अध्याय 05: ध्वनि, तरंगें, विद्युत और चुंबकत्व — परिपथ, विद्युतचुम्बकत्व, अनुप्रयोग

अक्षर आकार

सार

इस अध्याय में आप क्या सीखेंगे?

तरंग यांत्रिकी का वर्गीकरण: यांत्रिक बनाम विद्युतचुम्बकीय तरंगें, अनुदैर्ध्य (Longitudinal — ध्वनि व P-तरंगें) बनाम अनुप्रस्थ (Transverse — प्रकाश व S-तरंगें) तरंगों का मूलभूत अंतर (UPSC Prelims 2023)।
ध्वनि विज्ञान (Acoustics): अवश्रव्य ($<20\text{ Hz}$), श्रव्य ($20\text{ Hz}\text{–}20\text{ kHz}$) व पराश्रव्य ($>20\text{ kHz}$) तरंगें; माध्यम, ताप व आर्द्रता का ध्वनि की चाल पर प्रभाव; तारत्व, प्रबलता (डेसीबल), प्रतिध्वनि, डॉप्लर प्रभाव और मैक संख्या (Subsonic, Supersonic, Hypersonic)।
विद्युत धारा एवं परिपथ (Electricity & Circuits): ओम का नियम, प्रतिरोधकता, श्रेणीक्रम बनाम समानांतर परिपथ, जूल का तापन नियम (फ्यूज तार, नाइक्रोम, टंगस्टन), प्रत्यावर्ती धारा (AC — $50\text{ Hz}$) बनाम दिष्ट धारा (DC) और तीन-पिन अर्थिंग सुरक्षा।
चुंबकत्व एवं विद्युतचुम्बकत्व: प्रतिचुंबकीय, अनुचुंबकीय व लौहचुंबकीय पदार्थ, क्यूरी तापमान, फैराडे का विद्युतचुम्बकीय प्रेरण (जनरेटर, ट्रांसफॉर्मर, इंडक्शन चूल्हा, वायरलेस चार्जिंग, भँवर धाराएँ) और अतिचालकता (मेसनर प्रभाव व मैग्लेव)।
भू-चुंबकत्व एवं अंतरिक्ष मौसम (Space Weather): पृथ्वी का जियोडायनेमो, चुंबकीय ध्रुव उत्क्रमण (UPSC 2018), सौर प्रज्वाल (Solar Flares), कोरोनल मास इजेक्शन (CME), भू-चुंबकीय तूफान के प्रभाव (UPSC 2022) और ध्रुवीय ज्योति (Aurora Borealis/Australis — Mains 2024)।
भारत-केंद्रित एवं समसामयिक अनुप्रयोग (2025–2026): नवीकरणीय ऊर्जा निकासी हेतु भारत की $\pm 800\text{ kV}$ HVDC पारेषण लाइनें, DRDO के स्वदेशी नौसैनिक सोनार व स्वायत्त अंडरवाटर वाहन (MP-AUVs 2025–2026) और स्वदेशी 1.5T सुपरकंडक्टिंग MRI।

खंड 01

विषय का आधार: तरंगें क्या हैं, अनुदैर्ध्य और अनुप्रस्थ तरंगों में क्या अंतर है और ध्वनि कैसे संचरित होती है?

1.1 तरंग गति (Wave Motion): पदार्थ के स्थानांतरण के बिना ऊर्जा का संचरण

जब हम शांत तालाब में पत्थर फेंकते हैं, तो लहरें किनारे तक जाती हैं, पर पानी पर तैरता कागज का टुकड़ा अपने ही स्थान पर ऊपर-नीचे डोलता रहता है। अर्थात् तरंग (Wave) किसी माध्यम में उत्पन्न वह विक्षोभ (Disturbance) है जो माध्यम के कणों के वास्तविक स्थायी स्थानांतरण के बिना ऊर्जा और संवेग को एक स्थान से दूसरे स्थान तक ले जाता है। किसी भी तरंग की चाल ($v$), आवृत्ति ($\nu$ या $f$) और तरंगदैर्ध्य ($\lambda$) के बीच सार्वत्रिक संबंध है: $v = \nu \cdot \lambda$ (जहाँ आवृत्ति $\nu = 1/T$)।

1.2 अनुदैर्ध्य तरंगें (Longitudinal Waves) बनाम अनुप्रस्थ तरंगें (Transverse Waves) — UPSC Prelims 2023

माध्यम के कणों के कंपन की दिशा के आधार पर तरंगों को दो प्रमुख वर्गों में बाँटा जाता है, जिस पर UPSC प्रारंभिक परीक्षा 2023 में सीधा प्रश्न पूछा गया:

सारणी 1.1: अनुदैर्ध्य तरंगों और अनुप्रस्थ तरंगों के बीच परीक्षा-उन्मुख तुलना
तुलना का आधार	1. अनुदैर्ध्य तरंगें (Longitudinal Waves)	2. अनुप्रस्थ तरंगें (Transverse Waves)
कणों के कंपन की दिशा	माध्यम के कण तरंग संचरण की दिशा के समानांतर (आगे-पीछे / To and fro in the direction of propagation) कंपन करते हैं।	माध्यम के कण तरंग संचरण की दिशा के लंबवत / समकोण पर (Up and down at right angles to propagation) कंपन करते हैं।
तरंग का स्वरूप	ये माध्यम में एकांतर क्रम से उच्च दाब के संपीडन (Compression) और निम्न दाब के विरलन (Rarefaction) बनाते हुए चलती हैं।	ये एकांतर क्रम से उभार अर्थात् श्रृंग (Crest) और गर्त अर्थात् द्रोणी (Trough) बनाते हुए चलती हैं।
गमन माध्यम (Medium)	ये ठोस, द्रव और गैस — तीनों माध्यमों में गमन कर सकती हैं (क्योंकि तीनों में आयतन प्रत्यास्थता / Bulk modulus होता है)।	यांत्रिक अनुप्रस्थ तरंगें केवल ठोसों में और द्रवों की मुक्त सतह पर ही चल सकती हैं; द्रव के भीतर या गैसों में नहीं (क्योंकि तरल में अपरूपण दृढ़ता / Shear modulus नहीं होता)। (नोट: प्रकाश जैसी विद्युतचुम्बकीय अनुप्रस्थ तरंगें निर्वात में भी चलती हैं)।
ध्रुवण (Polarization)	इनका ध्रुवण नहीं किया जा सकता।	इनका ध्रुवण किया जा सकता है।
प्रमुख उदाहरण	• वायु में ध्वनि तरंगें (Sound waves)। • भूकंप की प्राथमिक तरंगें (P-waves) — सर्वाधिक वेग, ठोस व तरल बाह्य क्रोड दोनों को पार करती हैं (UPSC 2023)। • स्प्रिंग को खींचकर छोड़ने पर बनी तरंगें।	• भूकंप की द्वितीयक तरंगें (S-waves) — द्रव बाह्य क्रोड में लुप्त हो जाती हैं। • तनी हुई डोरी (सितार/गिटार) और जल की सतह की लहरें। • सभी विद्युतचुम्बकीय तरंगें (प्रकाश, रेडियो, एक्स-रे)।

1.3 ध्वनि तरंगों का आवृत्ति वर्गीकरण: अवश्रव्य, श्रव्य और पराश्रव्य

1. अवश्रव्य तरंगें (Infrasonic: < 20 Hz) मानव कान इन्हें नहीं सुन सकता। स्रोत व संवेदन: भूकंपीय तरंगें, ज्वालामुखी विस्फोट, सुनामी, हिमस्खलन। हाथी, गैंडा और व्हेल अवश्रव्य ध्वनि से लंबी दूरी तक संवाद करते हैं और भूकंप से पूर्व हलचल महसूस कर लेते हैं।

2. श्रव्य तरंगें (Audible: 20 Hz – 20,000 Hz) मानव कान केवल इसी परास (20 Hz से 20 kHz) को सुन सकता है। मानव कान की सर्वाधिक संवेदनशीलता $1,000\text{ Hz}\text{–}4,000\text{ Hz}$ के बीच होती है। उम्र बढ़ने के साथ उच्च आवृत्ति सुनने की क्षमता घटती है।

3. पराश्रव्य तरंगें (Ultrasonic: > 20 kHz) मानव कान नहीं सुन सकता, पर चमगादड़ (Bats), डॉल्फ़िन, कुत्ते और पोरपॉइज़ इन्हें सुन व उत्पन्न कर सकते हैं। उपयोग: SONAR, सोनोग्राफी (USG), इकोकार्डियोग्राफी, गुर्दे की पथरी तोड़ना (Lithotripsy) और धातुओं में सूक्ष्म दरारों की जाँच (NDT)।

खंड 02

परीक्षा-स्तरीय पूर्ण विस्तार: ध्वनि की चाल, मैक संख्या, विद्युत परिपथ, चुंबकत्व, विद्युतचुम्बकीय प्रेरण और भू-चुंबकीय तूफान

2.1 विभिन्न माध्यमों में ध्वनि की चाल और उस पर ताप, दाब व आर्द्रता का प्रभाव

ध्वनि एक यांत्रिक तरंग है, इसलिए निर्वात (Vacuum — जैसे चंद्रमा की सतह या बाह्य अंतरिक्ष) में ध्वनि की चाल शून्य होती है (अंतरिक्ष यात्री चंद्रमा पर बिना रेडियो सेट के एक-दूसरे की बात नहीं सुन सकते)। किसी माध्यम में ध्वनि की चाल माध्यम की प्रत्यास्थता ($E$) और घनत्व ($\rho$) पर निर्भर करती है ($v = \sqrt{E/\rho}$):

ध्वनि की चाल का क्रम: ठोस (सर्वाधिक) > द्रव > गैस (न्यूनतम)
उदाहरण ($20^\circ\text{C}$ पर): एल्युमिनियम ($6420\text{ m/s}$) > स्टील/लोहा ($5960\text{ m/s}$) > समुद्री जल ($1531\text{ m/s}$) > शुद्ध जल ($1498\text{ m/s}$) > वायु ($343\text{ m/s}$; $0^\circ\text{C}$ पर $331\text{ m/s}$)

⚠️ वायु में ध्वनि की चाल पर भौतिक कारकों का प्रभाव — 3 क्लासिक UPSC Prelims Traps

दाब का प्रभाव (Pressure — कोई प्रभाव नहीं!): यदि वायु का तापमान स्थिर रहे, तो वायुमंडलीय दाब बढ़ाने या घटाने से वायु में ध्वनि की चाल पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता (क्योंकि दाब $P$ बढ़ने से घनत्व $\rho$ भी उसी अनुपात में बढ़ जाता है और अनुपात $\gamma P / \rho = \gamma RT/M$ अचर रहता है)।
तापमान का प्रभाव (Temperature): तापमान बढ़ाने पर वायु में ध्वनि की चाल बढ़ती है ($v \propto \sqrt{T}$; प्रति $1^\circ\text{C}$ ताप बढ़ने पर वायु में ध्वनि की चाल लगभग $0.61\text{ m/s}$ बढ़ जाती है)।
आर्द्रता का प्रभाव (Humidity — शुष्क बनाम नम वायु): लोगों को लगता है कि नम (आर्द्र) हवा भारी होती है, पर वास्तव में जलवाष्प ($\text{H}_2\text{O}$, अणुभार $= 18$) शुष्क वायु ($\text{N}_2 = 28, \text{O}_2 = 32$, औसत अणुभार $\approx 29$) से हल्की होती है! इसलिए वायु में नमी बढ़ने पर वायु का घनत्व घट जाता है और शुष्क वायु की तुलना में आर्द्र (नम) वायु में ध्वनि की चाल अधिक होती है (इसीलिए बरसात के दिनों में ट्रेन की सीटी दूर तक सुनाई देती है)।

