ধরা যাক, বিদ্যুৎপ্রবাহ মূলত চালিত হয় ইলেকট্রনের গতিতে (অনেক ক্ষেত্রে)। অনেকে মনে করেন সুইচ টিপলে পরিবাহী তারে ইলেকট্রন প্রবাহিত হবে এবং সেই ইলেকট্রনের গতি আলোর গতির কাছাকাছি। সমস্যা হলো ইলেকট্রনের গতি যদি এতই বেশি হতো, তবে তারটির প্রথম বাঁকেই সব ইলেকট্রন মোড় ঘুরত না, গতি জড়তার কারণে সরাসরি বেরিয়ে যেত, অর্থাৎ পরিবাহী তারটিকে আমরা ইলেকট্রন ‘বন্দুক’ হিসেবে ব্যবহার করতে পারতাম।

আসলে পরিবাহী তারে ইলেকট্রনের গতি খুবই কম। ইলেকট্রন যখন গতিতে ভ্রমণ করে, তাকে আমরা বিদ্যুৎ বলি। আর বিদ্যুৎ (I, অ্যাম্পিয়ার) = আধান (q, চার্জ কুলম্ব)/ সময় (t, সেকেন্ড), অথবা I = dq/dt। ধাতব পরিবাহী তারে ইলেকট্রনের এই গতিকে বলা হয় তাড়ন বেগ (drift velocity)। এই তাড়ন বেগ কীভাবে সৃষ্টি হয়? এর জন্য দরকার একটি বিদ্যুৎক্ষেত্রের (electric field)। কারণ, তড়িৎক্ষেত্র ছাড়া ইলেকট্রন কোনো বল অনুভব করবে না। বল (F, নিউটন) = আধান (q, কুলম্ব) x তড়িৎক্ষেত্র (E, নিউটন/কুলম্ব), অথবা F = qE।

এবার দেখা যাক এই তাড়ন বেগের মানটা কত। তাড়ন বেগের মান সেকেন্ডে এক মিলিমিটার থেকেও কম (প্রায় ০.০৫ মিলিমিটার সেকেন্ডে)। আমাদের বৈদ্যুতিক সার্কিটটি যদি ব্যাটারিচালিত বা একমুখী তড়িৎপ্রবাহের (অর্থাৎ DC) হয়, তবে ইলেকট্রনগুলো খুব ধীরে ধীরে ব্যাটারির ঋণাত্মক (negative) দিক থেকে ধনাত্মক (positive) দিকে রওনা হয়। আর সার্কিটটি যদি পরিবর্তী বা পর্যাবৃত্ত প্রবাহের (অর্থাৎ AC) হয়, তবে ইলেকট্রনের গতিমুখ সেকেন্ডে ৫০ বা ৬০ বার (কোন দেশে আমরা আছি, তার ওপর নির্ভর করে) বদলাত। অর্থাৎ সেই ইলেকট্রনগুলো একদিকে ০.০০১ মিলিমিটারের বেশি ভ্রমণই করতে পারবে না। সে ক্ষেত্রে সুইচ দিয়ে সার্কিটের যোগাযোগ সম্পন্ন করলেই মুহূর্তের মধ্যে কেন বাতি জ্বলে উঠবে? যে ইলেকট্রনের শক্তি দিয়ে বাতি জ্বলার কথা, সেই ইলেকট্রন তো বাতির ফিলামেন্টে পৌঁছাবেই না। তাহলে কি ব্যাটারির তড়িৎ বিভব (potential difference) তারের মধ্যে কোনো বিদ্যুৎ-চুম্বকীয় তরঙ্গের সৃষ্টি করছে, যা প্রায় আলোর গতিতে ভ্রমণ করে?

