BPSC 69वीं CCE प्रारंभिक सामान्य अध्ययन · प्रश्न 26 / 144

सही उत्तर — (b) डायनामो द्वारा। नामित तीनों उपकरणों में से केवल एक ही विद्युत ऊर्जा का स्रोत है; शेष दो उस विद्युत पर काम करते हैं जो पहले से बह रही हो। डायनामो एक जनित्र है, और जनित्र यांत्रिक ऊर्जा — हाथ से घुमाया गया हैंडल, साइकिल का पहिया, गिरता हुआ जल-स्तंभ, भाप-टरबाइन — को माइकल फैराडे के विद्युत्-चुंबकीय प्रेरण के नियम से विद्युत ऊर्जा में बदल देता है, जिसे उन्होंने 29 अगस्त 1831 को प्रदर्शित किया था। N फेरों और A क्षेत्रफल वाली कुंडली को एकसमान चुंबकीय क्षेत्र B में कोणीय चाल ω से घुमाइए, तो उससे बद्ध फ्लक्स Φ = NBA cos ωt होता है। प्रेरित विद्युत वाहक बल उस फ्लक्स के बदलने की दर है, e = −dΦ/dt = NBAω sin ωt, और यह एक ज्या-वक्र (साइन वेव) है। यह तब अधिकतम होता है जब कुंडली का तल क्षेत्र के अनुदिश पड़ता है, प्रत्येक घूर्णन में दो बार शून्य हो जाता है जब वह तल क्षेत्र के लंबवत होता है, और — यही इस प्रश्न का पूरा मर्म है — हर आधे घुमाव पर अपना चिह्न उलट देता है, क्योंकि कुंडली की जो भुजा क्षेत्र को ऊपर की ओर काट रही थी वह अब उसे नीचे की ओर काट रही है। इसलिए प्रत्यावर्ती धारा घूमते हुए जनित्र पर बाहर से जोड़ी गई कोई चीज़ नहीं है; वह स्वयं ज्यामिति की उपज है। मशीन बाहरी परिपथ को AC सौंपेगी या DC, यह केवल शाफ्ट पर लगे संपर्कों की जोड़ी तय करती है: दो अविच्छिन्न सर्पी वलय (स्लिप रिंग) ज्या-तरंग को ज्यों का त्यों AC के रूप में बाहर भेज देते हैं, जबकि विभक्त-वलय दिक्परिवर्तक (स्प्लिट-रिंग कम्यूटेटर) ठीक उसी क्षण बाहरी संबंध उलट देता है जिस क्षण विद्युत वाहक बल उलटता है, और ऋणात्मक अर्ध-चक्रों को ऊपर की ओर मोड़कर DC बना देता है। भारतीय ग्रिड को बिजली देने वाला हर तापीय, जल, नाभिकीय और पवन संयंत्र ठीक इसी प्रकार की मशीन है, और इसीलिए भारत में घरेलू आपूर्ति 50 हर्ट्ज़ पर प्रत्यावर्ती होती है — धारा हर 1/100 सेकंड में अपनी दिशा बदलती है — नाममात्र 230 वोल्ट पर। इसमें से कुछ भी न चोक कुंडली कर सकती है, न ट्रांसफॉर्मर: आपूर्ति हटा दीजिए और उनका निर्गत शून्य है, जबकि डायनामो को घूमते हुए शाफ्ट के सिवा और कुछ नहीं चाहिए।