2.2 ध्वनि के अभिलक्षण, प्रतिध्वनि, डॉप्लर प्रभाव और मैक संख्या (Mach Number)

तारत्व (Pitch) बनाम प्रबलता (Loudness) बनाम गुणता (Timbre):
- तारत्व (Pitch — आवाज का पतला या मोटा होना): यह पूर्णतः ध्वनि की आवृत्ति (Frequency) पर निर्भर करता है। महिलाओं, बच्चों और मच्छर की भिनभिनाहट का तारत्व (आवृत्ति) अधिक होता है, जबकि शेर की दहाड़ का तारत्व कम और प्रबलता अधिक होती है।
- प्रबलता / तीव्रता (Loudness / Intensity): यह ध्वनि तरंग के आयाम के वर्ग ($I \propto A^2$) पर निर्भर करती है। ध्वनि स्तर को लघुगणकीय पैमाने डेसीबल (Decibel — dB) में मापा जाता है (प्रत्येक $10\text{ dB}$ बढ़ने पर ध्वनि की तीव्रता $10$ गुना बढ़ जाती है)। सामान्य बातचीत $\approx 50\text{–}60\text{ dB}$; WHO के अनुसार दिन में $55\text{ dB}$ व रात में $45\text{ dB}$ सुरक्षित सीमा है, तथा $80\text{ dB}$ से ऊपर की ध्वनि शोर प्रदूषण (Noise Pollution) मानी जाती है।
- गुणता (Quality / Timbre): समान तारत्व और समान प्रबलता होने पर भी बाँसुरी और सितार की ध्वनि को अलग पहचानने का गुण, जो सन्नादियों (Overtones / Waveform) पर निर्भर करता है।
प्रतिध्वनि (Echo) और अनुरणन (Reverberation): मानव मस्तिष्क में किसी ध्वनि की संवेदना लगभग $0.1\text{ सेकंड}$ तक बनी रहती है। अतः स्पष्ट प्रतिध्वनि (Echo) सुनने के लिए परावर्तक सतह की न्यूनतम दूरी $d = \frac{v \times t}{2} = \frac{344 \times 0.1}{2} \approx \mathbf{17.2\text{ मीटर}}$ (लगभग $17\text{ m}$) होनी चाहिए। सिनेमा हॉल और ऑडिटोरियम में बार-बार परावर्तन से ध्वनि के गूँजने (अनुरणन / Reverberation) को रोकने के लिए दीवारों पर ध्वनि-अवशोषक छिद्रयुक्त फाइबरबोर्ड और पर्दे लगाए जाते हैं।
मैक संख्या ($\text{Mach Number} = \frac{\text{पिंड की चाल}}{\text{उसी माध्यम में ध्वनि की चाल}}$) एवं प्रघाती तरंगें (Sonic Boom):
- सबसोनिक (Subsonic): $\text{Mach} < 1$ (जैसे यात्री विमान $\approx 0.8\text{ Mach}$ और निर्भय क्रूज़ मिसाइल)।
- ट्रांसोनिक (Transonic): $\text{Mach} \approx 0.8\text{–}1.2$।
- सुपरसोनिक (Supersonic): $\text{Mach } 1.2\text{ से }5$ (जैसे भारत की ब्रह्मोस क्रूज़ मिसाइल $\approx 2.8\text{–}3.0\text{ Mach}$ और राफेल/तेजस लड़ाकू विमान)।
- हाइपरसोनिक (Hypersonic): $\text{Mach} > 5$ (ध्वनि की चाल से 5 गुना से अधिक—जैसे DRDO का HSTDV और लंबी दूरी की हाइपरसोनिक ग्लाइड मिसाइलें)। जब कोई विमान ध्वनि की चाल ($\text{Mach } 1$) को पार करता है, तो वह उच्च-दाब की शंक्वाकार प्रघाती तरंगें (Shock waves) बनाता है जिसकी विस्फोट जैसी आवाज को 'सोनिक बूम' (Sonic Boom) कहते हैं।

2.3 विद्युत धारा, परिपथ नियम, घरेलू वायरिंग और अतिचालकता (Superconductivity)

ओम का नियम ($V = I \cdot R$) और प्रतिरोध ($R = \rho \frac{L}{A}$): किसी चालक तार की लंबाई ($L$) बढ़ाने पर प्रतिरोध बढ़ता है और अनुप्रस्थ काट का क्षेत्रफल ($A$ — तार की मोटाई) बढ़ाने पर प्रतिरोध घटता है।
तापमान का प्रतिरोध पर प्रभाव (Prelims High-Yield): तापमान बढ़ाने पर धातुओं (Conductors) का प्रतिरोध बढ़ता है, किंतु अर्धचालकों (Semiconductors — जैसे सिलिकॉन, जर्मेनियम) और विद्युत-अपघट्यों का प्रतिरोध ताप बढ़ाने पर घटता है (चालकता बढ़ती है)!
घरेलू विद्युत परिपथ (समानांतर बनाम श्रेणीक्रम):
- घर के सभी उपकरण (पंखा, बल्ब, फ्रिज, टीवी) मुख्य लाइन से सदैव समानांतर क्रम (Parallel Combination) में जोड़े जाते हैं ताकि: (1) प्रत्येक उपकरण को समान वोल्टेज ($220\text{–}230\text{ V}, 50\text{ Hz}$) मिले; और (2) एक उपकरण बंद करने या खराब होने पर अन्य उपकरण चलते रहें।
- विद्युत फ्यूज (Fuse) और MCB: सुरक्षा फ्यूज को सदैव विद्युन्मय तार (Live Wire) के साथ श्रेणीक्रम (Series) में लगाया जाता है। फ्यूज तार (सीसा + टिन मिश्रधातु: $63\%\text{ Sn} + 37\%\text{ Pb}$) का प्रतिरोध उच्च और गलनांक अत्यंत निम्न (Low melting point) होता है, ताकि ओवरलोडिंग या शॉर्ट-सर्किट होने पर जूल तापन ($H = I^2 R t$) से वह तुरंत पिघलकर परिपथ तोड़ दे।
- हीटर बनाम बल्ब तंतु: हीटर/गीज़र की कुंडली नाइक्रोम ($\text{Ni} + \text{Cr} + \text{Fe}$) की बनाई जाती है (उच्च प्रतिरोध + उच्च गलनांक + गर्म होने पर ऑक्सीकृत नहीं होता); जबकि तापदीप्त बल्ब का फिलामेंट टंगस्टन (Tungsten, गलनांक $\approx 3422^\circ\text{C}$) का होता है और बल्ब में अक्रिय गैस (आर्गन/नाइट्रोजन) भरी जाती है ताकि फिलामेंट का वाष्पन न हो।
- तीन-पिन प्लग (Three-Pin Plug) में अर्थ पिन मोटी और लंबी क्यों होती है? ऊपर वाली तीसरी पिन भूसंपर्कन (Earthing — हरा तार) के लिए होती है। इसे लंबा इसलिए बनाया जाता है ताकि प्लग लगाते समय उपकरण का धात्विक आवरण सबसे पहले अर्थ से जुड़े और निकालते समय सबसे बाद में हटे; और मोटा इसलिए ताकि उसका प्रतिरोध कम हो तथा उसे गलती से लाइव या न्यूट्रल छेद में न डाला जा सके।
अतिचालकता (Superconductivity) और मेसनर प्रभाव: 1911 में कैमरलिंग ओन्स ने खोजा कि जब कुछ धातुओं (जैसे पारा $4.2\text{ K}$ पर, या नाइओबियम-टाइटेनियम $\text{NbTi}$) को एक क्रांतिक तापमान ($T_c$) से नीचे ठंडा किया जाता है, तो उनका विद्युत प्रतिरोध अचानक पूर्णतः शून्य ($R = 0$) हो जाता है और बिना किसी ऊर्जा हानि के अनंत काल तक धारा बह सकती है। अतिचालक अवस्था में पदार्थ अपने भीतर से चुंबकीय बल रेखाओं को बाहर धकेल देता है (पूर्ण प्रतिचुंबकत्व), जिसे 'मेसनर प्रभाव' (Meissner Effect) कहते हैं—इसी से चुंबकीय उत्थापन (Maglev ट्रेन), MRI मशीनों के सुपरकंडक्टिंग चुंबक, टोकामक (ITER) संलयन रिएक्टर और क्वांटम कंप्यूटर के ट्रांसपॉन क्यूबिट कार्य करते हैं।

2.4 चुंबकत्व, विद्युतचुम्बकीय प्रेरण, ट्रांसफॉर्मर और HVDC पारेषण

सारणी 2.1: चुंबकीय पदार्थों का वर्गीकरण एवं प्रमुख विद्युत-चुंबकीय उपकरण
अवधारणा / उपकरण	भौतिक सिद्धांत एवं विशेषता	प्रमुख अनुप्रयोग एवं परीक्षा बिंदु
1. प्रतिचुंबकीय (Diamagnetic), अनुचुंबकीय (Paramagnetic) एवं लौहचुंबकीय (Ferromagnetic)	• प्रतिचुंबकीय: चुंबकीय क्षेत्र द्वारा हल्का प्रतिकर्षित (जैसे बिस्मथ, तांबा, सोना, चाँदी, जल, और अतिचालक)। • अनुचुंबकीय: चुंबकीय क्षेत्र की ओर हल्का आकर्षित (जैसे एल्युमिनियम, प्लैटिनम, द्रव ऑक्सीजन $\text{O}_2$)। • लौहचुंबकीय: प्रबल रूप से आकर्षित (जैसे लोहा, निकेल, कोबाल्ट, गैडोलिनियम)।	• क्यूरी तापमान (Curie Temperature): वह तापमान जिसके ऊपर गर्म करने पर कोई लौहचुंबकीय पदार्थ अपना चुंबकत्व खोकर अनुचुंबकीय बन जाता है (लोहे के लिए $770^\circ\text{C}$, निकेल के लिए $358^\circ\text{C}$)। • नर्म लोहा (Soft Iron) बनाम स्टील: विद्युत-चुंबक (Electromagnet) और ट्रांसफॉर्मर की क्रोड नर्म लोहे की बनाई जाती है (कम निग्राहिता / Low retentivity), जबकि स्थायी चुंबक स्टील या एलनिको (Alnico) के बनाए जाते हैं।
2. विद्युतचुम्बकीय प्रेरण (Electromagnetic Induction — फैराडे एवं लेंज़ नियम)	जब किसी कुंडली से संबद्ध चुंबकीय फ्लक्स में समय के साथ परिवर्तन होता है, तो उसमें प्रेरित विद्युत वाहक बल ($e = -N \frac{d\Phi}{dt}$) उत्पन्न होता है। लेंज़ का नियम ऊर्जा संरक्षण का ही रूप है।	• अनुप्रयोग: विद्युत जनरेटर / डायनेमो, ट्रांसफॉर्मर, स्मार्टफोन की वायरलेस चार्जिंग (Inductive Qi Charging), इंडक्शन चूल्हा (Eddy currents / भँवर धारा तापन), मेटल डिटेक्टर और मेट्रो/ट्रेन के इलेक्ट्रोमैग्नेटिक ब्रेक।
3. ट्रांसफॉर्मर (Transformer)	अन्योन्य प्रेरण (Mutual Induction) के सिद्धांत पर कार्य करता है। यह केवल वोल्टेज को घटाता (Step-down) या बढ़ाता (Step-up) है; आवृत्ति ($50\text{ Hz}$) अपरिवर्तित रहती है।	• महत्त्वपूर्ण Trap: ट्रांसफॉर्मर केवल प्रत्यावर्ती धारा (AC) पर कार्य करता है, दिष्ट धारा (DC — बैटरी) पर बिल्कुल कार्य नहीं करता (क्योंकि DC में चुंबकीय फ्लक्स परिवर्तित नहीं होता)।