default-image

অনেকে ভাবেন, তার সংযোগ করলে একটি ইলেকট্রন পরবর্তী আরেকটি ইলেকট্রনকে বিকর্ষণ করবে এবং এই বিকর্ষণ ছড়িয়ে পড়বে। এখানে সমস্যা বেশ কয়েকটি। এখানে ধরেই নেওয়া হচ্ছে, সংযোগের পরে, উৎস (যেমন ব্যাটারি বা জেনারেটর) থেকে ইলেকট্রন তারে প্রবাহিত হবে। আসলে উৎস থেকে কোনো ইলেকট্রনই তারে প্রবাহিত হয় না। এমনকি আমরা যখন ‘শক’ খাই, তার থেকে কোনো ইলেকট্রনই আমাদের শরীরে প্রবেশ করে না, বরং আমাদের শরীরের ইলেকট্রনরাই আন্দোলিত হয়। দ্বিতীয়ত, ইলেকট্রনকে যদি কোনো উৎস থেকে প্রবেশ করতেই হয়, সে জন্য একটা বিদ্যুৎক্ষেত্র প্রয়োজন, কীভাবে এই বিদ্যুৎক্ষেত্রটা সৃষ্টি হচ্ছে, সেটা এই ব্যাখ্যায় পাওয়া যায় না। তৃতীয়ত, বিদ্যুৎক্ষেত্র যদি থেকেও থাকে, সেটি ইলেকট্রনের ওপর বলপ্রয়োগ করবে এবং ইলেকট্রন ত্বরান্বিত হবে, সেই ত্বরণ যদি বেশি সময় স্থায়ী হয়, তবে ইলেকট্রন বিদ্যুৎ-চুম্বকীয় তরঙ্গ বিকিরণ করবে। অনেকে মনে করেন, সম্মুখের অন্য ইলেকট্রনগুলো এই বিকিরণে প্রভাবিত হয়ে নিজেরাই পুনর্বিকিরণ করবে। সমস্যা হলো, এই ধরনের বিকিরণ শুধু সামনের দিকেই হবে না, চারদিকে ছড়িয়ে পড়বে, পরিবাহী তারটি একটি অ্যানটেনার মতো কাজ করবে এবং খুব সহজেই শক্তি হারাবে, বিদ্যুৎ সম্মুখ দিকে প্রবাহিত হবে না। এসব সমস্যার সমাধানের একটাই উপায়, সব তারে প্রায় একই সময়ে বিদ্যুতের প্রবর্তন।

আলোচনাটা খুব সাধারণ ও সহজ রাখার জন্য আমরা একটি ব্যাটারি সম্পন্ন DC সার্কিটকে বিশ্লেষণ করব। ধরা যাক, আমাদের সার্কিটে শুধু দুটি জিনিস আছে, একটি ব্যাটারি ও একটি ফিলামেন্টের বাল্ব। ব্যাটারি ও বাল্বটি ধাতব পরিবাহী তার দিয়ে যুক্ত, তবে ধরা যাক প্রথমে সার্কিটটি খোলা, অর্থাৎ একদিকের তার ব্যাটারি থেকে বাল্বে যুক্ত নয়, সেখানে একটা সুইচ আছে, সুইচটি অফ।

ব্যাটারি এমন একটি জিনিস, যার দুটি টার্মিনালের মধ্যে একটা বিভব পার্থক্য (potential difference) থাকে, যেমন ১ দশমিক ৫ ভোল্ট বা ৯ ভোল্ট ইত্যাদি। কোনো রাসায়নিক বা যান্ত্রিক উপায়ে এই পার্থক্যটা সৃষ্টি করা সম্ভব। ধরে নেওয়া যাক ব্যাটারির পজিটিভ টারমিনালে অনেক পজিটিভ ধনাত্মক আধানের (চার্জের) সমাবেশ আর নেগেটিভ টার্মিনালে নেগেটিভ বা ঋণাত্মক আধানের সমাবেশ। আমি যদি পরিবাহী তার দিয়ে এ দুটি টার্মিনাল যুক্ত করি, তবে ঋণাত্মক আধান ধনাত্মক টার্মিনালের দিকে রওনা দেবে (এবং পজিটিভ নেগেটিভের দিকে)। ধাতুতে ঋণাত্মক ইলেকট্রন কিছুটা মুক্ত, এবং তার গতিই তড়িৎ সৃষ্টি করে।

