காந்தம் எப்படி மின்சாரம் உருவாக்குகிறது?
காந்தங்களிடமிருந்து நேரடியாக மின் ஆற்றல் உற்பத்தியாவதில்லை என்பது பலருக்கும் தெரியாத உண்மை. உண்மையில், மின்விலகல் அல்லது மின் தூண்டல் (Electromagnetic Induction) எனப்படும் அறிவியல் நிகழ்வின் மூலமே மின் ஆற்றல் உற்பத்தியாகின்றது. இந்த அடிப்படை கோட்பாடு நமது அன்றாட வாழ்வில் பயன்படுத்தும் பெரும்பாலான மின் உபகரணங்களின் செயல்பாட்டிற்கு அடித்தளமாக அமைகிறது.
மின் தூண்டல் – அறிவியல் பின்னணி
ஒரு கம்பி அல்லது கடத்தியின் உள்ளே நிலையாக இருக்கும் எலெக்ட்ரான்கள், அதன் அருகே ஒரு காந்தம் விசையுடன் வந்து விலகும்போது அசைவுக்கு உள்ளாகின்றன. இந்த அசைவானது கடத்தியின் முன்னும், பின்னும் எலெக்ட்ரான்களை நகர்த்தி இயக்கசக்தியாக மாற்றுகிறது. அப்போது உண்டாகும் “ஹோல்ஸ்” எனப்படும் எலெக்ட்ரானின் திசைக்கு எதிர்திசையில் நகரும் சக்தியினால் மின்னாற்றல் உற்பத்தியாகின்றது.
இந்த அடிப்படை விதியைக் கண்டறிந்தவர் மைக்கேல் பாரடே என்ற பிரிட்டிஷ் விஞ்ஞானி. 1831-ஆம் ஆண்டில் அவர் மேற்கொண்ட ஆய்வுகளின் மூலம் காந்தப்புலத்தின் மாற்றம் எப்படி மின்னோட்டத்தை உருவாக்குகிறது என்பதை நிரூபித்தார்.
பாரடேயின் வலக்கை விதி என்றால் என்ன?
பாரடேயின் வலக்கை விதிப்படி, ஒரு கம்பியின் அருகே விசையுடன் காந்தத்தைக் கொண்டு செல்லும்போது, கட்டை விரலின் திசையில் எலெக்ட்ரான்கள் நகரும். இந்த விதி மின்னியலில் மிக முக்கியமான ஒன்றாகக் கருதப்படுகிறது.
இந்த விதியை விளக்க ஒரு எளிய உதாரணம்:
- உங்கள் வலது கையை நீட்டி, கட்டை விரலை மேல்நோக்கி வைத்துக்கொள்ளுங்கள்
- அடுத்து, சுட்டு விரலை காந்தப்புல திசையில் நீட்டுங்கள்
- இப்போது நடு விரல் காட்டும் திசையே மின்னோட்டத்தின் திசையாகும்
இந்த எளிய வழிமுறை மூலம், காந்தத்தினால் தூண்டப்படும் மின்னோட்டத்தின் திசையை நாம் கணிக்க முடியும்.
மின்சார உற்பத்தியில் காந்தங்களின் பங்கு
அவ்வாறு ஒரு கடத்தியில் தூண்டப்படும் எலெக்ட்ரான்கள், அதனுடன் மின்சுற்றுப்பாதையில் இணைக்கப்பட்டுள்ள மின்சார பொருள்களையும் சேர்த்து இயங்கவைத்து ஆற்றலை உண்டுசெய்கின்றன. இந்த செயல்முறை தான் நம் அன்றாட வாழ்வில் பயன்படுத்தும் பெரும்பாலான மின் உற்பத்தி நிலையங்களில் நடைபெறுகிறது.
காந்தத்தின் மூலம் மின்சாரம் உற்பத்தி செய்யும் முக்கிய கருவி மின்னாக்கி (Generator) ஆகும். அதில் இரண்டு முக்கிய பாகங்கள் உள்ளன:
- ஸ்டேட்டர் (Stator): நிலையான காந்தங்கள் அல்லது காந்த புலத்தை உருவாக்கும் கம்பிச்சுருள்கள்
- ரோட்டர் (Rotor): சுழலும் கடத்திகள் கொண்ட பகுதி
ரோட்டர் சுழலும்போது, அதிலுள்ள கடத்திகள் காந்தப்புலத்தை வெட்டுகின்றன. இதன் விளைவாக மின்னோட்டம் தூண்டப்படுகிறது.