2.5 भू-चुंबकत्व (Geomagnetism), सौर तूफान (Solar Storms) और ध्रुवीय ज्योति (Aurora)

पृथ्वी के बाह्य तरल क्रोड ($2,900\text{–}5,150\text{ km}$) में पिघले हुए लोहे और निकेल की संवहनीय धाराओं तथा पृथ्वी के घूर्णन (कोरिओलिस प्रभाव) से उत्पन्न विद्युत धाराएँ पृथ्वी को एक विशाल चुंबक बनाती हैं—इसे 'भू-डायनेमो' (Geodynamo) कहते हैं। पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र अंतरिक्ष में चुंबकमंडल (Magnetosphere) बनाता है जो सूर्य से आने वाले घातक आवेशित कणों (सौर पवन / Solar Wind) से जीवमंडल और वायुमंडल की रक्षा करता है।

भू-चुंबकीय ध्रुव उत्क्रमण (Geomagnetic Reversal — UPSC Prelims 2018): पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र स्थायी नहीं है; भूगर्भिक इतिहास में हर कुछ लाख वर्षों में उत्तरी और दक्षिणी चुंबकीय ध्रुव आपस में बदलते (Reverse) रहे हैं, जिसका प्रमाण महासागरीय कटक के बेसाल्ट चट्टानों के पुराचुंबकत्व (Paleomagnetism) में दर्ज है।
सौर प्रज्वाल (Solar Flares), CME और पृथ्वी पर प्रभाव (UPSC Prelims 2022 एवं Mains 2024): जब सूर्य के सक्रिय सौर-कलंक (Sunspot) क्षेत्रों में चुंबकीय पुनर्संयोजन (Magnetic reconnection) से भीषण विस्फोट होता है, तो सौर प्रज्वाल (विद्युतचुम्बकीय विकिरण—एक्स-रे व UV जो 8 मिनट में पृथ्वी पर पहुँचते हैं) और कोरोनल मास इजेक्शन (CME — अरबों टन चुंबकीय प्लाज्मा और आवेशित कण जो 15–72 घंटे में पहुँचते हैं) निकलते हैं। जब ये पृथ्वी के चुंबकमंडल से टकराते हैं, तो भू-चुंबकीय तूफान (Geomagnetic Storm, G1 से G5 श्रेणी) आता है, जिसके 5 प्रमुख प्रभाव होते हैं:
1. आयनमंडल में विक्षोभ से GPS और उपग्रह नेविगेशन प्रणालियाँ विफल हो सकती हैं तथा ध्रुवीय मार्गों पर उड़ने वाले विमानों का लघु-तरंग (Shortwave HF) रेडियो संचार बाधित हो जाता है।
2. चुंबकीय फ्लक्स में तीव्र परिवर्तन से पृथ्वी पर लंबी हाई-वोल्टेज लाइनों में भू-चुंबकीय प्रेरित धाराएँ (Geomagnetically Induced Currents — GICs) उत्पन्न होती हैं, जो पावर ग्रिड के ट्रांसफॉर्मरों को जलाकर ब्लैकआउट कर सकती हैं।
3. ऊपरी वायुमंडल (थर्मोस्फीयर) के गर्म होकर फैलने से निम्न भू-कक्षा (LEO) के उपग्रहों पर वायुमंडलीय कर्षण (Drag) बढ़ जाता है और उनकी कक्षाएँ विक्षुब्ध हो जाती हैं (जैसे 2022 में स्टारलिंक उपग्रहों का गिरना)।
4. चुंबकीय ध्रुवों के माध्यम से आवेशित कणों के ऊपरी वायुमंडल ($80\text{–}600\text{ km}$) के ऑक्सीजन व नाइट्रोजन परमाणुओं से टकराने पर उत्तरी गोलार्ध में अरोरा बोरियालिस (Aurora Borealis) और दक्षिणी गोलार्ध में अरोरा ऑस्ट्रेलिस (Aurora Australis) की तीव्र रंगीन प्रकाश छटाएँ निम्न अक्षांशों (जैसे मई 2024 व 2025–2026 के G5 तूफान में लद्दाख के हनले) तक दिखाई देती हैं। (ध्यान दें: सौर तूफान से पृथ्वी पर सुनामी या दावाग्नि/Forest fire नहीं होते—UPSC 2022)।

खंड 03 एवं 04

भारत-केंद्रित आयाम एवं समसामयिकी (2025–2026): HVDC ग्रिड, स्वदेशी नौसैनिक सोनार, MP-AUVs और HPM हथियार

3.1 नवीकरणीय ऊर्जा पारेषण हेतु भारत के $\pm 800\text{ kV}$ HVDC (High-Voltage Direct Current) कॉरिडोर (2025–2026)

सामान्यतः बिजली घरों में प्रत्यावर्ती धारा (AC) उत्पन्न होती है क्योंकि ट्रांसफॉर्मर से उसका वोल्टेज बढ़ाना आसान है। परंतु जब राजस्थान (भादला/खावड़ा) या लद्दाख के विशाल सौर पार्कों से $1,000\text{–}2,000\text{ km}$ दूर औद्योगिक केंद्रों तक कई गीगावाट बिजली भेजनी होती है, तो लंबी AC लाइनों में धारितीय हानि (Capacitive reactance losses), स्किन इफेक्ट और ग्रिड सिंक्रोनाइज़ेशन की समस्या आती है। इसके समाधान हेतु भारत में HVDC (उच्च-वोल्टेज दिष्ट धारा, $\pm 800\text{ kV}$) पारेषण राजमार्ग (जैसे खावड़ा-नागपुर, भादला-फतेहपुर और लेह-कैथल ग्रीन एनर्जी कॉरिडोर) बनाए जा रहे हैं। HVDC में केवल दो कंडक्टर लगते हैं, कोरोना व विकिरण हानि न्यूनतम होती है और दो असिंक्रोनाइज़्ड AC ग्रिडों को जोड़ा जा सकता है।

3.2 DRDO के स्वदेशी सोनार (SONAR), पोर्टेबल स्वायत्त अंडरवाटर वाहन (MP-AUVs) और माइक्रोवेव हथियार (2025–2026)

सत्यापित संदर्भ (PIB एवं रक्षा मंत्रालय, नवंबर 2025 – सितंबर 2026):

नौसैनिक ध्वनिक सोनार में आत्मनिर्भरता: DRDO की कोच्चि स्थित प्रयोगशाला NPOL (Naval Physical and Oceanographic Laboratory) द्वारा विकसित स्वदेशी सोनार प्रणालियाँ—'हमसा-एनजी' (HUMSA-NG — हल-माउंटेड सोनार), पनडुब्बियों के लिए 'उषस' (USHUS), टॉरपीडो रक्षा प्रणाली 'मारीच' (Maareech) और लो-फ्रीक्वेंसी डंक सोनार—भारतीय नौसेना के युद्धपोतों और अरिहंत/कलवरी श्रेणी की पनडुब्बियों की 'अंडरवाटर आँख और कान' हैं।
मैन-पोर्टेबल स्वायत्त अंडरवाटर वाहन (MP-AUVs — नवंबर 2025): DRDO की विशाखापत्तनम स्थित प्रयोगशाला NSTL (Naval Science and Technological Laboratory) ने नौसैनिक बारूदी सुरंगों (Naval Mines) का पता लगाने और उन्हें निष्क्रिय करने के लिए नई पीढ़ी के 'मैन-पोर्टेबल ऑटोनॉमस अंडरवाटर व्हीकल्स' (MP-AUVs) का सफल समुद्री परीक्षण किया। इनमें साइड-स्कैन सोनार (Side Scan Sonar), डीप-लर्निंग लक्ष्य पहचान और अंतर-वाहन संचार हेतु अंडरवाटर एकॉस्टिक कम्युनिकेशन (ध्वनिक संचार) लगा है।
उच्च-शक्ति माइक्रोवेव (HPM) प्रणाली एवं 'SHIELD' (2026): लेज़र हथियार के पूरक के रूप में DRDO (MTRDC बेंगलुरु) ने S-बैंड पर काम करने वाली उच्च-शक्ति सूक्ष्मतरंग (High-Power Microwave — HPM) प्रणाली और 'SHIELD' कार्यक्रम विकसित किया है, जो तीव्र विद्युतचुम्बकीय स्पंद (EMP) द्वारा शत्रु के ड्रोन झुंडों के इलेक्ट्रॉनिक परिपथों को हवा में ही निष्क्रिय कर देता है।

3.3 स्वदेशी 1.5 टेस्ला सुपरकंडक्टिंग MRI स्कैनर (MeitY / SAMEER)

भारत में MRI मशीनों के $85\%$ से अधिक आयात को प्रतिस्थापित करने के लिए इलेक्ट्रॉनिकी और सूचना प्रौद्योगिकी मंत्रालय (MeitY) के अंतर्गत SAMEER (Society for Applied Microwave Electronics Engineering and Research) ने C-DAC और IUAC के सहयोग से भारत का पहला स्वदेशी $1.5\text{ Tesla}$ अतिचालक (Superconducting) मैग्नेटिक रेजोनेंस इमेजिंग (MRI) स्कैनर विकसित किया है। MRI किसी आयनकारी विकिरण (X-ray) का उपयोग नहीं करता, बल्कि प्रबल चुंबकीय क्षेत्र और रेडियो तरंगों (RF pulses) द्वारा शरीर के जल अणुओं के हाइड्रोजन नाभिकों (प्रोटॉनों) के चुंबकीय अनुनाद से कोमल ऊतकों व मस्तिष्क का उच्च-विभेदन चित्र बनाता है।

खंड 05

प्रारंभिक परीक्षा दृष्टि (Prelims High-Yield Pointers & Common Traps)

