MPSC 2023 पूर्व परीक्षा पेपर-१ · प्रश्न 36 / 100

बरोबर उत्तर पर्याय (3) — अतिवाहक. प्रश्न ही एक व्याख्या असून तिच्यातून संज्ञा काढून घेतली आहे, आणि तिचा प्रत्येक शब्द एकाच घटनेकडे बोट दाखवतो. प्रतिरोधकता ही पदार्थाची गुणधर्मराशी आहे : विद्युतप्रवाहाला तो पदार्थ किती विरोध करतो हे ती मोजते, आणि तिची व्याख्या नमुन्याच्या आकाराशी व लांबीशी स्वतंत्र असते. म्हणून प्रतिरोधकतेविषयीचे विधान एखाद्या तारेविषयीचे नसून त्या पदार्थाविषयीचे असते. प्रश्न म्हणतो की ही राशी शून्य होते — कमी नाही, नगण्य नाही, तर शून्य — आणि ती निर्णायक तापमानाच्या खाली होते, म्हणजे नमुना हळूहळू थंड करत गेल्यावर टप्प्याटप्प्याने नव्हे, तर त्या पदार्थाचे वैशिष्ट्य असलेल्या एका ठरावीक तापमानाला अचानक. ही दोन्ही वैशिष्ट्ये मिळून अतिवाहकतेची व्याख्या होते. आपल्या निर्णायक म्हणजे संक्रमण तापमानाच्या खाली अतिवाहक पदार्थ कोणताही विरोध न करता विद्युतप्रवाह वाहून नेतो, आणि याचा एक थक्क करणारा परिणाम असा की अतिवाहक कड्यात एकदा सुरू झालेला प्रवाह कोणताही विद्युतचालक बल पुरवणारा स्रोत नसतानाही अखंड फिरत राहतो — कारण त्याची ऊर्जा नष्ट करणारे काहीच उरत नाही. ही घटना 1911 साली हाइके कॅमरलिंग ओनेस यांना आढळली. हेलियम द्रवरूप करण्यात यश मिळाल्यामुळे ते निरपेक्ष शून्याच्या काही अंश जवळ जाऊ शकत होते; पारा थंड करत असताना सुमारे 4.2 केल्विनला त्याचा रोध पूर्णपणे नाहीसा झालेला त्यांना दिसला, आणि नीच तापमानावरील कामासाठी 1913 साली त्यांना भौतिकशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक मिळाले. पुढे स्पष्ट झाले की अतिवाहक म्हणजे केवळ परिपूर्ण वाहक नव्हे : निर्णायक तापमानाखाली तो आपल्या आतून चुंबकीय क्षेत्ररेषा बाहेर ढकलतो — याला माइसनर परिणाम म्हणतात — आणि त्यामुळे तो परिपूर्ण प्रतिचुंबकीय बनतो; अतिवाहक पृष्ठभागावर चुंबक हवेत तरंगताना दिसतो तो याच कारणाने. याचे व्यावहारिक महत्त्व चुंबकांमध्ये आहे, कारण रोध नसलेली वेटोळी तापल्याशिवाय प्रचंड प्रवाह वाहून नेऊ शकतात; एमआरआय यंत्रे आणि मोठे कणवेगवर्धक अतिवाहक चुंबकांमुळेच शक्य होतात. यादीतील इतर कोणताही पर्याय प्रतिरोधकता शून्य होणाऱ्या पदार्थाचे वर्णन करत नाही, म्हणून उत्तर पर्याय (3).

