणून धरले आणि हि तिन्ही बोटे एकमेकांना लंबरूप अशी ताठ धरली. जर तर्जनी च्या बेस पासून नखाकडे अशी चुंबकत्वाची दिशा पकडली तर मधले बोट विजेची दिशा दाखवते. म्हणजे मधल्या बोटा भोवती लपेटलेल्या सिलिंडर सारखे चुंबकत्व हे त्या अदृश्य सिलिंड्रिकल मार्गावर प्रदक्षिणा करत राहते. अशा वेळी अंगठा हा तयार होणाऱ्या परिणामी बलाची दिशा दाखवतो. म्हणजे बल परिणाम हा अंगठ्याच्या बेस पासून नखाकडे कार्यरत असतो. हा झाला फ्लेमिंग चा उजव्या हाताचा नियम.
(source: www(dot)dreamstime(dot)com)
मोटरने गच्चीतल्या टाकीत पाणी चढवणे – इलेकट्रोमॅग्नेटिझम चा बल परिणाम
आता हाच उजवा हात, अशीच ताठ ठेवलेली तिन्ही बोटे घेऊन पाणी चढवणारी मोटर किंवा पंप असतो तिथे जा. त्या मोटर खाली पाणी साठवणारी मोठी टाकी असेल, साधारण पणे जमिनीमध्ये, सिमेंटने बांधलेली खोलखोल, लंबीचौडी, मोठ्ठी टाकी. यात मोटरकडून एक पाईप सोडलेला असेल आणि त्याच्या पाण्यात बुडालेल्या टोकावर वजन लावलेले असेल. शिवाय बुडालेल्या तोंडाजवळ एक फूट व्हॉल्व सुद्धा असेल. असो. टाकीतून मोटर कडे जाणाऱ्या पाईपाशी एक दुसरा मोटरकडून गच्चीकडे जाणारा पाईप सुद्धा जोडलेला असेल. अशा रीतीने खालच्या टाकीतून गच्चीकडे पाणी कसे जाते याचा रस्ता आपल्याला कळेल, अर्थातच पाणी हे गुरुत्वाकर्षणाच्या म्हणजे gravity च्या विरुद्ध दिशेत जमिनीपासून वर ढकलले जाऊन गच्चीत सोडले जाणार हे निश्चित झाले. आता मोटरचा सिलींडर सारखा, वर्तुळाकार भाग कसा आहे ते पहा. या सिलींडर मार्गावर मोटरमधील चुंबकत्व(magnetism) प्रदक्षिणा करणार. मोटरमध्ये या सिलिंडरला आरपार जाणारा शाफ्ट असतो, मोटरच्या अक्षा (axis)सारखा, त्याच दिशेत वीज(electricity) वाहणार. तर उजव्या हाताचे मधले बोट मोटरशी समांतर धरले . म्हणजे वीज या मोटरच्या आडव्या अक्षामधून जातेय असे धरले तर वीज मधल्या बोटाच्या दिशेत जातेय. तर्जनी मोटरच्या सिलेंडर आकारात फिरणारे अदृष्य चुंबकत्व दाखवते. अशावेळी अंगठा हा पाण्याला खालच्या टाकीतून गच्चीत ढकलणाऱ्या बलाची दिशा दाखवतो. हे बल म्हणजेच इथल्या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम चा बल परिणाम होय. आता हे विसरू नकोस की आपल्या घरातील फिरत्या विजेवर किंवा बदलत्या विजेवर(alternating current) ही मोटर चालते. ही AC वीज सतत बदलत असल्याने, इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझम च्या नियमानुसार ती सतत चुंबकत्व तयार करते. हे फिरते चुंबकत्व मोटरला शक्ती देते. असो”
“वा विक्रमा, वा. जरा कामाची, नेहमीच्या व्यवहारातील अनुभवाशी संबंधित माहिती दिलीस. काहीतरी समजल्या सारखे सुद्धा वाटले. मोटर जवळ जाऊन पुन्हा तू जे सांगितलेस ते आठवून सुद्धा पाहता येईल. शिवाय तू मला आधी सांगितल्याप्रमाणे या AC विजेवर चालणाऱ्या मोटर्स पहिल्याप्रथम निकोला टेस्ला ने सर्वसाधारण १८८७ साली डिझाईन केल्या होत्या, त्यांचे पेटंट सुद्धा घेतले होते हेसुद्धा मला आठवतंय. तेच साधारण डिझाईन आजही चालू आहे. पण विक्रमा तू स्पार्कप्लग चा विषय काढलास आणि स्पार्क कसा उडवला जातो हे सांगितलेस. म्हणजे हा स्पार्क किंवा स्पार्किंग हीच या इलेक्ट्रोमॅग्नेटिझमची गंगोत्री आहे. याच स्पार्किंग मधून तर दृष्य आणि अदृश्य प्रकाश बाहेर पडतो होना? पण हे स्पार्किंग कसे तयार करतात हे मात्र तू सांगितलं नाहीस. स्पार्किंग तयार करण्याच्या कामी एखाद्या इलेक्ट्रिक सर्किट मध्ये कोणकोणते घटक किंवा components लागतात हे पण सांगितले नाहीस. तर पुढच्या वेळी येताना या स्पार्क तयार करणाऱ्या इलेकट्रीक सर्किट्स ची माहिती दे जरा. चल आता मला निघायला हवं कारण पूर्ण विश्वात आपल्या जळण्याने असे लाखो करोडो अब्जावधी स्पार्क सतत उडवून विश्वाला प्रकाश दाखवणाऱ्या अनंत सूर्यांपैकी आपल्या सूर्याची पृथ्वी जवळ येण्याची वेळ आता जवळ येत चालली. तेव्हा मला आता निघायला हवं तेवढं ते स्पार्किंग चं लक्षात ठेव अभ्यास करण्याचं काय कसं… हा हा हा ”
(क्रमश: )