⚠️ UPSC Prelims के 6 प्रमुख वैचारिक भ्रम (Traps) — जहाँ अभ्यर्थी गलती करते हैं

भ्रम 1 (P-तरंग बनाम S-तरंग प्रकृति — UPSC Prelims 2023): P-तरंगें ध्वनि तरंगों की तरह अनुदैर्ध्य (Longitudinal) हैं जिनमें कण तरंग संचरण की दिशा के समानांतर आगे-पीछे कंपन करते हैं और ये ठोस व द्रव दोनों में चलती हैं; जबकि S-तरंगें प्रकाश की तरह अनुप्रस्थ (Transverse) हैं जिनमें कण लंबवत कंपन करते हैं और ये केवल ठोस में चलती हैं।
भ्रम 2 (सौर तूफान से सुनामी और जंगल की आग — UPSC Prelims 2022): सौर प्रज्वाल (Solar flare) और CME आयनमंडल व चुंबकमंडल को प्रभावित कर GPS, शॉर्टवेव रेडियो, उपग्रह कक्षाओं और पावर ग्रिड को नुकसान पहुँचाते हैं तथा अरोरा बनाते हैं; किंतु वे पृथ्वी पर सुनामी या जंगल की आग (Forest fires) उत्पन्न नहीं करते।
भ्रम 3 (ट्रांसफॉर्मर और DC बैटरी): "ट्रांसफॉर्मर का उपयोग 12V की कार बैटरी के DC वोल्टेज को 240V DC में बदलने के लिए किया जाता है।" सत्य: यह कथन पूर्णतः गलत है! ट्रांसफॉर्मर केवल परिवर्ती चुंबकीय फ्लक्स अर्थात् प्रत्यावर्ती धारा (AC) पर ही काम करता है, सीधी DC पर नहीं।
भ्रम 4 (MRI बनाम CT Scan में विकिरण का अंतर): CT Scan और PET Scan में आयनकारी विकिरण (X-rays / Gamma rays) का प्रयोग होता है जिससे कोशिकीय DNA को क्षति का थोड़ा जोखिम रहता है; जबकि MRI और अल्ट्रासाउंड (USG) में कोई आयनकारी विकिरण प्रयुक्त नहीं होता (MRI में चुंबकीय क्षेत्र + रेडियो तरंगें, और USG में पराश्रव्य ध्वनि तरंगें प्रयुक्त होती हैं)।
भ्रम 5 (ध्वनि की चाल पर दाब और आर्द्रता का प्रभाव): नियत ताप पर वायु का दाब बदलने से ध्वनि की चाल नहीं बदलती; और शुष्क हवा की तुलना में नम (आर्द्र) हवा में ध्वनि की चाल अधिक होती है।
भ्रम 6 (मोबाइल फोन की वायरलेस चार्जिंग का सिद्धांत): स्मार्टफोन और इलेक्ट्रिक टूथब्रश का वायरलेस चार्जिंग पैड रेडियो तरंगों या ब्लूटूथ पर नहीं, बल्कि फैराडे के 'विद्युतचुम्बकीय प्रेरण' (Inductive Coupling / Mutual Induction) के सिद्धांत पर कार्य करता है।

खंड 06

मुख्य परीक्षा दृष्टि (GS-III विश्लेषण: अतिचालकता, स्मार्ट ग्रिड और अंतरिक्ष मौसम सुरक्षा)

6.1 अतिचालकता (Superconductivity) और कक्ष-तापमान अतिचालक (Room-Temperature Superconductors) की खोज का महत्व

ऊर्जा पारेषण हानि (AT&C / Transmission Losses) का उन्मूलन: भारत में बिजली के उत्पादन केंद्र से उपभोक्ता तक पहुँचने में प्रतिरोध तापन ($I^2R$) के कारण लगभग $15\%\text{–}17\%$ ऊर्जा नष्ट हो जाती है। अतिचालक केबलों ($R = 0$) के विकास से शून्य-हानि विद्युत ग्रिड संभव होगा।
भविष्य की प्रौद्योगिकियों का आधार: (i) नाभिकीय संलयन (ITER टोकामक): करोड़ों डिग्री के प्लाज्मा को हवा में रोकने (Magnetic confinement) के लिए अतिचालक चुंबक अनिवार्य हैं; (ii) परिवहन: घर्षण-रहित चुंबकीय उत्थापन (Maglev) ट्रेनें ($>600\text{ km/h}$); (iii) क्वांटम कंप्यूटिंग: जोसेफसन संधि (Josephson Junction) आधारित सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट (भारत के राष्ट्रीय क्वांटम मिशन का प्रमुख स्तंभ); और (iv) स्वास्थ्य: सस्ती और कॉम्पैक्ट MRI मशीनें।
वर्तमान बाधा: वर्तमान अतिचालकों को द्रव हीलियम ($4.2\text{ K}$) या द्रव नाइट्रोजन ($77\text{ K}$) से ठंडा रखना पड़ता है, जो अत्यंत महँगा है। इसलिए उच्च-तापमान और कक्ष-तापमान अतिचालक पदार्थों (जैसे क्यूप्रेट्स और उच्च-दाब हाइड्राइड्स) का अनुसंधान आधुनिक पदार्थ विज्ञान का सबसे बड़ा लक्ष्य है।

खंड 07

वास्तविक UPSC प्रारंभिक परीक्षा प्रश्नावली (Verified Prelims PYQs: 2018–2023)

नीचे इस अध्याय (अनुदैर्ध्य बनाम अनुप्रस्थ तरंगें, सौर तूफान व विद्युतचुम्बकीय प्रभाव तथा भू-चुंबकीय क्षेत्र उत्क्रमण) से सीधे जुड़े आधिकारिक UPSC CSE प्रारंभिक परीक्षा प्रश्न दिए गए हैं। (नोट: मूल अंग्रेजी प्रश्न के साथ 'विश्वसनीय हिंदी अनुवाद' दिया गया है और उत्तर आधिकारिक UPSC उत्तर-कुंजी से सत्यापित हैं।)

वास्तविक UPSC PYQ • CSE Prelims 2023 (GS Paper-I — अनुदैर्ध्य व अनुप्रस्थ तरंगें) उत्तर-कुंजी: आधिकारिक UPSC कुंजी से सत्यापित | विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 1. निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: (Consider the following statements:) 1. भूकंपमापी (Seismograph) में, S तरंगों से पहले P तरंगें अभिलिखित की जाती हैं। (In a seismograph, P waves are recorded earlier than S waves.) 2. P तरंगों में, अलग-अलग कण तरंग प्रसार की दिशा में आगे-पीछे कंपन करते हैं जबकि S तरंगों में, कण तरंग प्रसार की दिशा के समकोण पर ऊपर-नीचे कंपन करते हैं। (In P waves, the individual particles vibrate to and fro in the direction of wave propagation whereas in S waves, the particles vibrate up and down at right angles to the direction of wave propagation.) उपर्युक्त कथनों में से कौन-सा/से सही है/हैं?

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों
विस्तृत व्याख्या:

कथन 1 सही है: P-तरंगों (Primary waves) का वेग S-तरंगों (Secondary waves) से लगभग $1.7$ गुना अधिक होता है, इसलिए भूकंपमापी पर P-तरंगें सबसे पहले दर्ज होती हैं।
कथन 2 सही है: P-तरंगें ध्वनि तरंगों की भाँति अनुदैर्ध्य संपीडनात्मक तरंगें (Longitudinal compressional waves) हैं जिनमें कण तरंग संचरण की दिशा के समानांतर (आगे-पीछे) कंपन करते हैं; जबकि S-तरंगें अनुप्रस्थ अपरूपण तरंगें (Transverse shear waves) हैं जिनमें कण संचरण की दिशा के समकोण (लंबवत) पर कंपन करते हैं।

स्रोत: UPSC CSE Prelims 2023 GS Paper-I (Official Paper & Answer Key)

उत्तर एवं व्याख्या देखें (बिना जावास्क्रिप्ट / त्वरित पठन)

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों। P-तरंगें अनुदैर्ध्य हैं और सबसे तेज चलती हैं; S-तरंगें अनुप्रस्थ हैं।

वास्तविक UPSC PYQ • CSE Prelims 2022 (GS Paper-I — भू-चुंबकीय तूफान व विद्युत ग्रिड) उत्तर-कुंजी: आधिकारिक UPSC कुंजी से सत्यापित | विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 2. यदि कोई मुख्य सौर तूफान (सौर प्रज्वाल / Solar flare) पृथ्वी पर पहुँचता है, तो पृथ्वी पर निम्नलिखित में से कौन-से संभव प्रभाव होंगे? (If a major solar storm (solar flare) reaches the Earth, which of the following are the possible effects on the Earth?) 1. GPS और दिक्-सूचन (नेविगेशन) प्रणालियाँ विफल हो सकती हैं। (GPS and navigation systems could fail.) 2. विषुवतीय क्षेत्रों में सुनामी आ सकती है। (Tsunamis could occur at equatorial regions.) 3. बिजली ग्रिड क्षतिग्रस्त हो सकते हैं। (Power grids could be damaged.) 4. पृथ्वी के अधिकांश भाग पर तीव्र ध्रुवीय ज्योतियाँ (Auroras) घटित हो सकती हैं। (Intense auroras could occur over much of the Earth.) 5. ग्रह के अधिकांश भाग पर दावाग्नि (Forest fires) घटित हो सकती है। (Forest fires could take place over much of the planet.) 6. उपग्रहों की कक्षाएँ विक्षुब्ध हो सकती हैं। (Orbits of the satellites could be disturbed.) 7. ध्रुवीय क्षेत्रों के ऊपर से उड़ने वाले वायुयानों का लघु-तरंग (Shortwave) रेडियो संचार बाधित हो सकता है। (Shortwave radio communication of the aircraft flying over polar regions could be interrupted.) नीचे दिए गए कूट का प्रयोग कर सही उत्तर चुनिए:

सही उत्तर: (c) केवल 1, 3, 4, 6 और 7
विस्तृत व्याख्या:

कथन 1, 3, 4, 6 और 7 सही हैं: सौर प्रज्वाल और कोरोनल मास इजेक्शन (CME) पृथ्वी के चुंबकमंडल और आयनमंडल में तीव्र विक्षोभ पैदा करते हैं। इससे आयनमंडलीय अपवर्तन बदलने से GPS व ध्रुवीय शॉर्टवेव रेडियो संचार बाधित होता है (1 व 7); फैराडे के विद्युतचुम्बकीय प्रेरण से लंबी पारेषण लाइनों में भू-चुंबकीय प्रेरित धाराएँ (GICs) बहकर पावर ग्रिड ट्रांसफॉर्मरों को क्षतिग्रस्त करती हैं (3); निम्न अक्षांशों तक तीव्र अरोरा दिखते हैं (4); और बाह्य वायुमंडल के गर्म होकर फैलने से LEO उपग्रहों पर कर्षण बढ़कर उनकी कक्षाएँ विक्षुब्ध होती हैं (6)।
कथन 2 और 5 गलत क्यों हैं: सुनामी अंतःसमुद्री भूकंप या ज्वालामुखी जैसी भूगर्भिक-विवर्तनिक घटना से आती है, सौर तूफान से नहीं; और पृथ्वी का चुंबकमंडल व वायुमंडल सौर कणों को सतह तक सीधे पहुँचकर जंगलों में आग लगाने से रोकता है।

स्रोत: UPSC CSE Prelims 2022 GS Paper-I (Official Paper & Answer Key)

उत्तर एवं व्याख्या देखें (बिना जावास्क्रिप्ट / त्वरित पठन)

सही उत्तर: (c) केवल 1, 3, 4, 6 और 7 (कथन 2 सुनामी और कथन 5 दावाग्नि गलत हैं)।

वास्तविक UPSC PYQ • CSE Prelims 2018 (GS Paper-I — भू-चुंबकत्व) उत्तर-कुंजी: आधिकारिक UPSC कुंजी से सत्यापित | विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 3. निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: (Consider the following statements:) 1. पृथ्वी का चुंबकीय क्षेत्र हर कुछ सौ हजार (लाख) वर्षों में उत्क्रमित हुआ है। (The Earth's magnetic field has reversed every few hundred thousand years.) 2. जब पृथ्वी की उत्पत्ति 4000 मिलियन वर्षों से भी अधिक पहले हुई, तो ऑक्सीजन 54% थी और कार्बन डाइऑक्साइड नहीं थी। (When the Earth was created more than 4000 million years ago, there was 54% oxygen and no carbon dioxide.) 3. जब जीवित जीव पैदा हुए, उन्होंने पृथ्वी के आरंभिक वायुमंडल को बदल दिया। (When living organisms originated, they modified the early atmosphere of the Earth.) उपर्युक्त कथनों में से कौन-सा/से सही है/हैं?

