📝 பயிற்சி

எல்லைத் தெரிவு செய்து, பகுதி I (MCQ) அல்லது பகுதி II (கட்டுரை) பயிற்சி செய்யுங்கள்.

மின் காந்தவியலும் தூண்டலும் · பகுதி II

அலகு 13 — மின் காந்தவியலும் தூண்டலும்

1. (அ) காந்தப்புலம் (magnetic field) என்றால் என்ன? அதை compass-ஐக் கொண்டு எவ்வாறு கண்டறிவாய்? (3)
(ஆ) காந்தப் பொருள் + காந்தமல்லாப் பொருளுக்கு தலா இரு உதாரணம் தருக. (2)
(இ) நேர்க்கடத்தியில் மின்னோட்டம் பாயும்போது உருவாகும் காந்தப்புலத்தின் திசையைக் காண இரு விதிகளை விளக்குக. (5) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம்:

காந்தப்புலம் = காந்தம் தாக்கம் செலுத்தும் வெளி; vector.
Compass ஊசி அப்புள்ளியில் புல திசை காட்டும்.
காந்தப் பொருள்: iron, steel/nickel. காந்தமல்லாது: plastic, rubber/wood.
Maxwell corkscrew rule.
Right hand grip rule.

(அ) காந்தப்புலம் (Magnetic field): ஒரு காந்தத்தைச் சுற்றி, அக்காந்தம் தனது தாக்கத்தைச் செலுத்தும் வெளியே காந்தப்புலம். இது கண்ணுக்குப் புலப்படாது; ஆனால் இன்னொரு காந்தத்தையோ நகரும் மின்னேற்றத்தையோ தாக்கும். இது பருமனும் திசையும் கொண்ட இயற்பியல் அளவு (vector).
Compass மூலம் கண்டறிதல்: Compass = pivot மீது சுதந்திரமாகச் சுழலும் சிறு காந்தம். ஒரு வெளியில் compass வைத்தால், ஊசி அப்புள்ளியில் காந்தப்புலம் இருந்தால் அதன் திசையில் நிலைபெறும். புள்ளிக்குப் புள்ளி ஊசியின் திசை மாறுவது புலத்தின் திசை மாறுவதைக் காட்டும்.

(ஆ) காந்தப் பொருட்கள்: இரும்பு (iron), எஃகு (steel), நிக்கல் (nickel).
காந்தமல்லாப் பொருட்கள்: plastic, மரம், காகிதம், ரப்பர்.

(இ) நேர்க்கடத்தியின் காந்தப்புல திசை — 2 விதிகள்:
• மாக்ஸ்வெல்லின் திருகாணி விதி (corkscrew rule): ஒரு திருகாணியை, அதன் நுனி மின்னோட்டத்தின் திசையில் முன்னோக்கி நகரும்படி சுழற்றினால், அந்தச் சுழற்சியின் திசையே காந்தவிசைக்கோடுகளின் திசை. A→B மின்னோட்டம் → புலம் anti-clockwise; B→A → clockwise.
• வலக்கைப் பிடி விதி (right hand grip rule): கடத்தியை வலக்கையால் பிடித்து, கட்டைவிரல் மின்னோட்டத்தின் திசையைக் காட்டினால், மற்ற நான்கு விரல்கள் கடத்தியைச் சுற்றி வளையும் திசையே காந்தப்புலத்தின் திசை.
படத்தில்: புள்ளி (•) = புலம் வெளியே; குறுக்கு (×) = புலம் உள்ளே.

2. (அ) காந்தப்புலத்தில் வைக்கப்பட்ட மின்னோட்டக் கடத்தியின் மீது விசை செயற்படுகின்றது — இதன் பருமனைத் தீர்மானிக்கும் 3 காரணிகளைத் தருக. (3)
(ஆ) ஃபிளமிங்கின் இடக்கை விதியை விளக்குக; எதைக் காண பயன்படுகின்றது? (3)
(இ) ஒலிபெருக்கியின் (loud speaker) இயக்கத்தையும், அதில் நிகழும் சக்தி மாற்றத்தையும் விளக்குக. (4) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம்:

விசை ∝ மின்னோட்டம் × நீளம் × புல வலிமை.
இடக்கை: கட்டைவிரல்=விசை, சுட்டுவிரல்=புலம், நடுவிரல்=மின்னோட்டம்.
ஒலிபெருக்கி: cone+coil+ring magnet; மாறும் current → அதிர்வு → ஒலி.
மின் → ஒலி சக்தி.