• (1)वाहक — धातूसारखे वाहक थंड केल्यावर त्यांची प्रतिरोधकता खरोखर कमी होते, आणि हा पर्याय आकर्षक ठरतो तो नेमक्या याच अर्धसत्यामुळे. धातूत विद्युतप्रवाह मुक्त इलेक्ट्रॉनांमुळे वाहतो आणि त्यांना विरोध होतो तो स्फटिकजालकातील अणूंच्या कंपनांमुळे; तापमान कमी केले की ही कंपने मंदावतात आणि रोध घटतो. पण घट इथेच थांबते. अगदी नीच तापमानालाही धातूची प्रतिरोधकता एका लहान पण शून्येतर मूल्यावर स्थिरावते — या अवशिष्ट मूल्याचे कारण जालकातील अशुद्धी व दोष असते, आणि ते थंड करून नाहीसे करता येत नाही. म्हणजे सामान्य वाहकाची प्रतिरोधकता कमी होते, कधीही शून्य होत नाही, आणि 'निर्णायक तापमान' असे कोणतेही ठरावीक तापमान त्याच्यासाठी अस्तित्वातच नसते. प्रश्नातील दोन शब्द — 'शून्य' आणि 'निर्णायक तापमान' — नेमके याच पर्यायाला वगळण्यासाठी ठेवलेले आहेत.
• (2)रोधक — रोधक हा पर्याय अर्थाच्या नेमक्या उलट्या टोकाला आहे. रोधकात मुक्त वाहक कण जवळजवळ नसतात आणि त्याची प्रतिरोधकता अत्यंत मोठी असते; प्रश्न मात्र प्रतिरोधकता शून्य होणाऱ्या पदार्थाविषयी विचारतो. शिवाय तापमानाशी त्याचे नाते धातूच्या उलट असते : रोधक व अर्धवाहक यांमध्ये तापमान वाढले की प्रतिरोधकता घटते, कारण उष्णतेमुळे अधिक वाहक कण मोकळे होतात. याचा अर्थ असा की रोधक थंड केला तर तो अधिकच चांगला रोधक होतो — म्हणजे प्रश्नात वर्णन केलेल्या वर्तनाच्या नेमके विरुद्ध. हा पर्याय निवडणारा उमेदवार बहुधा 'निर्णायक तापमानाखाली' या शब्दांतून काहीतरी टोकाचे घडते एवढेच वाचतो आणि दिशा तपासत नाही. वाहक, रोधक व अर्धवाहक यांची तापमानानुसार वागणूक एकदा नीट लक्षात ठेवली की असा गोंधळ होत नाही.
• (4)यापैकी नाही — 'यापैकी नाही' हा पर्याय तेव्हाच बरोबर ठरतो जेव्हा उरलेल्या तीनपैकी एकही पर्याय प्रश्नात मागितलेले वर्णन पूर्ण करत नाही; इथे तिसरा पर्याय ते वर्णन तंतोतंत पूर्ण करतो, म्हणून हा बाद होतो. अशा पर्यायाकडे उमेदवार दोन प्रकारे वळतो. एक तर त्याने संज्ञा ओळखलीच नसते आणि निवड टाळण्याचा हा सोपा मार्ग वाटतो; किंवा 'अतिवाहक' हा शब्द पेपरात इंग्रजीत दोन वेगळ्या शब्दांत छापला असल्याने त्याला तो अपरिचित वाटतो. दोन्ही कारणे पुरेशी नाहीत. प्रश्नाची व्याख्या इतकी नेमकी आहे — प्रतिरोधकता शून्य, आणि तीही एका निर्णायक तापमानाच्या खाली — की तिच्याशी जुळणारा एकच पदार्थवर्ग आहे. सर्वसाधारण नियम असा : 'यापैकी नाही' निवडण्याआधी उरलेले तिन्ही पर्याय स्पष्ट कारणाने बाद करता आले पाहिजेत; नुसती अनिश्चितता हे त्याचे कारण होऊ शकत नाही.

विद्युतवहनाच्या दृष्टीने पदार्थांचे तीन नेहमीचे वर्ग केले जातात आणि त्यांना वेगळे करणारी गोष्ट म्हणजे प्रतिरोधकता व तिचे तापमानाशी असलेले नाते. वाहकांत — म्हणजे धातूंत — मुक्त इलेक्ट्रॉन विपुल असतात आणि प्रतिरोधकता अत्यल्प असते; तापमान वाढले की जालकाची कंपने वाढून प्रतिरोधकता वाढते, आणि थंड केल्यावर ती घटते पण अशुद्धी व दोषांमुळे ठरणाऱ्या एका लहान शून्येतर अवशिष्ट मूल्यावर थांबते. रोधकांत मुक्त वाहक कण जवळजवळ नसतात आणि प्रतिरोधकता प्रचंड असते. अर्धवाहक या दोहोंच्या मध्ये असतात आणि त्यांचे तापमानाशी नाते धातूच्या उलट असते : तापमान वाढले की अधिक वाहक कण मोकळे होतात आणि प्रतिरोधकता घटते; याच गुणधर्मामुळे ते सर्व आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक साधनांचा पाया ठरतात. या तीन वर्गांच्या पलीकडे एक चौथी अवस्था आहे — अतिवाहकता. काही पदार्थ आपल्या निर्णायक म्हणजे संक्रमण तापमानाखाली गेले की त्यांची प्रतिरोधकता हळूहळू कमी न होता एकदम, आणि नेमकी शून्यावर, कोसळते. ही केवळ मात्रेतील नव्हे तर स्वरूपातील बदल असलेली घटना आहे : अतिवाहक कड्यात एकदा सुरू झालेला प्रवाह स्रोताशिवाय अखंड फिरत राहतो, आणि अतिवाहक आपल्या आतून चुंबकीय क्षेत्ररेषा बाहेर ढकलतो — हा माइसनर परिणाम, ज्यामुळे तो परिपूर्ण प्रतिचुंबकीय बनतो आणि त्याच्यावर चुंबक तरंगू शकतो. 1911 साली हाइके कॅमरलिंग ओनेस यांना द्रवरूप हेलियमने थंड केलेल्या पाऱ्यात ती प्रथम आढळली. रोध नसलेली वेटोळी न तापता प्रचंड प्रवाह वाहून नेत असल्याने अतिवाहक चुंबक एमआरआय यंत्रे व कणवेगवर्धकांमध्ये वापरले जातात.