default-image

এবার দেখা যাক ‘সুইচ অফ’ অবস্থাটি। ব্যাটারি থেকে পরিবাহী তারটি বাল্বের সঙ্গে বিযুক্ত। আমরা জানি, আধানযুক্ত পরিবাহীর মধ্যে কোনো আধান থাকতে পারে না। ধরা যাক, আমরা একটা পরিবাহীতে কিছু ধনাত্মক আধান যুক্ত করেছি। যেহেতু ধনাত্মক আধানরা একে অন্যকে পছন্দ করে না, তারা একে অপর থেকে যত দূরে যাওয়া সম্ভব যাবে এবং তারের উপরিভাগে সমদূরত্বে অবস্থান করবে। কেন তাদের তারের ভেতরে পাওয়া যাবে না? কারণ, একটি আধানও যদি গোলকের মধ্যে থাকে, সেটির একটি তড়িৎক্ষেত্র থাকবে, এবং যতক্ষণ না সেই আধানটি তারের উপরিভাগে যাচ্ছে, ততক্ষণ তারে তড়িৎ সৃষ্টি হবে, কিন্তু এ অবস্থাটি স্থায়ী হতে পারে না, কারণ, সেটা হলে আমরা বিনা পয়সায় শক্তির একটা উৎস পেতাম। এই অবস্থার আর একটি উপসংহার হলো, ওই পরিবাহী তারের মধ্যে কোনো তড়িৎক্ষেত্র থাকতে পারবে না। আসলে স্থিত অবস্থায় যেকোনো জ্যামিতির পরিবাহকের মধ্যেই কোনো বিদ্যুৎক্ষেত্র থাকবে না, তবে তার উপরিভাগে থাকতে পারে।

এবার দেখা যাক ব্যাটারির সঙ্গে পরিবাহী তার যুক্ত করলে কী হয় (ছবি: ০১)। ধনাত্মক টার্মিনাল থেকে ধনাত্মক আধান বা চার্জগুলো পরিবাহকের ত্বক বেয়ে সুইচের বিযুক্ত অংশ পর্যন্ত যাবে। অন্যদিকে ঋণাত্মক আধানরা বাল্বের ফিলামেন্ট দিয়ে অন্যদিকে বিযুক্ত অংশে পৌঁছাবে। ধনাত্মক ও ঋণাত্মক উভয় আধানরাই সমদূরত্বে পরিবাহক তারের উপরিভাগে, অর্থাৎ ত্বকে নিজেদের বিস্তৃত করে রাখবে। এখন যদি আমি ভোল্টমিটার দিয়ে ধনাত্মক ও ঋণাত্মক অংশের বিভব পার্থক্য মাপতে চাই, তাহলে ব্যাটারির যা বিভব পার্থক্য (১.৫ ভোল্ট বা ৯ ভোল্ট), ভোল্টমিটার আমাকে তা–ই দেখাবে।

এবার একটু বিস্তারিতভাবে আমরা দেখতে চাই তারের এই বিযুক্ত অংশে আধানরা নিজেদের কীভাবে সাজিয়েছে।

default-image

বিযুক্ত অংশে তারের ভেতর কী কী তড়িৎক্ষেত্র সৃষ্টি হয়েছে? এখানে তির চিহ্ন দিয়ে তড়িৎক্ষেত্র বোঝানো হয়েছে ((ছবি: ০২))। তারের ভেতর x চিহ্ন যেখানে আছে, সেখানে কী রকম তড়িৎক্ষেত্র আছে, সেটা বুঝতে আমরা আগ্রহী। যে তড়িৎক্ষেত্রগুলো ওপরের ছবিতে দেখানো হয়েছে সেগুলো সৃষ্টি হয়েছে শুধু তারের বিযুক্ত অংশে (ড্যাশ চিহ্ন দিয়ে দেখানো উপবৃত্তাকার অংশে) যে আধানগুলো আছে তাদের দ্বারাই। বিযুক্ত ধনাত্মক আধান দিয়ে বিদ্যুৎক্ষেত্রের দিক হবে বাঁ দিকে, অন্যদিকে ডান দিকের বিযুক্ত ঋণাত্মক আধান দিয়ে বিদ্যুৎক্ষেত্রের দিকও হবে বাঁ দিকে। এখানে আমরা তারের উপরি পার্শ্বের বিদ্যুৎক্ষেত্রকে অগ্রাহ্য করছি।

