टंगस्टन और नाइक्रोम का फ़र्क़ वहीं से शुरू होता है कि ये चीज़ें हैं क्या: टंगस्टन एक शुद्ध धातु तत्व है, और नाइक्रोम निकल तथा क्रोमियम से बनाई गई मिश्र धातु है। सभी धातुओं में सबसे ऊँचा गलनांक टंगस्टन का है (3422 °C), पर उसकी विद्युत प्रतिरोधकता कम है और वह हवा में जल जाता है। नाइक्रोम क़रीब 1400 °C पर पिघलता है, पर उसकी प्रतिरोधकता टंगस्टन से लगभग अठारह गुना है, और उस पर ऑक्साइड की एक बचाने वाली परत चढ़ जाती है, जिसकी बदौलत वह खुली हवा में सालों तक लाल-गरम होकर चमकता रह सकता है। इसीलिए टंगस्टन बंद बल्ब के भीतर फ़िलामेंट बनकर जाता है और नाइक्रोम आपके टोस्टर, इस्तरी और इमर्शन हीटर में।
दोनों चीज़ें हैं क्या
टंगस्टन 74वाँ तत्व है, संकेत W, जिसे वुल्फ़्रम भी कहते हैं। यह सख़्त, भारी, भूरा-सफ़ेद संक्रमण धातु है, जो मुख्य रूप से वुल्फ़्रमाइट और शीलाइट अयस्कों में मिलता है। शुद्ध रूप में यह भुरभुरा होता है और इसे ढालना मुश्किल है, पर थोड़ी मिलावट वाले टंगस्टन को इंसान के बाल जितना पतला तार बनाकर खींचा जा सकता है — और बल्ब के फ़िलामेंट को यही चाहिए।
नाइक्रोम कोई तत्व नहीं है और न ही इसका कोई तय सूत्र है। सबसे आम क़िस्म, नाइक्रोम 80/20, में क़रीब 80% निकल और 20% क्रोमियम होता है; दूसरी क़िस्मों में लोहा भी मिलाया जाता है, आम तौर पर क़रीब 60% निकल, 15% क्रोमियम और 25% लोहा। इसे बीसवीं सदी की शुरुआत में ख़ास तौर पर उस मुश्किल के लिए बनाया गया जिसे कोई भी शुद्ध धातु ढंग से हल नहीं कर पा रही थी: ऐसा तार जो गरम हो, गरम बना रहे, और गरम रहते हुए गलकर ख़त्म न हो जाए।
दोनों बिजली चलाते हैं और दोनों में धारा जाने पर गर्मी पैदा होती है, वही जूल ऊष्मन वाला नियम H = I²Rt। इनके इस्तेमाल की बाक़ी हर बात गिनी-चुनी भौतिक ख़ूबियों से ही निकलती है।
टंगस्टन और नाइक्रोम: पूरी तुलना
| गुण | टंगस्टन | नाइक्रोम |
|---|---|---|
| पदार्थ की प्रकृति | शुद्ध तत्व (W, परमाणु क्रमांक 74) | निकल और क्रोमियम की मिश्र धातु (अक्सर लोहे के साथ) |
| आम बनावट | लगभग 100% टंगस्टन (ज़रा-सी मिलावट के साथ) | क़रीब 80% Ni, 20% Cr (नाइक्रोम 80/20) |
| गलनांक | क़रीब 3422 °C — सभी धातुओं में सबसे ऊँचा | क़रीब 1400 °C |
| कमरे के तापमान पर विद्युत प्रतिरोधकता | क़रीब 5.6 × 10⁻⁸ Ω m | क़रीब 100 × 10⁻⁸ Ω m (1.0 × 10⁻⁶ Ω m) |
| प्रतिरोधकता का ताप गुणांक | क़रीब 0.0045 प्रति °C — गरम होते ही प्रतिरोध तेज़ी से बढ़ता है | क़रीब 0.0004 प्रति °C — गरम होने पर प्रतिरोध लगभग वैसा ही रहता है |
| घनत्व | क़रीब 19,300 kg/m³ (19.3 g/cm³) | क़रीब 8,400 kg/m³ (8.4 g/cm³) |
| गरम होने पर हवा में बर्ताव | तेज़ी से ऑक्सीकृत हो जाता है; इसे निर्वात या निष्क्रिय गैस में बंद रखना पड़ता है | क्रोमियम ऑक्साइड (Cr₂O₃) की चिपकी हुई परत बना लेता है, जो धातु को बचाती है |
| आम कामकाजी तापमान | बल्ब के फ़िलामेंट में क़रीब 2500 °C | हवा में लगभग 1150–1200 °C तक |