एमपीएससीच्या सामान्य विज्ञान विभागात भौतिकशास्त्राचे प्रश्न बहुधा संकल्पनांच्या व्याख्येवर विचारले जातात, आणि हा प्रश्न त्याचा नमुनेदार आकार आहे : रिकाम्या जागेत बसणारी संज्ञा ओळखा. अशा प्रश्नात गुण मिळवायचे तर व्याख्येतील प्रत्येक शब्द वजनदार आहे असे मानून वाचावे लागते. इथे दोन शब्द निर्णायक आहेत — 'शून्य' आणि 'निर्णायक तापमान'. यांपैकी पहिला सामान्य वाहकाला वगळतो, कारण त्याची प्रतिरोधकता कमी होते पण शून्य होत नाही; आणि दुसरा हा बदल टप्प्याटप्प्याने नव्हे तर एका ठरावीक तापमानाला अचानक घडतो हे सांगून त्याच पर्यायाला दुसऱ्यांदा वगळतो. उमेदवार अशा प्रश्नांत सर्वसाधारण दिशा बरोबर ओळखतो पण टोकाचे शब्द दुर्लक्षित करतो, आणि तिथेच गुण जातात. दुसरी नोंद या प्रश्नाच्या छपाईविषयी : मराठी स्तंभात 'निर्णायक' या शब्दानंतर कंसात इंग्रजी 'critical' असेही छापले आहे, आणि वाक्याची व्याकरणिक जुळणी तुटलेली आहे — 'ह्या पदार्थांचा प्रतिरोधकता ... शून्य होते' असे छापले आहे. इंग्रजी स्तंभात पर्याय (3) 'Super conductors' असा दोन शब्दांत छापला आहे. या दोन्ही छपाईच्या बाबी आहेत आणि अर्थ स्पष्ट राहतो; अशा तपशिलावरून पर्याय बरोबर की चूक हे ठरवू नये. तिसरी सवय उपयोगी : विज्ञानाच्या प्रश्नात 'यापैकी नाही' हा पर्याय दिसला की तो शेवटी तपासावा, आधी नाही.

• प्रतिरोधकता ही नमुन्याची नव्हे तर पदार्थाची गुणधर्मराशी आहे — एकक लांबी व एकक काटछेद क्षेत्रफळाच्या तुकड्याचा रोध — म्हणून ती नमुन्याच्या आकाराचा उल्लेख न करता पदार्थासाठी सांगता येते.
• धातूसारख्या वाहकात तापमान वाढल्यावर प्रतिरोधकता वाढते आणि थंड केल्यावर घटते, पण ती अशुद्धी व जालकातील दोषांनी ठरणाऱ्या एका लहान शून्येतर अवशिष्ट मूल्यावर स्थिरावते; ती नाहीशी होईल असे कोणतेही तापमान नसते.
• अर्धवाहक व रोधक यांमध्ये हे नाते उलटे असते : तापमान वाढले की प्रतिरोधकता घटते, कारण उष्णतेमुळे अधिक वाहक कण मोकळे होतात; म्हणून रोधक थंड केला तर तो अधिकच चांगला रोधक बनतो.
• अतिवाहक म्हणजे असा पदार्थ ज्याची प्रतिरोधकता त्याच्या वैशिष्ट्यपूर्ण निर्णायक म्हणजे संक्रमण तापमानाखाली एकदम व नेमकी शून्यावर येते; त्यामुळे अतिवाहक कड्यात एकदा सुरू झालेला प्रवाह कोणत्याही स्रोताशिवाय अखंड फिरत राहतो.
• अतिवाहकता 1911 साली हाइके कॅमरलिंग ओनेस यांना आढळली, जेव्हा द्रवरूप हेलियमने थंड केलेल्या पाऱ्याचा रोध सुमारे 4.2 केल्विनला पूर्णपणे नाहीसा झाला; अतिवाहक आतून चुंबकीय क्षेत्ररेषाही बाहेर ढकलतो — माइसनर परिणाम — आणि अतिवाहक चुंबक एमआरआय यंत्रे व कणवेगवर्धकांत वापरले जातात.