(அ) விசையின் பருமனைத் தீர்மானிக்கும் 3 காரணிகள் (விசை இவை மூன்றுக்கும் நேர்விகிதம்):
• கடத்தியில் பாயும் மின்னோட்டத்தின் பருமன்.
• காந்தப்புலத்தில் உள்ள கடத்தியின் நீளம்.
• காந்தப்புலத்தின் வலிமை.
இவை அதிகரித்தால் விசையும் அதிகரிக்கும்; குறைந்தால் குறையும்.

(ஆ) ஃபிளமிங்கின் இடக்கை விதி (Fleming's left hand rule): இடக்கையின் கட்டைவிரல், சுட்டுவிரல், நடுவிரல் மூன்றையும் ஒன்றுக்கொன்று செங்குத்தாக வைத்து — நடுவிரல் மின்னோட்டத்தின் திசையிலும், சுட்டுவிரல் காந்தப்புலத்தின் திசையிலும் காட்டினால், கட்டைவிரல் காட்டுவதே கடத்தியின் மீது செயற்படும் விசையின் திசை. (நினைவில்: Force–thuMb, Field–First/index, Current–ceNtre.) DC மோட்டார், ஒலிபெருக்கி, galvanometer இயக்கத்தை விளக்க இது பயன்படும்.

(இ) ஒலிபெருக்கி (Loud speaker): முக்கிய பாகங்கள் — இலேசான அட்டை கூம்பு (cone), கடத்தும் சுருள் (coil), வளைய-காந்தம் (ring magnet). கூம்பின் சிறிய முனையுடன் இணைந்த சுருள், காந்தத்தின் துருவங்களுக்கு இடையே சுதந்திரமாக முன்னும் பின்னும் நகரும்படி அமைக்கப்படுகின்றது. ஒலி அலையின் வடிவத்திற்கேற்ப மாறும் மின்னோட்டம் (time-varying current) சுருளில் பாயும்போது, காந்தம் சுருளின் மீது செலுத்தும் விசை மாறிமாறி இருப்பதால் சுருள் அதிர்கின்றது; கூம்பும் அதிர்ந்து ஒலி அலைகளை உருவாக்குகின்றது. சக்தி மாற்றம்: மின்சக்தி → ஒலி (இயக்க) சக்தி.

3. DC மோட்டாரின் இயக்கத்தை விளக்குக: (அ) முக்கிய பாகங்கள் — armature, காந்தத் துருவங்கள், commutator + brushes — ஒவ்வொன்றின் வேலை. (5) (ஆ) ஃபிளமிங்கின் இடக்கை விதியைப் பயன்படுத்தி சுருள் ஏன் சுழல்கின்றது என விளக்குக. (3) (இ) நிகழும் சக்தி மாற்றம் + commutator இல்லாவிட்டால் என்ன நடக்கும்? (2) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம்:

Armature = core+coil → couple.
Poles → magnetic field.
Commutator அரைச் சுழற்சிக்கு திசை மாற்றும்.
AB கீழ், CD மேல் → couple → சுழற்சி.
மின்→இயந்திர; commutator இல்லையேல் எதிர் திசை.