| यांत्रिक स्वभाव | सख़्त और भुरभुरा; ढालना मुश्किल और महँगा | लचीला और स्प्रिंग जैसा; आसानी से तार बनता और लपेटा जाता है |
| क़ीमत | ज़्यादा | तुलना में कम |
| मुख्य इस्तेमाल | बल्ब के फ़िलामेंट, X-ray टारगेट, वेल्डिंग इलेक्ट्रोड, काटने के औज़ार | टोस्टर, इस्तरी, गीज़र, हेयर ड्रायर, भट्ठी और प्रतिरोधकों में हीटिंग एलिमेंट |
| उस काम के लिए क्यों ठीक है | अकेली धातु जो चमकने लायक़ तापमान पर भी ठोस बनी रहती है | ऊँची और टिकाऊ प्रतिरोधकता, साथ में खुली हवा में ऑक्सीकरण से बचाव |
टंगस्टन अच्छा फ़िलामेंट क्यों बनता है
फ़िलामेंट वाला बल्ब इस तरह काम करता है कि तार इतना गरम हो जाए कि उससे दिखने वाली रोशनी निकले। क़रीब 2000 °C से नीचे ज़्यादातर विकिरण अवरक्त होता है और बल्ब मरियल-सा लाल चमकता है; तापमान जितना ऊँचा, रोशनी उतनी सफ़ेद और उतनी ही किफ़ायती। यानी फ़िलामेंट के पदार्थ को ऐसा तापमान झेलना है जिस पर बाक़ी लगभग हर चीज़ भाप बन जाए।
3422 °C का गलनांक ही इसे मुमकिन बनाता है। क़रीब 2500 °C पर चलता टंगस्टन फ़िलामेंट अपने गलनांक से आराम से नीचे रहता है — और कोई दूसरी धातु उस इलाक़े के आसपास भी नहीं पहुँचती। टंगस्टन का वाष्प दबाव भी बहुत कम है, इसलिए वह कुछ ही मिनटों में उड़ने के बजाय धीरे-धीरे घटता है।
पर प्रतिरोधकता उसकी किसी आम धातु जैसी ही है, बस क़रीब 5.6 × 10⁻⁸ Ω m। बिजली ख़र्च करने लायक़ प्रतिरोध पाने के लिए फ़िलामेंट को बहुत लंबा और बहुत पतला होना पड़ता है। बनाने वाले इसका हल यह निकालते हैं कि तार को कुंडली में लपेट देते हैं, और फिर उस कुंडली को दोबारा कुंडली में — पुराने बल्ब को ग़ौर से देखिए तो यही “कुंडली की कुंडली” दिखती है। जो फ़िलामेंट सीधा करने पर आधा मीटर लंबा होता, वह दो-तीन सेंटीमीटर में समा जाता है।
अड़चन ऑक्सीजन है। गरम टंगस्टन हवा से आसानी से जुड़कर टंगस्टन ऑक्साइड बना लेता है, और हवा में खुला चमकता फ़िलामेंट पल भर में ख़त्म हो जाता है। इसीलिए बल्बों से हवा निकाल दी जाती है या उनमें आर्गन जैसी निष्क्रिय गैस थोड़ी नाइट्रोजन के साथ भर दी जाती है — यह गैस फ़िलामेंट के घटने की रफ़्तार भी धीमी करती है। टंगस्टन की प्रतिरोधकता का ताप गुणांक ऊँचा है, क़रीब 0.0045 प्रति °C, और इसका एक असर आँखों के सामने दिखता है: ठंडे फ़िलामेंट का प्रतिरोध गरम फ़िलामेंट से कहीं कम होता है, इसलिए स्विच दबाते ही आने वाली धारा चलती धारा से कई गुना होती है। यही वजह है कि फ़िलामेंट वाले बल्ब लगभग हमेशा स्विच ऑन करते ही फ़्यूज़ होते हैं।
नाइक्रोम अच्छा हीटिंग एलिमेंट क्यों बनता है
हीटिंग एलिमेंट का काम इसका उलटा है। उसे गर्मी देनी है, रोशनी नहीं; खुली हवा में रहना है; और सालों तक बार-बार चालू-बंद होते हुए टिकना है।
ऊँची प्रतिरोधकता। क़रीब 100 × 10⁻⁸ Ω m पर नाइक्रोम की प्रतिरोधकता टंगस्टन से लगभग अठारह गुना है। छोटा-सा और ठीक-ठाक मोटा नाइक्रोम तार उतना प्रतिरोध दे देता है जितना 1000 वाट के उपकरण को चाहिए। यही चीज़ ताँबे से बनानी पड़ती तो तार बेढंगे ढंग से लंबा और पतला करना पड़ता।