• (a)चोक कुंडली द्वारा — चोक एक प्रेरक है — विसंवाहित ताँबे के तार के अनेक फेरे, प्रायः पर्तदार नरम लोहे के क्रोड पर लिपटे हुए — जिसे AC परिपथ में श्रेणीक्रम में इसीलिए लगाया जाता है कि धारा नियंत्रण में रहे। इसका विरोध प्रेरणिक प्रतिघात X_L = 2πfL है, जो आवृत्ति बढ़ने के साथ बढ़ता है, और चूँकि लगभग शुद्ध प्रेरक में धारा वोल्टता से लगभग 90° पीछे रहती है, इसलिए उसके द्वारा अवशोषित औसत शक्ति VI cos φ लगभग शून्य होती है। ठीक यही कारण है कि फ्लुओरेसेंट ट्यूब में गिट्टी के रूप में प्रतिरोधक नहीं, चोक लगती है: वह धारा को ऊष्मा में नष्ट किए बिना सीमित करती है — इसी बिंदु पर UPSC ने 2000 में पूरा प्रश्न पूछ लिया था। पर धारा को सीमित करना धारा उत्पन्न करना नहीं है। चोक को स्थिर DC आपूर्ति पर लगाइए, जहाँ f = 0 है, तो उसका प्रतिघात लुप्त हो जाता है; वह कम प्रतिरोध वाले तार के साधारण टुकड़े जैसा व्यवहार करने लगती है।
• (c)ट्रांसफॉर्मर द्वारा — सचमुच लुभावना विकल्प, क्योंकि ट्रांसफॉर्मर की द्वितीयक कुंडली में वास्तव में प्रत्यावर्ती धारा बहती है, इसलिए वह उत्पादक जैसा दिख सकता है। पर वह परिवर्तक है। एक ही पर्तदार क्रोड पर दो कुंडलियाँ बैठी होती हैं और उनके बीच युग्मन केवल अन्योन्य प्रेरण से होता है: प्रत्यावर्ती प्राथमिक धारा प्रत्यावर्ती फ्लक्स खड़ा करती है, और उसी फ्लक्स का बदलना द्वितीयक विद्युत वाहक बल प्रेरित करता है, आदर्श अनुपात Vs/Vp = Ns/Np में। इस शृंखला की हर कड़ी परिवर्तन माँगती है। ट्रांसफॉर्मर को स्थिर दिष्ट धारा दीजिए तो फ्लक्स अचर रहता है, इसलिए द्वितीयक पर कोई विद्युत वाहक बल उत्पन्न ही नहीं होता और प्राथमिक — जिसका प्रतिरोध बहुत कम होता है — बस अत्यधिक गरम हो जाती है; UPSC ने 1996 में ठीक इसी पर कथन-कारण प्रश्न बनाया था। ट्रांसफॉर्मर अपनी ओर से कोई ऊर्जा भी नहीं जोड़ता, क्योंकि आदर्श स्थिति में निर्गत शक्ति निवेशित शक्ति के बराबर होती है। वह प्रत्यावर्ती धारा की वोल्टता बदलता है; उसे जन्म नहीं देता।
• (d)उपर्युक्त में से कोई नहीं — यह तभी सही होता जब तीनों में से कोई भी उपकरण प्रत्यावर्ती धारा उत्पन्न न कर पाता, और उनमें से एक स्पष्ट रूप से कर सकता है। यह विकल्प उस अभ्यर्थी के लिए फंदा है जो ठीक-ठीक यह निकाल तो लेता है कि चोक कुंडली और ट्रांसफॉर्मर दोनों निष्क्रिय उपकरण हैं, पर फिर यह पूछे बिना कि डायनामो असल में है क्या, उसी निष्कर्ष को पूरी सूची पर फैला देता है। इस प्रश्नपत्र में 'उपर्युक्त में से कोई नहीं' बहुत-से प्रश्नों का चौथा विकल्प है, इसलिए उसे इस संकेत की तरह पढ़ना कि पहले तीन गलत ही होंगे, महँगी आदत है।

विद्युत्-चुंबकीय प्रेरण ही वह अकेला सिद्धांत है जिस पर पृथ्वी का लगभग सारा विद्युत उत्पादन टिका है। फैराडे का नियम कहता है कि जब भी किसी परिपथ से बद्ध चुंबकीय फ्लक्स बदलता है, उसमें विद्युत वाहक बल प्रेरित होता है, जिसका परिमाण फ्लक्स-परिवर्तन की दर के बराबर होता है, e = −dΦ/dt; ऋण चिह्न लेंज़ के नियम से आता है, जिसका अर्थ है कि प्रेरित धारा सदा उसी परिवर्तन का विरोध करती है जिसने उसे जन्म दिया — यही कारण है कि भार जुड़ते ही जनित्र को घुमाना कठिन हो जाता है। इसी एक नियम पर मशीनों के तीन कुल खड़े हैं और उन्हें लगातार आपस में गड्डमड्ड किया जाता है। जनित्र (डायनामो या प्रत्यावर्तित्र) चालक को क्षेत्र के सापेक्ष चलाकर यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलता है। मोटर वही मशीन उल्टी चलाई गई है, जो विद्युत ऊर्जा को यांत्रिक ऊर्जा में बदलती है। ट्रांसफॉर्मर में कोई पुर्ज़ा हिलता तक नहीं: वह दो स्थिर कुंडलियों के बीच अन्योन्य प्रेरण से प्रत्यावर्ती आपूर्ति की वोल्टता बदलता है, और काम केवल इसलिए कर पाता है कि AC स्वभाव से ही बदलती रहती है। इनके साथ प्रायः चोक कुंडली भी जोड़ी जाती है, जो शुद्ध प्रेरक है और ऊर्जा बदलने के लिए नहीं, बल्कि AC परिपथ में धारा सीमित करने के लिए लगती है। इन चारों में कौन स्रोत है और कौन केवल पहले से मौजूद आपूर्ति का संचालक — इतना पकड़ लेने से इस अध्याय के अधिकांश एक-पंक्ति प्रश्न सुलझ जाते हैं।