(அ) DC மோட்டாரின் முக்கிய பாகங்கள்:
• Armature (கதிர்த்தண்டு): இரும்பு/எஃகு கருவைச் (core) சுற்றிய சுருள். மின்னோட்டம் பாயும்போது இரட்டை விசையை (couple) உருவாக்கிச் சுழற்சியைத் தருகின்றது. சுமையைத் தாங்க கரு வலிமை தருகின்றது.
• காந்தத் துருவங்கள் (magnetic poles): Armature-ஐச் சுற்றி அமைக்கப்பட்ட நிலைக்காந்தத்தின் N–S துருவங்கள் — சுருளில் விசை செயற்படத் தேவையான காந்தப்புலத்தைத் தருகின்றன.
• Commutator (பிளவு வளையங்கள் — split rings) + brushes: சுருளின் இரு முனைகள் இரு split rings-உடன் இணைந்து armature-உடன் சுழல்கின்றன; brushes (P, Q) சுழலாமல் வளையங்களைத் தொட்டு வெளிச் சுற்றுடன் இணைக்கின்றன. Commutator ஒவ்வொரு அரைச் சுழற்சியிலும் சுருளில் மின்னோட்டத் திசையை மாற்றுகின்றது.

(ஆ) சுழற்சியின் விளக்கம்: brush P → split ring X → சுருள் ABCD → ring Y → brush Q வழியே மின்னோட்டம் பாய்கின்றது. AB, CD பகுதிகளுக்கு ஃபிளமிங்கின் இடக்கை விதி பயன்படுத்தினால் — AB-இல் கீழ்நோக்கி விசையும், CD-இல் மேல்நோக்கி விசையும் செயற்படுகின்றன. இவ்விரட்டை விசை (couple) armature-ஐ கடிகார திசையில் சுழற்றுகின்றது. 180° சுழன்றதும் commutator திசையை மாற்றி, சுழற்சி அதே திசையில் தொடர வைக்கின்றது.

(இ) சக்தி மாற்றம்: மின்சக்தி → இயந்திர சக்தி (mechanical energy). Commutator இல்லாவிட்டால் — அடுத்த அரைச் சுழற்சியில் couple எதிர் திசையில் செயற்பட்டு சுருள் எதிர்த்திசையில் சுழலத் தொடங்கி, தொடர்ச்சியான ஒரே திசைச் சுழற்சி கிடைக்காது.

4. (அ) மின்காந்தத் தூண்டல் (electromagnetic induction) என்றால் என்ன? bar காந்தம் + சுருள் + galvanometer activity மூலம் இதை எவ்வாறு நிறுவுவாய்? (5) (ஆ) தூண்டப்பட்ட emf-இன் பருமனைத் தீர்மானிக்கும் 3 காரணிகள். (3) (இ) ஃபிளமிங்கின் வலக்கை விதியை விளக்குக. (2) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம்:

தூண்டல் = மாறும் புலம் / நகரும் கடத்தி → emf.
காந்தம் நகர்த்தும்போது மட்டுமே galvanometer விலகும்.
உறவு இயக்கம் இல்லையேல் emf இல்லை.
factors: சுற்றுகள், காந்த வலிமை, வேகம்.
வலக்கை: கட்டை=நகர்வு, சுட்டு=புலம், நடு=மின்னோட்டம்.

(அ) மின்காந்தத் தூண்டல் (Electromagnetic induction): ஒரு கடத்தி மாறும் காந்தப்புலத்தில் அசையாமல் இருக்கும்போது, அல்லது மாறாக் காந்தப்புலத்தில் கடத்தி நகரும்போது, அதன் முனைகளுக்கிடையே ஒரு மின்னியக்க விசை (emf) உருவாவதே மின்காந்தத் தூண்டல்.
Activity: செப்புக் கம்பியைச் சுற்றிய சுருளின் இரு முனைகளை center-zero galvanometer-உடன் இணைக்கின்றோம் (சுற்றில் வேறு emf மூலம் இல்லை). ஒரு bar காந்தத்தைச் சுருளுக்குள் உள்நோக்கி அல்லது வெளிநோக்கி நகர்த்தும் ஒவ்வொரு முறையும் galvanometer விலகுகின்றது. இரண்டையும் ஒரே வேகத்தில் சேர்த்து நகர்த்தினால் (இடைவெளி மாறாமல்) எந்த விலகலும் இல்லை. முடிவு: சுருளுடன் இணைந்த காந்தவிசைக்கோடுகளில் மாற்றம் இருக்கும்போதே emf தூண்டப்படுகின்றது (இது induced emf). காந்தத்தை வேகமாக நகர்த்தினால் விலகல் அதிகம் — emf, விசைக்கோடுகள் மாறும் வீதத்திற்கு நேர்விகிதம்.