• 'प्रतिरोधकता कमी होते' आणि 'प्रतिरोधकता शून्य होते' यांची गल्लत करणे; थंड केलेल्या धातूत ती कमी होते पण शून्य कधीच होत नाही
• रोधक व अर्धवाहक थंड केल्यावर अधिक वाहक होतात असे समजणे; प्रत्यक्षात त्यांच्यात तापमान वाढल्यावरच प्रतिरोधकता घटते
• व्याख्येतील 'निर्णायक तापमान' हा शब्द दुर्लक्षित करणे; तो बदल टप्प्याटप्प्याने नव्हे तर ठरावीक तापमानाला अचानक होतो हे सांगतो
• संज्ञा अपरिचित वाटली म्हणून 'यापैकी नाही' निवडणे; तो पर्याय उरलेले तिन्ही स्पष्ट कारणाने बाद झाल्यावरच निवडावा

सामान्य विज्ञान विभागात एमपीएससी भौतिकशास्त्राचे प्रश्न मुख्यतः तीन आकारांत विचारते : रिकाम्या जागेत बसणारी संज्ञा ओळखा, एखाद्या राशीचे एकक किंवा तिचे तापमान-वर्तन विचारा, आणि एखादा शोध कोणी व कधी लावला हे विचारा. अतिवाहकता या तिन्ही आकारांत बसते, म्हणून तिच्याविषयी चार गोष्टी लक्षात ठेवाव्यात : व्याख्या म्हणजे निर्णायक तापमानाखाली प्रतिरोधकता शून्य, शोधकर्ते कॅमरलिंग ओनेस व साल 1911, माइसनर परिणाम, आणि एमआरआय व कणवेगवर्धकांतील उपयोग. याच धड्याला जोडून वाहक, अर्धवाहक व रोधक यांचे तापमान-वर्तन विचारले जाते, आणि तिथे उत्तर उलटे देण्याची चूक सर्वाधिक होते. व्याख्येच्या प्रश्नात प्रत्येक शब्द तपासून वाचणे ही सवय या संपूर्ण विभागाला लागू पडते, कारण आयोग सहसा एका शब्दानेच बरोबर व चूक पर्याय वेगळे करते.

या प्रश्नाशी थेट संबंधित मागील PYQ आढळला नाही.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  अतिवाहक पदार्थ आपल्या निर्णायक तापमानाखाली आतून चुंबकीय क्षेत्ररेषा बाहेर ढकलतो, या घटनेला काय म्हणतात ?

  • (a)डॉप्लर परिणाम
  • (b)माइसनर परिणाम
  • (c)प्रकाशविद्युत परिणाम
  • (d)हॉल परिणाम

  उत्तर(2) माइसनर परिणाम — यामुळे अतिवाहक परिपूर्ण प्रतिचुंबकीय बनतो आणि त्याच्यावर चुंबक हवेत तरंगताना दिसतो; यावरूनच अतिवाहक हा केवळ परिपूर्ण वाहक नसून वेगळ्या अवस्थेतील पदार्थ आहे हे स्पष्ट होते. डॉप्लर परिणाम लहरींच्या वारंवारतेतील बदलाशी, प्रकाशविद्युत परिणाम प्रकाशामुळे इलेक्ट्रॉन बाहेर पडण्याशी, आणि हॉल परिणाम चुंबकीय क्षेत्रात वाहकावर निर्माण होणाऱ्या विभवांतराशी संबंधित आहे.

• सराव प्रश्न — प्रत्यक्ष विचारलेला प्रश्न नाही

  अतिवाहकतेचा शोध कोणी व कोणत्या पदार्थात लावला ?

  • (a)हाइके कॅमरलिंग ओनेस, पाऱ्यात
  • (b)मायकेल फॅरॅडे, तांब्यात
  • (c)जे. जे. थॉमसन, चांदीत
  • (d)नील्स बोर, ॲल्युमिनिअममध्ये

  उत्तर(1) हाइके कॅमरलिंग ओनेस, पाऱ्यात — 1911 साली द्रवरूप हेलियमने थंड केलेल्या पाऱ्याचा रोध सुमारे 4.2 केल्विनला पूर्णपणे नाहीसा झालेला त्यांना आढळला, आणि नीच तापमानावरील कामासाठी 1913 साली त्यांना भौतिकशास्त्राचे नोबेल पारितोषिक मिळाले. फॅरॅडे विद्युतचुंबकीय प्रवर्तनासाठी, थॉमसन इलेक्ट्रॉनच्या शोधासाठी आणि बोर अणुप्रारूपासाठी ओळखले जातात.