நேர்திசை மற்றும் மாறுதிசை மின்னோட்டம்
மின் உற்பத்தியின் போது ஒரு முக்கியமான விஷயம் என்னவென்றால், உற்பத்தியாகும் மின்சாரத்தின் வகையானது காந்தத்தின் அமைப்பைப் பொறுத்து மாறுபடும்:
- நேர்திசை மின்னோட்டம் (DC – Direct Current): ஒரு கடத்தியினை வடதுருவம் மட்டுமோ அல்லது தென்துருவம் மட்டுமோ வெட்டும்படியாக அமைக்கப்பட்டால் நேர்திசை மின்சாரம் உற்பத்தியாகும். இதில் மின்னோட்டமானது ஒரே திசையில் பாய்கிறது.
- மாறுதிசை மின்னோட்டம் (AC – Alternating Current): இரு துருவங்களும் மாறி மாறி வெட்டும்படியாக கடத்தி அமைக்கப்பட்டால் மாறுதிசை மின்னோட்டம் உற்பத்தியாகும். இதில் மின்னோட்டத்தின் திசை அடிக்கடி மாறிக்கொண்டே இருக்கும்.
நம் வீடுகளில் பயன்படுத்தும் மின்சாரம் பெரும்பாலும் மாறுதிசை மின்னோட்டம் ஆகும். இந்தியாவில் 50 ஹெர்ட்ஸ் (Hz) அதிர்வெண் கொண்ட மாறுதிசை மின்னோட்டம் பயன்படுத்தப்படுகிறது, அதாவது ஒரு வினாடியில் 50 முறை மின்னோட்டத்தின் திசை மாறுகிறது.
மின் உற்பத்தியில் புதிய தொழில்நுட்பங்கள்
தற்போதைய அறிவியல் முன்னேற்றத்தால், காந்தவியல் அடிப்படையிலான மின் உற்பத்தியில் பல புதிய தொழில்நுட்பங்கள் அறிமுகமாகியுள்ளன:
நியோடிமியம் காந்தங்கள்
நியோடிமியம் (Neodymium) என்ற அரிய பூமி உலோகத்தால் செய்யப்பட்ட காந்தங்கள் மிகவும் சக்திவாய்ந்தவை. இவை சிறிய அளவிலான மின்னாக்கிகளில் அதிக திறனுடன் மின்சாரம் உற்பத்தி செய்ய உதவுகின்றன. இந்த காந்தங்கள் காற்றாலை மற்றும் சூரிய ஒளி மின் உற்பத்தி போன்ற புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றல் துறைகளில் பரவலாகப் பயன்படுகின்றன.
சூப்பர் கண்டக்டிங் காந்தங்கள்
மிகக் குறைந்த வெப்பநிலையில் (கிட்டத்தட்ட பூஜ்ய கெல்வின்) மின்தடையை முற்றிலும் இழக்கும் பொருட்களால் ஆன காந்தங்கள் இவை. இவை மிகப்பெரிய மின் உற்பத்தி நிலையங்களிலும், ஆராய்ச்சி துறைகளிலும் பயன்படுத்தப்படுகின்றன. இவற்றின் மூலம் உருவாக்கப்படும் வலுவான காந்தப்புலங்கள் அதிக திறனுள்ள மின்சாரத்தை உற்பத்தி செய்ய உதவுகின்றன.
காந்த மின் தூண்டலின் அன்றாட பயன்பாடுகள்
நமது அன்றாட வாழ்வில் காந்த மின் தூண்டல் கோட்பாடு பல வழிகளில் பயன்படுத்தப்படுகிறது:
மின் உற்பத்தி நிலையங்கள்
அனல் மின் நிலையங்கள், நீர் மின் நிலையங்கள், அணு மின் நிலையங்கள் போன்ற அனைத்து வகையான மின் உற்பத்தி நிலையங்களிலும் இறுதியில் மின்சாரம் உற்பத்தி செய்ய காந்த மின் தூண்டலே பயன்படுகிறது. வெவ்வேறு வகையான ஆற்றல் மூலங்கள் (நிலக்கரி, நீர், அணுக்கரு) மூலம் டர்பைன்களை சுழற்றி, அவை மின்னாக்கிகளை இயக்குகின்றன.
மின்மாற்றிகள் (Transformers)
மின்மாற்றிகள் மாறுதிசை மின்னோட்டத்தின் மின்னழுத்தத்தை உயர்த்தவோ அல்லது குறைக்கவோ பயன்படுகின்றன. இவை மின் தூண்டல் கோட்பாட்டின் அடிப்படையில் செயல்படுகின்றன. மின்மாற்றிகள் இல்லாமல் தொலைதூரத்திற்கு மின்சாரத்தை அனுப்புவது மிகவும் கடினமானதாக இருக்கும்.
மோட்டார் வாகனங்கள்
கார்கள், மோட்டார் சைக்கிள்கள் போன்ற வாகனங்களில் உள்ள ஆல்டர்னேட்டர் (alternator) என்ற கருவி, என்ஜின் இயங்கும்போது மின்சாரத்தை உற்பத்தி செய்கிறது. இது வாகனத்தின் பேட்டரியை சார்ஜ் செய்வதோடு, வாகனத்தின் மின் சாதனங்களுக்கும் மின்சாரம் அளிக்கிறது.