सही उत्तर: (c) केवल 1 और 3
विस्तृत व्याख्या: बाह्य तरल क्रोड की संवहनीय गतिशीलता में बदलाव के कारण पृथ्वी के चुंबकीय ध्रुव हर कुछ लाख वर्षों में उत्क्रमित (Geomagnetic polarity reversal) होते रहे हैं (अंतिम बड़ा उत्क्रमण ब्रुन्हेस-मात्सुयामा उत्क्रमण लगभग $7.8$ लाख वर्ष पूर्व हुआ था)—अतः कथन 1 सही है। कथन 2 गलत है क्योंकि प्रारंभिक वायुमंडल में स्वतंत्र $\text{O}_2$ नहीं थी; सायनोबैक्टीरिया जैसे प्रकाश-संश्लेषी जीवों ने बाद में ऑक्सीजन मुक्त कर वायुमंडल को बदला (कथन 3 सही)।
स्रोत: UPSC CSE Prelims 2018 GS Paper-I (Official Paper & Answer Key)

उत्तर एवं व्याख्या देखें (बिना जावास्क्रिप्ट / त्वरित पठन)

सही उत्तर: (c) केवल 1 और 3।

खंड 08

मुख्य परीक्षा वास्तविक प्रश्न एवं आदर्श उत्तर (Verified UPSC Mains PYQ)

वास्तविक UPSC Mains PYQ • CSE 2024 (GS Paper-I / GS-III विद्युतचुम्बकत्व व अंतरिक्ष मौसम) 10 अंक • शब्द-सीमा: 150 शब्द • विश्वसनीय हिंदी अनुवाद सहित

प्रश्न 1: अरोरा ऑस्ट्रेलिस (Aurora Australis) और अरोरा बोरियालिस (Aurora Borealis) क्या हैं? ये किस प्रकार उत्पन्न होते हैं?
(What are Aurora Australis and Aurora Borealis? How are these triggered? — UPSC CSE Mains 2024, 150 Words, 10 Marks)

आदर्श उत्तर (150 शब्द मानक):

भूमिका एवं परिभाषा: अरोरा (ध्रुवीय ज्योति) पृथ्वी के उच्च अक्षांशीय चुंबकीय ध्रुवीय क्षेत्रों के ऊपरी वायुमंडल—मुख्यतः तापमंडल/आयनमंडल में $80\text{ km}$ से $600\text{ km}$ की ऊँचाई पर—रात्रि के आकाश में दिखाई देने वाली प्राकृतिक, गतिशील और रंगीन प्रकाश छटाएँ हैं। उत्तरी गोलार्ध में इन्हें 'अरोरा बोरियालिस' (Northern Lights — अलास्का, उत्तरी कनाडा, आइसलैंड, स्कैंडिनेविया, साइबेरिया) तथा दक्षिणी गोलार्ध में 'अरोरा ऑस्ट्रेलिस' (Southern Lights — अंटार्कटिका, तस्मानिया, दक्षिणी न्यूज़ीलैंड) कहा जाता है।

उत्पत्ति की विद्युत-चुंबकीय प्रक्रिया (Trigger Mechanism):

सौर पवन एवं कोरोनल मास इजेक्शन (CME): सूर्य के कोरोना से उच्च-ऊर्जा वाले आवेशित कणों (इलेक्ट्रॉन और प्रोटॉन) की धारा निरंतर अंतरिक्ष में प्रवाहित होती है, जो सौर प्रज्वाल (Solar flares) और CME के समय अत्यधिक तीव्र हो जाती है।
लॉरेंज बल एवं चुंबकमंडलीय कीप (Magnetospheric Funnel): पृथ्वी के बाह्य तरल क्रोड से उत्पन्न चुंबकीय क्षेत्र (Magnetosphere) निम्न और मध्य अक्षांशों पर इन आवेशित कणों को प्रतिकर्षित कर देता है। परंतु उत्तरी और दक्षिणी चुंबकीय ध्रुवों के पास चुंबकीय बल रेखाएँ पृथ्वी की ओर अंदर झुकती हैं (Cusp regions), जो लॉरेंज बल ($\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B})$) के तहत आवेशित कणों को सर्पिलाकार पथ में ऊपरी वायुमंडल में प्रवेश कराती हैं।
परमाण्वीय उत्तेजन एवं फोटॉन उत्सर्जन: जब ये तीव्र इलेक्ट्रॉन वायुमंडल की गैसों से टकराते हैं, तो गैस परमाणु उत्तेजित होकर वापस मूल अवस्था में लौटते समय विशिष्ट तरंगदैर्ध्य के फोटॉन उत्सर्जित करते हैं—ऑक्सीजन परमाणु $100\text{–}200\text{ km}$ पर चमकदार हरा प्रकाश ($557.7\text{ nm}$) और $300\text{ km}$ से ऊपर गहरा लाल प्रकाश ($630\text{ nm}$) देते हैं, जबकि नाइट्रोजन अणु नीला और बैंगनी-लाल प्रकाश उत्पन्न करते हैं।

निष्कर्ष: अरोरा सूर्य-पृथ्वी के विद्युतचुम्बकीय संबंध का प्रत्यक्ष दृश्य प्रमाण हैं; मई 2024 के चरम G5 भू-चुंबकीय तूफान के दौरान भारत के लद्दाख (हनले) में लाल अरोरा का दिखना अंतरिक्ष मौसम की तीव्रता को दर्शाता है।

खंड 09

नए मौलिक अभ्यास प्रश्न (UPSC CSE 2027 — 16 Prelims MCQs एवं 4 Mains अभ्यास प्रश्न)

स्पष्टीकरण: नीचे दिए गए सभी 16 बहुविकल्पीय प्रश्न और 4 मुख्य परीक्षा प्रश्न UPSC CSE 2027 की तैयारी हेतु निर्मित मौलिक अभ्यास प्रश्न (Original Practice Questions) हैं; ये पिछले वर्षों के प्रश्न (PYQ) नहीं हैं।

9.1 प्रारंभिक परीक्षा अभ्यास टेस्ट (16 UPSC-स्तरीय बहुविकल्पीय प्रश्न)

अभ्यास प्रश्न 01 • ध्वनि की चाल पर ताप, दाब व आर्द्रता का प्रभाव स्तर: UPSC Prelims कथन-आधारित Trap

प्रश्न 1. वायु में ध्वनि तरंगों के संचरण और उनकी चाल के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. यदि वायु का तापमान स्थिर रहे, तो वायुमंडलीय दाब दोगुना कर देने पर वायु में ध्वनि की चाल भी दोगुनी हो जाती है। 2. समान तापमान पर, शुष्क वायु (Dry air) की तुलना में आर्द्र/नम वायु (Moist/Humid air) में ध्वनि की चाल अधिक होती है। 3. वायु का तापमान बढ़ने पर ध्वनि की चाल बढ़ जाती है। उपर्युक्त में से कौन-से कथन सही हैं?

सही उत्तर: (b) केवल 2 और 3
व्याख्या: कथन 1 गलत है—नियत तापमान पर गैस का दाब बदलने से ध्वनि की चाल पर कोई प्रभाव नहीं पड़ता क्योंकि $P/\rho$ का अनुपात स्थिर रहता है। कथन 2 सही है क्योंकि जलवाष्प आने से वायु का औसत घनत्व घट जाता है ($v \propto 1/\sqrt{\rho}$)। कथन 3 भी सही है ($v \propto \sqrt{T}$)।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) केवल 2 और 3।

अभ्यास प्रश्न 02 • धातु बनाम अर्धचालक पर तापमान का प्रभाव स्तर: विद्युत चालकता एवं इलेक्ट्रॉनिक्स

प्रश्न 2. जब तांबे के तार (धातु चालक) और शुद्ध सिलिकॉन क्रिस्टल (अर्धचालक) दोनों का तापमान कमरे के तापमान से बढ़ाकर 100°C किया जाता है, तो उनके विद्युत प्रतिरोध (Electrical Resistance) पर क्या प्रभाव पड़ता है?

सही उत्तर: (a) तांबे का प्रतिरोध बढ़ता है, जबकि सिलिकॉन का प्रतिरोध घटता है।
व्याख्या: धातुओं (तांबा) का प्रतिरोध ताप गुणांक धनात्मक होता है—ताप बढ़ने पर धन आयनों के तापीय कंपन बढ़ने से इलेक्ट्रॉनों के संघट्ट बढ़ते हैं और प्रतिरोध बढ़ जाता है। इसके विपरीत, अर्धचालकों (सिलिकॉन) का प्रतिरोध ताप गुणांक ऋणात्मक होता है—ताप बढ़ने पर सहसंयोजक आबंध टूटने से मुक्त आवेश वाहकों (इलेक्ट्रॉन-होल युग्मों) की संख्या तेजी से बढ़ती है और प्रतिरोध घट जाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) तांबे का प्रतिरोध बढ़ता है, जबकि सिलिकॉन का प्रतिरोध घटता है।

अभ्यास प्रश्न 03 • विद्युतचुम्बकीय प्रेरण के अनुप्रयोग स्तर: दैनिक जीवन की तकनीक

प्रश्न 3. निम्नलिखित आधुनिक उपकरणों पर विचार कीजिए: 1. बिना तार के स्मार्टफोन चार्ज करने वाला 'वायरलेस चार्जिंग पैड' (Inductive Wireless Charger) 2. रसोई में प्रयुक्त 'इंडक्शन कुकटॉप' (Induction Stove) 3. हवाई अड्डों पर सुरक्षा जाँच के लिए लगा 'मेटल डिटेक्टर' (Walk-through Metal Detector) 4. विद्युत ग्रिड में वोल्टेज बढ़ाने या घटाने वाला 'ट्रांसफॉर्मर' उपर्युक्त में से कितने उपकरण 'विद्युतचुम्बकीय प्रेरण (Electromagnetic Induction)' के सिद्धांत पर कार्य करते हैं?

सही उत्तर: (c) सभी चार
व्याख्या: चारों उपकरण फैराडे के विद्युतचुम्बकीय प्रेरण पर आधारित हैं: (1) व (4) अन्योन्य प्रेरण (Mutual Induction) द्वारा एक कुंडली से दूसरी कुंडली में ऊर्जा भेजते हैं; (2) इंडक्शन चूल्हा उच्च-आवृत्ति के चुंबकीय क्षेत्र से लोहे/स्टील के बर्तन की तली में भँवर धाराएँ (Eddy Currents) प्रेरित कर बर्तन को सीधे गर्म करता है; और (3) मेटल डिटेक्टर धातु की वस्तु में प्रेरित धारा से उत्पन्न द्वितीयक चुंबकीय क्षेत्र को पकड़कर अलार्म बजाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) सभी चार।

अभ्यास प्रश्न 04 • विद्युत फ्यूज एवं घरेलू परिपथ सुरक्षा स्तर: व्यावहारिक विद्युत विज्ञान

प्रश्न 4. घरेलू विद्युत परिपथ में प्रयुक्त सुरक्षा 'फ्यूज तार (Fuse wire)' के गुणधर्मों और संयोजन के संबंध में निम्नलिखित में से कौन-सा कथन सही है?