এবার দেখা যাক বিযুক্ত অংশ ছাড়া অন্যান্য আধান কেমন ক্ষেত্র সৃষ্টি করবে (ছবি: ০৩)। তাদের বিদ্যুৎক্ষেত্র হবে ডানমুখী। দেখাই যাচ্ছে, বিযুক্ত অংশের ক্ষেত্র ও অন্যান্য অংশ দ্বারা সৃষ্ট ক্ষেত্র একে অপরকে বিলীন করে দেবে, যাতে পরিবাহী তারের ভেতর কোনো বিদ্যুৎক্ষেত্র থাকবে না।

default-image

চার্জ বা আধানের পুনর্বিন্যাস: কিন্তু যে মুহূর্তে দুটি বিযুক্ত অংশকে এক করা হবে দুদিকের পজিটিভ ও নেগেটিভ আধান একে অপরকে নিষ্ক্রিয় করে দেবে। এর ফলে বাঁমুখী তড়িৎক্ষেত্রটি পুরো উধাও হয়ে যাবে।

আর উপরিভাগের কিছু ধনাত্মক আধান ডান দিকে সরবে আর ঋণাত্মক আধান বাঁ দিকে যাবে (ছবি: ০৪)। ফলে বাঁ দিকে ধনাত্মক আধানে ঘনত্ব কমবে ও ডান দিকে নেগেটিভ আধানের ঘনত্ব কমবে। এর ফলে ডানমুখী বিদ্যুৎক্ষেত্রটির কিঞ্চিৎ পরিবর্তন হবে এবং পরিবাহী তারের মধ্যে একটি বিদ্যুৎক্ষেত্রের আবির্ভাব হবে, যেটা আগে ছিল না।

তাহলে দেখা যাচ্ছে যে অংশটা জোড়া লাগল (ড্যাশ দিয়ে গোল অংশ), সেখানে একটা বিদ্যুৎক্ষেত্র সৃষ্টি হয়েছে এবং তারের মধ্যের ইলেকট্রনরা ইতিমধ্যে সেই বিদ্যুৎক্ষেত্রের উল্টো দিকে রওনা হবে (ছবি: ০৫)। কিন্তু জোড়া অংশের উপরিভাগের আধানদের যে পুনর্বিন্যাস হলো (যার ফলে তারের মধ্যে তড়িৎক্ষেত্র দেখা দিল) সে খবরটি তখনো তারের অন্যান্য অংশে পৌঁছায়নি। তাই সেখানে তারের ভেতর বিদ্যুৎক্ষেত্র তখনো শূন্য।

কিন্তু এই অবস্থাটা মুহূর্তমাত্র থাকে। তারের উপরিভাগের আধানের পুনর্বিন্যাস প্রায় আলোর গতিতে জোড়া অংশের দুদিকে ভ্রমণ করবে এবং সঙ্গে সঙ্গে ওই সব অংশে বিদ্যুৎক্ষেত্র সৃষ্টি করবে। তারের ওপরে আধান সমসত্ত্বভাবে আর থাকবে না। আর যেহেতু সমসত্ত্বভাবে থাকবে না, সে জন্য তারের ভেতর সব জায়গায় বিদ্যুৎক্ষেত্র সৃষ্টি হবে প্রায় আলোর গতিতে। সাধারণত এই বিদ্যুৎক্ষেত্রের মান খুবই কম, যেহেতু ঋণাত্মক আধান ইলেকট্রনের পরিমাণ অনেক, সে জন্য বিদ্যুৎ বা কারেন্টের পরিমাণ বেশ বড়।

তাই বিযুক্ত অংশকে জোড়া লাগানোমাত্র বাল্বে আলো জ্বলে উঠল (ছবি: ০৬)। কারণ, বাল্বের ফিলামেন্টের ইলেকট্রনগুলো বিদ্যুৎক্ষেত্র দিয়ে তাড়িত হয়ে চলা শুরু করামাত্র ফিলামেন্ট তাদের শক্তি গ্রহণ করে উত্তপ্ত হয়ে উঠল এবং সেই উত্তাপে আলো বিকিরণ করতে লাগল। ঠিক কীভাবে এই আলো বিকিরিত হয়, সেটা আরেক দিনের আলোচ্য বিষয় হতে পারে।