மின்மோட்டார்கள்
மின்மோட்டார்கள் மின்சாரத்தை இயந்திர ஆற்றலாக மாற்றுகின்றன. இவை மின் தூண்டல் விதியின் தலைகீழ் செயல்பாட்டின் அடிப்படையில் வேலை செய்கின்றன. மின்விசிறி, வாஷிங் மெஷின், மிக்ஸி போன்ற பல வீட்டு உபகரணங்களில் மின்மோட்டார்கள் உள்ளன.
புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றல் துறையில் காந்த மின் தூண்டலின் பங்கு
தற்போது புதுப்பிக்கத்தக்க ஆற்றல் துறையில் காந்த மின் தூண்டல் கோட்பாடு மிக முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது:
காற்றாலை ஆற்றல்
காற்றாலைகளில் காற்றின் மூலம் விசிறிகள் சுழற்றப்படுகின்றன. இந்த சுழற்சி ஒரு மின்னாக்கியை இயக்கி மின்சாரம் உற்பத்தி செய்கிறது. இங்கும் காந்த மின் தூண்டல் கோட்பாடே பயன்படுகிறது.
சூரிய ஒளி ஆற்றல்
சூரிய ஒளி மின் தகடுகள் (Solar Panels) சூரிய ஒளியை நேரடியாக மின்சாரமாக மாற்றுகின்றன. ஆனால் அவற்றிலிருந்து கிடைக்கும் மின்சாரம் நேர்திசை மின்னோட்டம் (DC). இதனை மாறுதிசை மின்னோட்டமாக (AC) மாற்ற இன்வெர்ட்டர்கள் பயன்படுகின்றன. இந்த இன்வெர்ட்டர்களிலும் காந்த மின் தூண்டல் விதி பயன்படுகிறது.
நீரோட்ட மின் உற்பத்தி
கடல் அலைகள், ஓதங்கள் அல்லது நதி நீரோட்டத்தின் மூலம் டர்பைன்களை சுழற்றி மின்சாரம் உற்பத்தி செய்யும் தொழில்நுட்பங்களிலும் காந்த மின் தூண்டல் கோட்பாடே அடிப்படையாக உள்ளது.
எதிர்கால வாய்ப்புகள்
காந்த மின் தூண்டல் அடிப்படையிலான மின் உற்பத்தி துறையில் பல புதிய ஆராய்ச்சிகள் நடைபெற்று வருகின்றன:
காந்த ஆற்றல் சேமிப்பு
மின்சாரத்தை காந்த ஆற்றலாக சேமித்து வைக்கும் தொழில்நுட்பங்கள் உருவாகி வருகின்றன. இதற்கு சூப்பர் கண்டக்டிங் காந்த ஆற்றல் சேமிப்பு (SMES – Superconducting Magnetic Energy Storage) என்று பெயர்.
மேக்னெடோ ஹைட்ரோடைனமிக் ஜெனரேட்டர் (MHD)
இந்த தொழில்நுட்பத்தில், உயர் வெப்பநிலையில் உள்ள பிளாஸ்மா (plasma) நேரடியாக காந்தப்புலத்தின் வழியே பாய்ச்சப்பட்டு மின்சாரம் உற்பத்தி செய்யப்படுகிறது. இது வழக்கமான மின்னாக்கிகளை விட அதிக திறனுடன் செயல்படும் வாய்ப்புள்ளது.
காந்தங்களிலிருந்து நேரடியாக மின்சாரம் உற்பத்தியாவதில்லை என்றாலும், காந்தப்புலத்தின் மாற்றத்தால் ஏற்படும் மின் தூண்டல் கோட்பாடு நமது அன்றாட வாழ்க்கையில் மிக முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது. நவீன உலகின் அடித்தளமாக விளங்கும் மின்சார உற்பத்தி மற்றும் பயன்பாட்டில், மைக்கேல் பாரடேயின் இந்த அற்புதமான கண்டுபிடிப்பு தொடர்ந்து முக்கிய பங்கு வகிக்கிறது.
இன்றைய தொழில்நுட்ப முன்னேற்றங்களால், காந்த மின் தூண்டல் கோட்பாட்டை அடிப்படையாகக் கொண்ட புதிய, திறன்மிக்க மற்றும் சுற்றுச்சூழலுக்கு உகந்த மின் உற்பத்தி முறைகள் தொடர்ந்து உருவாகி வருகின்றன. எதிர்காலத்தில், இந்த அடிப்படை அறிவியல் கோட்பாடு இன்னும் பல புதுமையான தொழில்நுட்பங்களுக்கு வழிவகுக்கும் என்பதில் ஐயமில்லை.