प्रश्न को परिपथ का प्रश्न मानने के बजाय ऊर्जा का प्रश्न मानकर पढ़िए और वह एक ही चरण में ढह जाता है: इनमें से कौन-सा उपकरण किसी ऐसी चीज़ को बिजली में बदल सकता है जो बिजली है ही नहीं? चोक कुंडली और ट्रांसफॉर्मर दोनों इस कसौटी पर तत्काल विफल हो जाते हैं, क्योंकि मुख्य आपूर्ति हटा दीजिए तो किसी का कोई निर्गत नहीं बचता — वे ऊर्जा को संभालते हैं, बनाते नहीं। केवल डायनामो का निवेश अ-विद्युत है, अर्थात् घूमते शाफ्ट का यांत्रिक कार्य। ध्यान देने योग्य निकटतम भ्रम ट्रांसफॉर्मर है, और भेद करने वाला तथ्य निर्भरता की दिशा है: ट्रांसफॉर्मर की द्वितीयक धारा तभी तक रहती है जब तक उसे प्रत्यावर्ती प्राथमिक धारा दी जाती रहे, जबकि डायनामो बिना किसी विद्युत निवेश के साइकिल के पहिये या टरबाइन से अपना प्रत्यावर्ती विद्युत वाहक बल पैदा कर लेता है। एक ईमानदार चेतावनी इस कार्ड पर दर्ज होनी चाहिए। कठोर अभियांत्रिकी प्रयोग में 'डायनामो' वह दिक्परिवर्तक-युक्त मशीन है जो DC देती है और 'प्रत्यावर्तित्र' (अल्टरनेटर) वह सर्पी-वलय वाली मशीन है जो AC देती है — इसलिए कट्टर दृष्टि से यह कहा जाएगा कि सटीक उत्तर, 'अल्टरनेटर', विकल्पों में है ही नहीं। भारतीय विद्यालयी और सामान्य अध्ययन की प्रचलित भाषा यह भेद नहीं रखती; वहाँ 'डायनामो' का अर्थ रोज़मर्रा का जनित्र भर है, और साइकिल का परिचित बोतल डायनामो वस्तुतः स्थायी-चुंबक वाला अल्टरनेटर ही है जिसका निर्गत प्रत्यावर्ती होता है। चूँकि कठोर शब्दावली वाला विकल्प अनुपस्थित है और शेष दोनों उपकरण कुछ भी उत्पन्न नहीं कर सकते, इसलिए (b) ही उत्तर है — प्रचलित प्रयोग से भी और निराकरण से भी।

• फैराडे ने 29 अगस्त 1831 को दो कुंडलियों से लिपटे लोहे के छल्ले की सहायता से विद्युत्-चुंबकीय प्रेरण की खोज की; नियम है e = −dΦ/dt, जिसका ऋण चिह्न लेंज़ का नियम है। लगभग उसी समय संयुक्त राज्य अमेरिका में जोसेफ हेनरी स्वतंत्र रूप से इसी परिणाम तक पहुँचे, और प्रेरकत्व का SI मात्रक उन्हीं के नाम पर है।
• AC जनित्र में विद्युत वाहक बल e = NBAω sin ωt होता है — शून्य जब कुंडली का तल क्षेत्र के लंबवत हो, अधिकतम जब वह क्षेत्र के अनुदिश हो, और हर आधे घूर्णन पर उलटा हुआ। वही आर्मेचर AC के बदले DC देने लगता है यदि दोनों सर्पी वलयों की जगह विभक्त-वलय दिक्परिवर्तक लगा दिया जाए।
• भारत की मुख्य आपूर्ति 50 हर्ट्ज़ और नाममात्र 230 वोल्ट पर प्रत्यावर्ती है, इसलिए धारा एक सेकंड में 100 बार दिशा बदलती है, अर्थात् हर 1/100 सेकंड में एक बार। संयुक्त राज्य अमेरिका और अधिकांश अमेरिकी महाद्वीप लगभग 110–120 वोल्ट पर 60 हर्ट्ज़ का प्रयोग करते हैं, और इसीलिए घरेलू AC पर UPSC के 2004 वाले कथन-कारण प्रश्न में 60 हर्ट्ज़ का आँकड़ा आया था।
• चोक कुंडली प्रेरणिक प्रतिघात X_L = 2πfL से प्रत्यावर्ती धारा का विरोध करती है और लगभग कोई शक्ति नष्ट नहीं करती, क्योंकि कला-कोण 90° के निकट होता है; f = 0 पर, अर्थात् DC पर, X_L = 0 हो जाता है। ट्यूबलाइट की चोक वह क्षणिक उच्च-वोल्टता उछाल भी देती है जो स्टार्टर के संपर्क टूटते ही विसर्जन को प्रज्वलित कर देती है।
• आदर्श ट्रांसफॉर्मर Vs/Vp = Ns/Np = Ip/Is का पालन करता है और केवल AC पर काम करता है। यही रूपांतरण-क्षमता वह कारण है कि ग्रिड प्रत्यावर्ती है: भारत I²R हानि घटाने के लिए थोक विद्युत 132, 220, 400 और 765 किलोवोल्ट पर संचारित करता है और उपभोक्ता के यहाँ उसे 230 वोल्ट पर उतार देता है — DC के साथ इतने ही सरल किसी उपकरण से यह संभव नहीं।