सही उत्तर: (b)
व्याख्या: फ्यूज तार का कार्य निर्धारित सीमा से अधिक धारा बहने पर स्वयं पिघलकर परिपथ को विच्छेदित करना है। इसके लिए जूल तापन ($H = I^2Rt$) अधिक हो (अतः उच्च प्रतिरोध) और वह कम ताप पर ही पिघल जाए (अतः निम्न गलनांक)। इसे सदैव लाइव तार में श्रेणीक्रम में लगाया जाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) उच्च प्रतिरोध, निम्न गलनांक और लाइव तार के साथ श्रेणीक्रम में संयोजन।

अभ्यास प्रश्न 05 • पराश्रव्य तरंगों (Ultrasound) के अनुप्रयोग स्तर: चिकित्सा, उद्योग एवं रक्षा

प्रश्न 5. पराश्रव्य ध्वनि तरंगों (Ultrasonic waves: आवृत्ति > 20 kHz) का उपयोग निम्नलिखित में से किन कार्यों में किया जा सकता है? 1. बिना सर्जरी किए गुर्दे की पथरी को बारीक कणों में तोड़ने (Lithotripsy) में 2. हृदय के वाल्वों और रक्त प्रवाह की गतिविधि का चित्रण करने (Echocardiography) में 3. बड़े धात्विक पुलों और विमान के हिस्सों के भीतर अदृश्य दरारों का पता लगाने (Non-destructive testing) में 4. घड़ियों के सूक्ष्म पुर्जों और इलेक्ट्रॉनिक सर्किट बोर्डों की सफाई करने में नीचे दिए गए कूट का प्रयोग कर सही उत्तर चुनिए:

सही उत्तर: (d) 1, 2, 3 और 4
व्याख्या: उच्च आवृत्ति और छोटी तरंगदैर्ध्य के कारण पराश्रव्य तरंगों को एक संकीर्ण किरण के रूप में भेजा जा सकता है। इनका उपयोग लिथोट्रिप्सी, इकोकार्डियोग्राफी/सोनोग्राफी, धातु ब्लॉक में दरार संसूचन और अल्ट्रासोनिक कैविटेशन सफाई चारों में किया जाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (d) 1, 2, 3 और 4।

अभ्यास प्रश्न 06 • ट्रांसफॉर्मर की कार्यप्रणाली (Classic Trap) स्तर: AC बनाम DC परिपथ

प्रश्न 6. एक अपचायी ट्रांसफॉर्मर (Step-down Transformer), जो मोबाइल चार्जर या सब-स्टेशन में प्रयुक्त होता है, के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. यह उच्च प्रत्यावर्ती वोल्टेज (AC Voltage) को निम्न प्रत्यावर्ती वोल्टेज में परिवर्तित करता है, किंतु धारा की आवृत्ति (जैसे भारत में 50 Hz) में कोई परिवर्तन नहीं करता। 2. यदि इस ट्रांसफॉर्मर की प्राथमिक कुंडली को 24 वोल्ट की दिष्ट धारा (DC) बैटरी से जोड़ दिया जाए, तो द्वितीयक कुंडली में स्थिर 12 वोल्ट की DC धारा प्राप्त होगी। उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?

सही उत्तर: (a) केवल 1
व्याख्या: कथन 1 सही है। कथन 2 गलत है क्योंकि स्थिर दिष्ट धारा (Steady DC) से क्रोड में चुंबकीय फ्लक्स समय के साथ बदलता नहीं है ($\frac{d\Phi}{dt} = 0$), इसलिए द्वितीयक कुंडली में कोई विद्युत वाहक बल प्रेरित नहीं होगा (और कम प्रतिरोध के कारण प्राथमिक कुंडली गर्म होकर जल सकती है)। मोबाइल चार्जर में पहले AC को कम वोल्टेज AC में बदला जाता है और फिर दिष्टकारी (Rectifier — p-n डायोड) द्वारा AC को DC में बदला जाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) केवल 1 (ट्रांसफॉर्मर स्थिर DC पर कार्य नहीं करता)।

अभ्यास प्रश्न 07 • अतिचालकता एवं मेसनर प्रभाव स्तर: सीमांत भौतिकी

प्रश्न 7. जब किसी पदार्थ को उसके क्रांतिक तापमान से नीचे ठंडा कर 'अतिचालक अवस्था (Superconducting State)' में लाया जाता है, तो वह निम्नलिखित में से कौन-से दो मूलभूत गुण प्रदर्शित करता है?

सही उत्तर: (c)
व्याख्या: अतिचालक की दो पहचान हैं: (1) दिष्ट विद्युत प्रतिरोध का पूर्णतः शून्य हो जाना ($\rho = 0$), और (2) मेसनर प्रभाव (Meissner Effect)—अर्थात् अतिचालक के भीतर चुंबकीय क्षेत्र शून्य ($B = 0$) हो जाता है और वह बाहरी चुंबक को प्रतिकर्षित कर हवा में तैरा (Magnetic Levitation) सकता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) शून्य विद्युत प्रतिरोध और मेसनर प्रभाव (पूर्ण प्रतिचुंबकत्व)।

अभ्यास प्रश्न 08 • MRI (चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग) स्तर: चिकित्सीय निदान तकनीक

प्रश्न 8. अस्पतालों में मस्तिष्क और रीढ़ की हड्डी के सूक्ष्म परीक्षण हेतु प्रयुक्त 'MRI (Magnetic Resonance Imaging)' स्कैनर के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. यह शरीर के आंतरिक अंगों का चित्र बनाने के लिए उच्च-ऊर्जा एक्स-किरणों (X-rays) और गामा किरणों का उपयोग करता है। 2. इसमें प्रबल चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए अतिचालक चुंबकों (Superconducting magnets) को द्रव हीलियम (Liquid Helium) की सहायता से अत्यंत निम्न तापमान पर ठंडा रखा जाता है। 3. यह शरीर के जल और वसा अणुओं में उपस्थित हाइड्रोजन परमाणुओं के नाभिकों (प्रोटॉनों) के चुंबकीय संरेखण और रेडियो-आवृत्ति (RF) स्पंदों पर आधारित है। उपर्युक्त में से कौन-से कथन सही हैं?

सही उत्तर: (b) केवल 2 और 3
व्याख्या: कथन 1 गलत है क्योंकि MRI में एक्स-रे या गामा किरणों जैसे किसी भी आयनकारी विकिरण का उपयोग नहीं होता (एक्स-रे का उपयोग CT Scan में होता है)। MRI में प्रबल चुंबकीय क्षेत्र ($1.5\text{ T}\text{–}3\text{ T}$, जिसे द्रव हीलियम द्वारा $4.2\text{ K}$ पर ठंडे रखे गए अतिचालक चुंबकों से बनाया जाता है) और गैर-आयनकारी रेडियो तरंगों (RF pulses) का उपयोग कर हाइड्रोजन प्रोटॉनों के स्पिन अनुनाद को मापा जाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) केवल 2 और 3 (MRI में एक्स-रे प्रयुक्त नहीं होती)।

अभ्यास प्रश्न 09 • डॉप्लर प्रभाव (Doppler Effect in Sound) स्तर: ध्वनि तरंग गतिकी

प्रश्न 9. रेलवे प्लेटफॉर्म पर खड़े एक यात्री की ओर जब कोई ट्रेन सीटी बजाती हुई तेजी से आती है और फिर उसे पार कर दूर जाती है, तो यात्री को सीटी की आवाज में क्या परिवर्तन सुनाई देता है?

सही उत्तर: (a)
व्याख्या: डॉप्लर प्रभाव के अनुसार जब ध्वनि स्रोत और श्रोता के बीच की सापेक्षिक दूरी घट रही हो (पास आ रहे हों), तो तरंगदैर्ध्य संपीडित होने से आभासी आवृत्ति बढ़ जाती है और आवाज तीखी (उच्च तारत्व) सुनाई देती है; और दूर जाते समय आभासी आवृत्ति घट जाती है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) पास आते समय आभासी आवृत्ति (तारत्व) बढ़ती है और दूर जाते समय घटती है।

अभ्यास प्रश्न 10 • HVDC बनाम HVAC विद्युत पारेषण स्तर: ऊर्जा अवसंरचना एवं ग्रिड तकनीक

प्रश्न 10. भारत में सुदूर स्थित नवीकरणीय ऊर्जा पार्कों (जैसे राजस्थान व लद्दाख) से हजारों किलोमीटर दूर बिजली भेजने के लिए 'उच्च-वोल्टेज दिष्ट धारा (HVDC)' पारेषण लाइनों को पारंपरिक 'उच्च-वोल्टेज प्रत्यावर्ती धारा (HVAC)' लाइनों पर क्यों प्राथमिकता दी जाती है? 1. अत्यधिक लंबी दूरी (जैसे 800 किमी से अधिक) पर HVDC लाइनों में लाइन हानि (Transmission loss) समान क्षमता की HVAC लाइनों की तुलना में कम होती है और इसमें धारितीय प्रतिघात (Capacitive reactance) की हानि नहीं होती। 2. HVDC तकनीक दो अलग-अलग आवृत्ति या असिंक्रोनाइज़्ड (Asynchronous) AC विद्युत ग्रिडों को आपस में सुरक्षित रूप से जोड़ने में सक्षम बनाती है। उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: लंबी दूरी ($>600\text{–}800\text{ km}$) के बल्क पावर ट्रांसफर और समुद्र के नीचे केबल (Subsea cables) में HVDC कहीं अधिक दक्ष है क्योंकि DC में आवृत्ति शून्य होने से स्किन इफेक्ट, प्रेरकीय और धारितीय हानियाँ नहीं होतीं, तथा यह असिंक्रोनाइज़्ड ग्रिडों के बीच फायरवॉल की तरह काम करता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों।

अभ्यास प्रश्न 11 • अनुनाद (Resonance) एवं सैनिकों का कदमताल स्तर: यांत्रिक कंपन एवं तरंगें

प्रश्न 11. किसी निलंबन पुल (Suspension bridge) को पार करते समय सैनिकों को एक साथ कदम मिलाकर (Marching in step) न चलने की सलाह क्यों दी जाती है?

सही उत्तर: (b) यांत्रिक अनुनाद (Mechanical Resonance) के खतरे के कारण
व्याख्या: जब किसी बाह्य आवर्ती बल की आवृत्ति किसी निकाय की स्वाभाविक आवृत्ति (Natural frequency) के बराबर हो जाती है, तो दोलन का आयाम कई गुना बढ़ जाता है, जिसे अनुनाद (Resonance) कहते हैं।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) यांत्रिक अनुनाद (Resonance) के कारण।

अभ्यास प्रश्न 12 • क्यूरी तापमान (Curie Temperature) स्तर: चुंबकीय गुणधर्म

प्रश्न 12. भौतिक विज्ञान में 'क्यूरी तापमान (Curie Temperature)' क्या निर्दिष्ट करता है?

सही उत्तर: (d)
व्याख्या: क्यूरी तापमान के ऊपर तापीय विक्षोभ के कारण लौहचुंबकीय पदार्थ (जैसे लोहा $770^\circ\text{C}$) के चुंबकीय डोमेन बिखर जाते हैं और वह अनुचुंबकीय बन जाता है। (इसी कारण पृथ्वी के अत्यधिक गर्म आंतरिक क्रोड का स्थायी चुंबकत्व नहीं हो सकता; पृथ्वी का चुंबकत्व बाह्य तरल क्रोड की विद्युत धाराओं — Geodynamo से बनता है)।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (d) लौहचुंबकीय पदार्थ का अनुचुंबकीय में परिवर्तन का ताप।

अभ्यास प्रश्न 13 • DRDO के स्वदेशी नौसैनिक सोनार एवं MP-AUVs स्तर: रक्षा समसामयिकी (2025–2026)

प्रश्न 13. भारतीय नौसेना में प्रयुक्त स्वदेशी प्रणालियों—'हमसा-एनजी (HUMSA-NG)', 'उषस (USHUS)' और 'मारीच (Maareech)'—का संबंध निम्नलिखित में से किस क्षेत्र से है?