তাহলে মূল ব্যাপারটা হলো সার্কিটকে যুক্ত করামাত্র পরিবাহী তারের ওপরের আধানের পুনর্বিন্যাস (redistribution) ঘটে মুহূর্তের মধ্যে প্রায় আলোর গতিতে। এর ফলে তারের মধ্যে, প্রতিটি বিন্দুতে, তড়িৎক্ষেত্রের আবির্ভাব ঘটে। সেই তড়িৎক্ষেত্র ধাতব পরিবাহীতে ইলেকট্রনকে চলমান করতে বাধ্য করে। একটি একমুখী DC সার্কিটে আধানের পুনর্বিন্যাস হয়ে আধানগুলোর অবস্থান স্থির হয়ে যাবে এবং তারের মধ্যের ইলেকট্রনরা খুব আস্তে, প্রায় শূন্য দশমিক ০৫ মিলিমিটার বেগে ভ্রমণ করবে, কিন্তু সেই ভ্রমণ একদিকে হলেও কিছুটা বিক্ষিপ্তভাবে, বিভিন্ন পরমাণুতে ‌‘ধাক্কা’ খেতে খেতে হবে। এই ধাক্কার পরিমাণ বাল্বের ফিলামেন্টে বেশি হয়, যার ফলে ফিলামেন্ট দ্রুত উত্তপ্ত হয়ে ওঠে ও আলো বিকিরণ করে।

অন্যদিকে একটি পরিবর্তী AC সার্কিটে ইলেকট্রনগুলো দূরে কোথাও যাবে না, বরং পর্যাবৃত্ত আন্দোলন করতে থাকবে। তাদের বিস্তার (amplitude) হবে মাত্র শূন্য দশমিক ০০১ মিলিমিটার। কিন্তু যেটা গুরুত্বপূর্ণ সেটা হলো, সুইচ অন করামাত্র এই আন্দোলনের সূত্রপাত হবে। আর এই AC সার্কিটে তারের উপরিভাগে আধানের পুনর্বিন্যাস হবে সেকেন্ডে ৫০ বা ৬০ বার। কাজেই তারের ভেতরের ইলেকট্রন প্রবাহ নয়, পরিবাহী তারের উপরিস্থিত আধানের দ্রুত পুনর্বিন্যাসই তড়িতের তড়িৎ উপস্থিতি সৃষ্টি করে।

সারসংক্ষেপ: তড়িৎ পরিবাহী তারের মধ্যে আধানের (চার্জের) গতি আছে, কিন্তু সেই গতির মান খুবই কম। অথচ আধানের সেই শ্লথ গতিকেই আমরা তড়িৎ বলি। তাহলে সুইচ টেপামাত্র আলো কেন জ্বলে ওঠে? তারের ভেতর আধান তখনই গতি পায়, যখন সেখানে একটা তড়িৎক্ষেত্র বা electric field সৃষ্টি হয়। সুইচ অন করামাত্র এই ক্ষেত্রটা সৃষ্টি হয়। কীভাবে সেটা হয়? তার জন্য তারের উপরিভাগের আধান দায়ী। যে মুহূর্তে সুইচ অন করা হয়, সেই মুহূর্তে তারের উপরিস্থিত আধানরা নিজেদের এমনভাবে পুনর্বিন্যস্ত (redistribute) করে, যাতে তারের ভেতর বিদ্যুৎক্ষেত্র সৃষ্টি হয়। কোনো DC সার্কিটে এই পুনর্বিন্যাসের ফলে তারের উপরিভাগে আধানের অবস্থানের পরিবর্তন একবারই হবে। উপরিস্থিত এই আধানরা নিজেদের নতুন অবস্থানে থেকে তারের ভেতর বিদ্যুৎক্ষেত্র সৃষ্টি করবে, যা কিনা তারের ভেতরের আধানকে চলতে সাহায্য করবে। সেই চলাটাই বিদ্যুৎ।

লেখক: শিক্ষক ও গবেষক, রিভারসাইড কলেজ, ক্যালিফোর্নিয়া, যুক্তরাষ্ট্র

সূত্র: ১) ম্যাটার অ্যান্ড ইন্টারঅ্যাকশন, রাথ ডব্লুউ চাবে ও এ. শেরউড

২) দ্য ফাইনম্যান লেকচার অব ফিজিকস, ভলিউম ২
৩) ইনট্রোডাকশন টু ইলেকট্রোডাইনামিকস

পদার্থবিজ্ঞান থেকে আরও পড়ুন
মন্তব্য করুন