• ट्रांसफॉर्मर को इसलिए चुन लेना कि उसकी द्वितीयक में AC बहती है — ट्रांसफॉर्मर उस प्रत्यावर्ती आपूर्ति को बदलता है जिसका पहले से होना ज़रूरी है, और DC पर वह कुछ भी उत्पन्न नहीं करता
• यह मान लेना कि चोक कुंडली धारा उत्पन्न या प्रबल करती है, क्योंकि उसके बिना ट्यूबलाइट चलती ही नहीं; वह केवल धारा सीमित करती है, और शुरुआती उछाल उसके अपने ही क्षेत्र के अचानक ढहने से आता है
• तीन में से दो उपकरणों को ठीक-ठीक बाहर कर देने के बाद तीसरे को उसकी अपनी कसौटी पर परखे बिना 'उपर्युक्त में से कोई नहीं' उठा लेना

BPSC इसे NCERT कक्षा 10 के स्तर पर रखता है और सीधे उपकरण-पहचान के रूप में पूछता है — पाँच शब्दों का प्रश्न, तीन वास्तविक उपकरण और 'उपर्युक्त में से कोई नहीं' का सुरक्षा-जाल — इसलिए पूरा प्रश्न इसी से तय हो जाता है कि किस उपकरण का काम क्या है, गणना कहीं नहीं आती; 2025 की 71वीं CCE ने फ्यूज़ के लिए ठीक यही आकृति इस्तेमाल की थी। UPSC ने इसे कभी इतने सपाट रूप में नहीं पूछा। वह उसी भौतिकी को कथन-कारण की जोड़ी में लपेट देता है, जैसे 1996 में ट्रांसफॉर्मर और DC परिपथ पर तथा 2004 में घरेलू AC की आवृत्ति पर, या फिर यह पूछता है कि किसी नामित उपकरण के भीतर कोई नामित पुर्ज़ा क्या करता है, जैसे 2000 में फ्लुओरेसेंट ट्यूब की चोक पर।

• अभ्यास — वास्तविक विगत वर्ष प्रश्न नहीं

  AC जनित्र में सर्पी वलयों (स्लिप रिंग्स) का उद्देश्य है

  • (a)आर्मेचर के प्रत्यावर्ती विद्युत वाहक बल को दिष्ट धारा में बदलना
  • (b)घूमते आर्मेचर और बाहरी परिपथ के बीच सतत संबंध बनाए रखना
  • (c)आर्मेचर से बद्ध चुंबकीय फ्लक्स बढ़ाना
  • (d)बाहरी परिपथ द्वारा ली जाने वाली धारा घटाना

  उत्तर(b) घूमते आर्मेचर और बाहरी परिपथ के बीच सतत संबंध बनाए रखना — कुंडली का प्रत्येक सिरा अपने अलग अखंड वलय से जुड़ा होता है, इसलिए निर्गत अपनी दिशा-पलटों समेत ब्रशों तक पहुँचता है और प्रत्यावर्ती ही बना रहता है। उसे DC में बदलना विभक्त-वलय दिक्परिवर्तक का काम है, सर्पी वलयों का नहीं; फ्लक्स क्षेत्र-चुंबक तय करता है, और धारा सीमित करना चोक का काम है।

• अभ्यास — वास्तविक विगत वर्ष प्रश्न नहीं

  ट्रांसफॉर्मर के विषय में निम्नलिखित में से कौन-सा कथन सही है?

  • (a)यह वोल्टता और शक्ति दोनों को बढ़ा सकता है
  • (b)यह दिष्ट और प्रत्यावर्ती दोनों धाराओं पर समान रूप से काम करता है
  • (c)उच्चायी ट्रांसफॉर्मर में द्वितीयक के फेरे प्राथमिक से अधिक होते हैं
  • (d)यह यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलता है

  उत्तर(c) उच्चायी ट्रांसफॉर्मर में द्वितीयक के फेरे प्राथमिक से अधिक होते हैं — चूँकि Vs/Vp = Ns/Np है, इसलिए द्वितीयक में अधिक फेरे होने का अर्थ है अधिक द्वितीयक वोल्टता, और उसी अनुपात में धारा घट जाती है। शक्ति नहीं बढ़ाई जाती, स्थिर DC पर ट्रांसफॉर्मर कोई निर्गत नहीं देता क्योंकि फ्लक्स बदलता ही नहीं, और यांत्रिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलना जनित्र का काम है।