सही उत्तर: (a) अंतर्जलीय ध्वनिक संसूचन (SONAR) एवं टॉरपीडो रोधी रक्षा प्रणालियाँ
व्याख्या: DRDO (NPOL कोच्चि व NSTL विशाखापत्तनम) द्वारा विकसित HUMSA-NG युद्धपोतों का हल-माउंटेड सोनार है, USHUS पनडुब्बियों का एकीकृत सोनार है, और Maareech उन्नत टॉरपीडो डिकॉय/रक्षा प्रणाली है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) स्वदेशी सोनार एवं टॉरपीडो रक्षा प्रणालियाँ।

अभ्यास प्रश्न 14 • तड़ित चालक एवं फैराडे पिंजरा (Faraday Cage) स्तर: स्थिरवैद्युतिकी सुरक्षा

प्रश्न 14. आकाशीय बिजली (तड़ित / Lightning) गिरने के दौरान सुरक्षा के संदर्भ में निम्नलिखित कथनों पर विचार कीजिए: 1. किसी खुले मैदान में पेड़ के नीचे खड़े रहने की तुलना में चारों ओर से बंद धातु की कार (जिसकी खिड़कियाँ बंद हों) के भीतर बैठना अधिक सुरक्षित होता है। 2. खोखले धात्विक चालक के भीतर विद्युत क्षेत्र शून्य होता है और आवेश केवल बाहरी सतह पर ही रहता है, जिसे 'स्थिरवैद्युत परिरक्षण (Electrostatic Shielding / Faraday Cage)' कहते हैं। उपर्युक्त में से कौन-सा/से कथन सही है/हैं?

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों
व्याख्या: धातु की बंद कार या विमान का ढाँचा एक फैराडे पिंजरे (Faraday Cage) की तरह कार्य करता है। गॉस के नियम के अनुसार खोखले चालक के भीतर विद्युत क्षेत्र शून्य ($E = 0$) रहता है और आकाशीय बिजली का सारा आवेश कार की बाहरी धातु की सतह से होता हुआ जमीन में चला जाता है, जिससे अंदर बैठा व्यक्ति सुरक्षित रहता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (c) 1 और 2 दोनों।

अभ्यास प्रश्न 15 • व्यावसायिक विद्युत ऊर्जा (1 Unit / kWh) स्तर: परिपथ गणना

प्रश्न 15. यदि किसी घर में 100 वाट (100 W) के 5 एलईडी लैंप प्रतिदिन 4 घंटे जलाए जाते हैं, तो 30 दिनों के एक महीने में कुल कितने 'यूनिट' (kWh) विद्युत ऊर्जा की खपत होगी?

सही उत्तर: (b) 60 यूनिट
व्याख्या: $\text{कुल यूनिट (kWh)} = \frac{\text{वाट} \times \text{संख्या} \times \text{घंटे} \times \text{दिन}}{1000} = \frac{100 \times 5 \times 4 \times 30}{1000} = \frac{60,000}{1000} = \mathbf{60\text{ kWh (60 यूनिट)}}$। ($1\text{ Unit} = 1\text{ kWh} = 3.6 \times 10^6\text{ J}$)।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (b) 60 यूनिट।

अभ्यास प्रश्न 16 • पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव (Piezoelectric Effect) स्तर: सोनार ट्रांसड्यूसर एवं क्वार्ट्ज घड़ी

प्रश्न 16. सोनार (SONAR) के ट्रांसड्यूसर, मेडिकल अल्ट्रासाउंड प्रोब और क्वार्ट्ज घड़ियों में प्रयुक्त 'पीज़ोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल (जैसे क्वार्ट्ज या बेरियम टाइटेनेट)' किस सिद्धांत पर कार्य करते हैं?

सही उत्तर: (a)
व्याख्या: पियरे और जैक्स क्यूरी द्वारा 1880 में खोजे गए पीज़ोइलेक्ट्रिक प्रभाव (Piezoelectricity) तथा इसके व्युत्क्रम प्रभाव के कारण ही अल्ट्रासाउंड प्रोब विद्युत सिग्नल को पराश्रव्य ध्वनि तरंगों में बदलता है और लौटने वाली प्रतिध्वनि (Echo) के दाब को वापस विद्युत सिग्नल में बदलकर स्क्रीन पर चित्र बनाता है।

उत्तर देखें

सही उत्तर: (a) यांत्रिक दाब और विद्युत विभव का पारस्परिक रूपांतरण।

9.2 संभावित मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न (Mains GS-III Practice Questions & Model Answers)

मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न 01 (आदर्श उत्तर सहित) 15 अंक • शब्द-सीमा: 250 शब्द

अभ्यास प्रश्न 1: "'भू-चुंबकीय तूफान' (Geomagnetic Storms) क्या हैं? आधुनिक डिजिटल अर्थव्यवस्था, उपग्रह अवसंरचना और राष्ट्रीय विद्युत ग्रिड पर इनके संभावित विनाशकारी प्रभावों का विश्लेषण कीजिए तथा अंतरिक्ष मौसम (Space Weather) की निगरानी में भारत की तैयारियों पर प्रकाश डालिए।" (250 शब्द, 15 अंक)

आदर्श उत्तर:

भूमिका: जब सूर्य के कोरोना से होने वाले तीव्र चुंबकीय विस्फोटों—सौर प्रज्वाल (Solar Flares) और कोरोनल मास इजेक्शन (CME)—से निकला अरबों टन आवेशित प्लाज्मा और चुंबकीय क्षेत्र पृथ्वी के चुंबकमंडल (Magnetosphere) से टकराता है, तो पृथ्वी के चुंबकीय क्षेत्र में होने वाले तीव्र अस्थायी विक्षोभ को 'भू-चुंबकीय तूफान' कहते हैं।

आधुनिक अवसंरचना पर विनाशकारी प्रभाव (विद्युतचुम्बकीय तंत्र):

राष्ट्रीय पावर ग्रिड पर आघात (फैराडे प्रेरण): चुंबकमंडल में तीव्र परिवर्तन से पृथ्वी की सतह और लंबी हाई-वोल्टेज पारेषण लाइनों में भू-चुंबकीय प्रेरित धाराएँ (GICs) उत्पन्न होती हैं। ये अर्ध-दिष्ट धाराएँ ग्रिड के विशाल ट्रांसफॉर्मरों की क्रोड को संतृप्त कर उन्हें अत्यधिक गर्म कर जला सकती हैं (जैसा 1989 के क्यूबेक ब्लैकआउट में हुआ)।
उपग्रह कक्षाओं का क्षय (Atmospheric Drag): तीव्र एक्स-रे और EUV विकिरण पृथ्वी के बाह्य वायुमंडल (थर्मोस्फीयर) को गर्म कर फुला देते हैं, जिससे निम्न भू-कक्षा (LEO) के उपग्रहों पर वायुमंडलीय घर्षण बढ़ जाता है और वे अपनी कक्षा से नीचे गिर सकते हैं।
नेविगेशन एवं विमानन संचार बाधा: आयनमंडल के अनियमित आयनीकरण (Scintillation) से GPS/NavIC की स्थिति-निर्धारण परिशुद्धता भंग हो जाती है, विमानन का HF रेडियो संचार रुक जाता है और समुद्र के नीचे की फाइबर रिपीटर केबलों में वोल्टेज गड़बड़ी आ सकती है।

भारत की तैयारियाँ एवं आगे की राह:

आदित्य-L1 वेधशाला: $L_1$ बिंदु पर तैनात आदित्य-L1 के पेलोड (ASPEX, PAPA और मैग्नेटोमीटर) पृथ्वी की ओर आने वाले CME और सौर पवन के चुंबकीय अभिविन्यास की $1\text{–}2$ घंटे पूर्व चेतावनी देते हैं।
CESSI एवं उदयपुर सौर वेधशाला: IISER कोलकाता के Centre of Excellence in Space Sciences India (CESSI) और PRL की उदयपुर सौर वेधशाला द्वारा निरंतर स्पेस-वेदर मॉडलिंग की जा रही है।

निष्कर्ष: भारत को अब अपने राष्ट्रीय पावर ग्रिड (POSOCO/Grid-India) और उपग्रह ऑपरेटरों के लिए स्वचालित 'स्पेस वेदर अर्ली-वार्निंग प्रोटोकॉल' और ट्रांसफॉर्मर में GIC-ब्लॉकिंग संधारित्र स्थापित करने चाहिए।

मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न 02 (आदर्श उत्तर सहित) 10 अंक • शब्द-सीमा: 150 शब्द

अभ्यास प्रश्न 2: "'अतिचालकता' (Superconductivity) की परिघटना और 'मेसनर प्रभाव' को स्पष्ट कीजिए। ऊर्जा, स्वास्थ्य और क्वांटम कंप्यूटिंग के क्षेत्र में इसके क्रांतिकारी अनुप्रयोगों तथा इसके व्यापक व्यावसायीकरण की प्रमुख तकनीकी चुनौतियों पर चर्चा कीजिए।" (150 शब्द, 10 अंक)

आदर्श उत्तर:

भूमिका: जब कुछ विशिष्ट पदार्थों (जैसे पारा, नाइओबियम-टाइटेनियम या YBCO सिरेमिक) को उनके क्रांतिक तापमान ($T_c$) से नीचे ठंडा किया जाता है, तो कूपर इलेक्ट्रॉन युग्मों (Cooper pairs) के बनने से उनका विद्युत प्रतिरोध अचानक शून्य ($R = 0$) हो जाता है और वे अपने भीतर से चुंबकीय क्षेत्र को पूर्णतः बाहर निकाल देते हैं (मेसनर प्रभाव / Meissner Effect)।

क्रांतिकारी अनुप्रयोग:

ऊर्जा एवं संलयन: बिना किसी तापीय हानि ($I^2R = 0$) के विद्युत पारेषण केबल तथा ITER टोकामक संलयन रिएक्टर में प्लाज्मा को साधने वाले विशाल चुंबक।
स्वास्थ्य एवं निदान: $1.5\text{ T}\text{–}3\text{ T}$ के MRI स्कैनर (जैसे भारत का स्वदेशी SAMEER MRI) और मस्तिष्क के सूक्ष्म चुंबकीय क्षेत्र मापने वाले SQUID सेंसर।
परिवहन एवं क्वांटम कंप्यूटिंग: मेसनर उत्थापन पर आधारित $600\text{ km/h}$ की Maglev ट्रेनें तथा भारत के 'राष्ट्रीय क्वांटम मिशन' के तहत सुपरकंडक्टिंग क्यूबिट प्रोसेसर।

प्रमुख चुनौतियाँ एवं निष्कर्ष: वर्तमान अतिचालकों के लिए महँगे द्रव हीलियम ($4.2\text{ K}$) या द्रव नाइट्रोजन ($77\text{ K}$) क्रायोजेनिक शीतलन की अनिवार्यता और सिरेमिक अतिचालकों की भंगुरता सबसे बड़ी बाधाएँ हैं। उच्च-तापमान अतिचालक (HTS) तारों का स्वदेशी विकास भारत की ऊर्जा सुरक्षा के लिए गेम-चेंजर सिद्ध होगा।