(ஆ) தூண்டப்பட்ட emf-இன் 3 காரணிகள் (Faraday):
• சுருளில் உள்ள சுற்றுகளின் எண்ணிக்கை.
• காந்தத்தின் வலிமை.
• காந்தம்/சுருள் நகரும் வேகம்.

(இ) ஃபிளமிங்கின் வலக்கை விதி (right hand rule): வலக்கையின் கட்டைவிரல், சுட்டுவிரல், நடுவிரல் மூன்றையும் செங்குத்தாக வைத்து — கட்டைவிரல் நகர்வுத் திசையிலும், சுட்டுவிரல் காந்தப்புல திசையிலும் காட்டினால், நடுவிரல் காட்டுவதே தூண்டப்பட்ட மின்னோட்டத்தின் திசை.

5. AC dynamo (மின்னியற்றி) — (அ) கட்டமைப்பை விளக்குக (coil, brushing rings, brushes). (3) (ஆ) சுருள் சுழலும்போது emf எவ்வாறு மாறி AC உருவாகின்றது என்பதை — தளம் இணை + தளம் செங்குத்து நிலைகளில் — விளக்குக. (5) (இ) மிதிவண்டி dynamo விளக்கின் பிரகாசம் வேகத்துடன் ஏன் அதிகரிக்கின்றது? (2) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம்:

செவ்வக coil ABCD + axle; A,D → brushing rings P,Q; carbon brushes X,Y.
தளம் இணை → emf உச்சம்; தளம் செங்குத்து → emf சுழியம்.
அரைச் சுழற்சிக்கு திசை மாறி AC; சைன் அலை.
வேகம் அதிகம் → காந்தப்புலம் மாறும் வீதம் அதிகம் → emf அதிகம்.

(அ) AC dynamo கட்டமைப்பு: பல சுற்றுகள் கொண்ட செவ்வக சுருள் ABCD ஒரு axle-உடன் இணைந்து காந்தப்புலத்தில் சுழல்கின்றது. N + S துருவங்கள் சுருளின் இருபுறமும் வலிமையான புலத்தைத் தருகின்றன. சுருளின் முனை A ஒரு coaxial copper brushing ring P-உடனும், முனை D மற்றொரு ring Q-உடனும் இணைக்கப்படுகின்றன. Carbon brushes X, Y இவ்வளையங்களைத் தேய்த்துக்கொண்டே வெளிச் சுற்றை (galvanometer) இணைக்கின்றன. (coil + rings + axle = armature.)

(ஆ) AC உற்பத்தி: சுருள் சுழலும்போது AB + CD கைகள் காந்தவிசைக்கோடுகளை வெட்டி emf தூண்டப்படுகின்றது; திசை வலக்கை விதியால் காணப்படும்.
• சுருளின் தளம் புலத்திற்கு இணையாக இருக்கும் நிலையில் — கைகள் விசைக்கோடுகளை செங்குத்தாக வெட்டுகின்றன → emf உச்சம் (maximum).
• சுருளின் தளம் புலத்திற்கு செங்குத்தாக இருக்கும் நிலையில் — கைகள் விசைக்கோடுகளுக்கு இணையாக நகர்கின்றன → விசைக்கோடுகள் வெட்டப்படாது → emf சுழியம் (zero).
ஒவ்வொரு அரைச் சுழற்சியிலும் கைகளின் இயக்கத் திசை மாறுவதால் மின்னோட்டத் திசையும் மாறுகின்றது — galvanometer இடப்பக்கம், பின் சுழியம், பின் வலப்பக்கம் என மாறி விலகுகின்றது. இதனால் வெளியீடு மாறுதிசை மின்னோட்டம் (AC); காலத்திற்கு எதிராக வரைந்தால் சைன் அலை.