अतिरिक्त मुख्य परीक्षा अभ्यास प्रश्न (03 एवं 04) अभ्यास हेतु उत्तर-संरचना

अभ्यास प्रश्न 3: "समुद्र के भीतर संवेदन और संचार के लिए रडार (रेडियो तरंगों) के स्थान पर सोनार (ध्वनि तरंगों) का ही उपयोग क्यों किया जाता है? हिंद महासागर में पनडुब्बी-रोधी युद्ध और बारूदी सुरंगों के उन्मूलन में DRDO के स्वदेशी सोनार व स्वायत्त अंडरवाटर वाहनों (MP-AUVs) के योगदान की विवेचना कीजिए।" (150 शब्द, 10 अंक)

उत्तर रूपरेखा: (1) भौतिक कारण: खारे समुद्री जल की उच्च विद्युत चालकता के कारण रेडियो व प्रकाश तरंगों का कुछ ही मीटर में अवशोषण, जबकि पराश्रव्य व निम्न-आवृत्ति ध्वनि तरंगें ($v \approx 1530\text{ m/s}$) समुद्र में सैकड़ों किलोमीटर तक गमन करती हैं; (2) एक्टिव बनाम पैसिव सोनार तथा थर्मोक्लाइन परत (SOFAR चैनल) का महत्व; (3) DRDO (NPOL व NSTL) की उपलब्धियाँ—HUMSA-NG, USHUS, Maareech और नवंबर 2025 में परीक्षित साइड-स्कैन सोनार व डीप-लर्निंग युक्त MP-AUVs।

अभ्यास प्रश्न 4: "भारत के वर्ष 2030 तक 500 गीगावाट गैर-जीवाश्म ईंधन विद्युत क्षमता के लक्ष्य को प्राप्त करने में 'उच्च-वोल्टेज दिष्ट धारा (HVDC)' पारेषण कॉरिडोर और 'स्मार्ट ग्रिड' क्यों अपरिहार्य हैं?" (250 शब्द, 15 अंक)

उत्तर रूपरेखा: (1) भूमिका: नवीकरणीय ऊर्जा का स्थानिक संकेंद्रण (लद्दाख, थार, कच्छ व अपतटीय पवन) और मांग केंद्रों से $1,500\text{ km}+$ की दूरी; (2) HVAC की सीमाओं पर HVDC की तकनीकी श्रेष्ठता—कम लाइन लॉस, दो-तार पारेषण, कम भूमि अधिग्रहण (Right-of-Way), और आंतरायिक सौर/पवन ऊर्जा के बावजूद ग्रिड स्थिरता (VSC-HVDC); (3) भादला-फतेहपुर, खावड़ा-नागपुर और लेह-कैथल-पंग HVDC परियोजनाएँ; (4) निष्कर्ष: पावर इलेक्ट्रॉनिक्स (IGBT/Thyristor वाल्व) के स्वदेशी विनिर्माण की आवश्यकता।

खंड 10

त्वरित पुनरावृत्ति: 22 सघन रिविज़न तथ्य एवं महत्त्वपूर्ण अंतर

अनुदैर्ध्य बनाम अनुप्रस्थ तरंगें (UPSC 2023): अनुदैर्ध्य (ध्वनि व P-तरंगें) में कण तरंग की दिशा के समानांतर कंपन करते हैं और ये ठोस, द्रव व गैस तीनों में चलती हैं; अनुप्रस्थ (प्रकाश व S-तरंगें) में कण लंबवत कंपन करते हैं।
ध्वनि आवृत्ति परास: अवश्रव्य ($<20\text{ Hz}$ — भूकंप, हाथी, व्हेल); श्रव्य ($20\text{ Hz}\text{–}20\text{ kHz}$ — मानव कान); पराश्रव्य ($>20\text{ kHz}$ — चमगादड़, डॉल्फ़िन, SONAR, सोनोग्राफी)।
ध्वनि की चाल का क्रम: ठोस (एल्युमिनियम $6420\text{ m/s}$, स्टील $5960\text{ m/s}$) > द्रव (समुद्री जल $1531\text{ m/s}$) > गैस (वायु $20^\circ\text{C}$ पर $343\text{ m/s}$)। निर्वात में शून्य।
वायु में ध्वनि की चाल पर प्रभाव: दाब का कोई प्रभाव नहीं; ताप बढ़ने पर बढ़ती है; आर्द्रता (नमी) बढ़ने पर बढ़ती है (नम वायु में शुष्क वायु से अधिक)।
तारत्व (Pitch) बनाम प्रबलता (Loudness): तारत्व केवल आवृत्ति ($\nu$) पर निर्भर करता है; प्रबलता आयाम ($A^2$) पर निर्भर करती है (मात्रक: डेसीबल dB)।
स्पष्ट प्रतिध्वनि (Echo) की न्यूनतम दूरी: श्रुति-निर्बंध $= 0.1\text{ s}$; न्यूनतम दूरी $\approx \mathbf{17.2\text{ m}}$।
मैक संख्या (Mach Number): सबसोनिक ($<1$), सुपरसोनिक ($1.2\text{–}5$, जैसे ब्रह्मोस $\approx 2.8\text{–}3\text{ Mach}$), हाइपरसोनिक ($>5\text{ Mach}$)।
तापमान का प्रतिरोध पर प्रभाव: ताप बढ़ाने पर धातुओं (चालकों) का प्रतिरोध बढ़ता है, किंतु अर्धचालकों (सिलिकॉन/जर्मेनियम) का प्रतिरोध घटता है।
घरेलू विद्युत मानक (भारत): प्रत्यावर्ती धारा (AC), वोल्टेज $= 220\text{–}230\text{ V}$, आवृत्ति $= \mathbf{50\text{ Hz}}$ (प्रति सेकंड 100 बार धारा की दिशा बदलती है)। सभी उपकरण समानांतर क्रम में जुड़े होते हैं।
विद्युत फ्यूज तार: सीसा + टिन मिश्रधातु; उच्च प्रतिरोध और निम्न गलनांक; लाइव तार में श्रेणीक्रम (Series) में जुड़ता है।
नाइक्रोम बनाम टंगस्टन: हीटर की कुंडली = नाइक्रोम ($\text{Ni+Cr+Fe}$); बल्ब का तंतु = टंगस्टन (गलनांक $3422^\circ\text{C}$)।
1 यूनिट बिजली (1 kWh): $1\text{ kWh} = 1000\text{ W} \times 3600\text{ s} = \mathbf{3.6 \times 10^6\text{ जूल}}$।
चुंबकीय पदार्थ: प्रतिचुंबकीय (बिस्मथ, जल, तांबा, अतिचालक — प्रतिकर्षित); अनुचुंबकीय (एल्युमिनियम, $\text{O}_2$ — हल्का आकर्षित); लौहचुंबकीय (लोहा, निकेल, कोबाल्ट — प्रबल आकर्षित)।
क्यूरी तापमान: जिसके ऊपर लौहचुंबकीय पदार्थ अनुचुंबकीय बन जाता है (लोहे के लिए $770^\circ\text{C}$)।
विद्युत-चुंबक बनाम स्थायी चुंबक: विद्युत-चुंबक व ट्रांसफॉर्मर क्रोड = नर्म लोहा (Soft Iron); स्थायी चुंबक = स्टील या एलनिको (Alnico)।
फैराडे का विद्युतचुम्बकीय प्रेरण: जनरेटर, ट्रांसफॉर्मर, वायरलेस चार्जिंग, इंडक्शन चूल्हा (भँवर धाराएँ / Eddy currents) और मेटल डिटेक्टर का आधार।
ट्रांसफॉर्मर नियम: केवल प्रत्यावर्ती धारा (AC) पर कार्य करता है, DC पर नहीं; यह वोल्टेज बदलता है पर आवृत्ति ($50\text{ Hz}$) नहीं बदलता।
अतिचालकता (Superconductivity): क्रांतिक ताप के नीचे शून्य प्रतिरोध ($R=0$) + मेसनर प्रभाव (चुंबकीय क्षेत्र का निष्कासन / पूर्ण प्रतिचुंबकत्व)।
MRI स्कैनर: अतिचालक चुंबक (द्रव हीलियम शीतलित) + रेडियो तरंगें; हाइड्रोजन नाभिकों का अनुनाद; शून्य आयनकारी विकिरण।
सौर तूफान / CME प्रभाव (UPSC 2022): GPS, शॉर्टवेव रेडियो व उपग्रह कक्षाओं में बाधा, पावर ग्रिड ट्रांसफॉर्मर क्षति और तीव्र अरोरा; सुनामी या दावाग्नि नहीं होते।
अरोरा (UPSC Mains 2024): उत्तरी ध्रुव = अरोरा बोरियालिस, दक्षिणी ध्रुव = अरोरा ऑस्ट्रेलिस; ऑक्सीजन से हरा/लाल और नाइट्रोजन से नीला/बैंगनी प्रकाश।
DRDO स्वदेशी सोनार एवं MP-AUVs (2025–2026): HUMSA-NG, USHUS, Maareech और बारूदी सुरंग रोधी मैन-पोर्टेबल स्वायत्त अंडरवाटर वाहन (MP-AUVs)।

खंड 11

प्रामाणिक संदर्भ एवं आधिकारिक स्रोत सूची

संघ लोक सेवा आयोग (UPSC) — आधिकारिक पूर्व प्रश्नपत्र (Prelims 2018, 2022, 2023 एवं Mains 2024): https://www.upsc.gov.in/examinations/previous-question-papers (सत्यापन तिथि: 02 नवंबर 2026)।
रक्षा अनुसंधान एवं विकास संगठन (DRDO) — नौसैनिक सोनार प्रणालियाँ (NPOL) एवं मैन-पोर्टेबल स्वायत्त अंडरवाटर वाहन (NSTL): https://www.drdo.gov.in/ (सत्यापन तिथि: 02 नवंबर 2026)।
भारतीय अंतरिक्ष अनुसंधान संगठन (ISRO) — आदित्य-L1 अंतरिक्ष मौसम, सौर प्रज्वाल एवं CME अध्ययन: https://www.isro.gov.in/Aditya_L1.html (सत्यापन तिथि: 02 नवंबर 2026)।
NCERT भौतिकी (कक्षा XI भाग 2: अध्याय 14 'तरंगें'; तथा कक्षा XII भाग 1: अध्याय 3 'विद्युत धारा', अध्याय 5 'चुंबकत्व एवं द्रव्य', अध्याय 6 'विद्युतचुम्बकीय प्रेरण' एवं अध्याय 7 'प्रत्यावर्ती धारा'): https://ncert.nic.in/textbook.php (सत्यापन तिथि: 02 नवंबर 2026)।

अंतर-अध्याय संदर्भ (Cross-Chapter References): एम्पियर मात्रक व सोनार परिचय अध्याय 01 में; भूकंपीय छाया क्षेत्र अध्याय 02 में; विद्युतचुम्बकीय स्पेक्ट्रम व ध्रुवण अध्याय 04 में; परमाणु संरचना आगामी अध्याय 06 में; सेमीकंडक्टर चिप अध्याय 25 में; स्मार्ट ग्रिड व बैटरी अध्याय 37 में; रडार, सोनार व इलेक्ट्रॉनिक युद्ध अध्याय 40 में तथा सुपरकंडक्टर पदार्थ अध्याय 44 में सम्मिलित हैं।