(இ) மிதிவண்டி dynamo: வேகமாக ஓட்டினால் டயர் வேகமாகச் சுழன்று, dynamo தலை + உருளை-காந்தம் வேகமாகச் சுழல்கின்றன. soft iron சுருளுடன் இணைந்த காந்தப்புலம் மாறும் வீதம் அதிகரித்து emf + மின்னோட்டம் அதிகரிக்கின்றது → விளக்கு பிரகாசமாகின்றது. வெளியீடு AC. சக்தி மாற்றம்: இயந்திர → மின்.

6. மின்மாற்றி (transformer) — (அ) கட்டமைப்பு + இயக்கக் கொள்கையை விளக்குக. (4) (ஆ) step-up + step-down வேறுபாடு + N_P/N_S = V_P/V_S உறவு. (3) (இ) ஏன் transformer AC-உடன் மட்டுமே இயங்குகின்றது? பயன்பாடு 1 தருக. (3) (10 புள்ளி)

விடைத் திட்டம்:

Soft iron core + primary/secondary coils.
V_P → மாறும் புலம் → V_S தூண்டல்.
N_P/N_S = V_P/V_S.
Step-up: N_S>N_P, V_S>V_P; step-down எதிர்.
மாறும் புலம் தேவை → AC only; grid voltage.

(அ) கட்டமைப்பு + கொள்கை: ஒரு soft iron core-ஐச் சுற்றி இரு தனித்தனி காப்பிடப்பட்ட செப்புச் சுருள்கள். முதன்மைச் சுருள் (primary — input): சுற்றுகள் N_P, மின்னழுத்தம் V_P; AC supply இங்கு. இரண்டாம் சுருள் (secondary — output): சுற்றுகள் N_S, தூண்டப்பட்ட V_S; load இங்கு. primary-க்கு கொடுக்கப்படும் AC மின்னழுத்தம் V_P → primary-இல் மாறும் மின்னோட்டம் → மாறும் காந்தப்புலம் → soft iron core வழியே secondary-உடன் இணைந்து → secondary-இல் மாறும் மின்னழுத்தம் V_S-ஐத் தூண்டுகின்றது (induction).

(ஆ) உறவு: N_P / N_S = V_P / V_S.
• Step-up (உயர்த்தி): secondary-இல் சுற்றுகள் அதிகம் (N_S > N_P) → V_S > V_P.
• Step-down (தாழ்த்தி): secondary-இல் சுற்றுகள் குறைவு (N_S < N_P) → V_S < V_P.

(இ) AC மட்டுமே: Transformer இயங்க secondary-உடன் இணைந்த காந்தப்புலம் தொடர்ந்து மாற வேண்டும். AC continuously மாறும் புலத்தைத் தருகின்றது. மாறாத DC ஒரு நிலையான புலத்தையே தருவதால் emf தூண்டப்படாது → transformer DC-உடன் இயங்காது.
பயன்பாடு: மின் நிலையங்களில் உற்பத்தியான AC, தேசிய grid-க்கு அனுப்புமுன் step-up transformer-ஆல் 132 kV / 220 kV-ஆக உயர்த்தப்படுகின்றது (உயர் மின்னழுத்தம் → குறை மின்னோட்டம் → குறை வெப்ப இழப்பு); வீடுகளுக்கு வழங்குமுன் step-down transformer-ஆல் 220 V-ஆகத் தாழ்த்தப்படுகின்றது.

7. (அ) நேர்திசை (DC) + மாறுதிசை (AC) மின்னோட்டங்களின் வேறுபாட்டை graph + மூலம் (source) உடன் விளக்குக. (4) (ஆ) ஒரு மின்மாற்றியின் primary-இல் 1000 சுற்றுகள், secondary-இல் 100 சுற்றுகள்; primary-க்கு 230 V AC. (i) V_S? (ii) இது எவ்வகை? (iii) primary மின்னோட்டம் 5 A எனில் (100% திறன்) secondary மின்னோட்டம்? (6) (10 புள்ளி)