ऑक्सीकरण से बचाव। असली कमाल नाइक्रोम का यही है। हवा में पहली बार गरम होते ही उसमें मौजूद क्रोमियम ऑक्सीकृत होकर सतह पर क्रोमियम ऑक्साइड की पतली, घनी और कसकर चिपकी परत बना देता है। यह परत टिकाऊ है और नीचे की धातु तक ऑक्सीजन को पहुँचने नहीं देती, इसलिए तार गलता नहीं, बल्कि गलना बंद कर देता है। यही वह तरीक़ा है जिससे स्टेनलेस स्टील पर जंग नहीं लगती।
काफ़ी ऊँचा गलनांक। नाइक्रोम क़रीब 1400 °C पर पिघलता है और हवा में आम तौर पर 1150–1200 °C तक चलाया जाता है — घरेलू उपकरणों के 300–800 °C से कहीं ऊपर, यानी अच्छी-ख़ासी गुंजाइश बची रहती है।
बहुत कम ताप गुणांक। क़रीब 0.0004 प्रति °C पर नाइक्रोम का प्रतिरोध ठंडे और दहकते, दोनों हाल में लगभग एक-सा रहता है। इसका मतलब है लगभग बराबर धारा और एक-सी गर्मी — टोस्टर में यह अच्छी बात है, और प्रयोगशाला की भट्ठी या सटीक प्रतिरोधक में तो ज़रूरी ही है।
बनाना और ढालना सस्ता है। नाइक्रोम लचीला और स्प्रिंग जैसा है, उसे तार में खींचना और उपकरणों के भीतर दिखने वाली चपटी कुंडलियों में लपेटना आसान है। भुरभुरा और महँगा टंगस्टन इनमें से हर काम में अड़ता है।
आम ग़लतफ़हमियाँ
“टंगस्टन का प्रतिरोध नाइक्रोम से ज़्यादा है।” नहीं है। नाइक्रोम की प्रतिरोधकता टंगस्टन से क़रीब अठारह गुना है। लोग इसलिए उलझ जाते हैं कि बल्ब के फ़िलामेंट का *प्रतिरोध* ऊँचा होता है — पर वह उसकी बहुत ज़्यादा लंबाई और बाल जितने पतलेपन से आता है, ऊँची प्रतिरोधकता से नहीं। प्रतिरोध R = ρL/A होता है; यहाँ काम बनावट कर रही है, पदार्थ नहीं।
“बल्ब का फ़िलामेंट नाइक्रोम से क्यों नहीं बनाते?” वह पिघल जाएगा। नाइक्रोम क़रीब 1400 °C पर जवाब दे देता है, जबकि सफ़ेद रोशनी देने के लिए फ़िलामेंट को क़रीब 2500 °C पर रहना पड़ता है। उससे नीचे वह बस हल्का लाल चमकेगा और अपनी लगभग सारी ऊर्जा गर्मी में बहा देगा।
“टोस्टर का एलिमेंट टंगस्टन से क्यों नहीं बनाते?” वह जल जाएगा। खुली हवा में रखा टंगस्टन एलिमेंट तेज़ी से ऑक्सीकृत होकर बिखर जाता है। ऊपर से वह भुरभुरा और महँगा है, और उसकी प्रतिरोधकता इतनी कम है कि छोटे तार में काम भर का प्रतिरोध मिलता ही नहीं।
“ऑक्सीकरण की चिंता सिर्फ़ लोहे में होती है।” हवा में गरम होने वाली हर धातु में होती है, और यहाँ के दोनों पदार्थ इसके दो छोर पर बैठे हैं — ऑक्सीकरण टंगस्टन को ख़त्म करता है और नाइक्रोम को बचाता है। धातुओं पर हमले और उनके बचाव के आम तरीक़े संक्षारण की वजहें और बचाव वाले नोट में समझाए गए हैं।
“नाइक्रोम एक धातु है।” नाइक्रोम मिश्र धातु है — धातुओं का ठोस मिश्रण, कोई तत्व नहीं। समझने के लिहाज़ से यह बात अहम है: उसकी ऊँची प्रतिरोधकता और कम ताप गुणांक मिलावट से ही गढ़े गए हैं। निकल में क्रोमियम मिलाने से जालक की सधी हुई बनावट बिगड़ती है, चालक इलेक्ट्रॉन ज़्यादा बिखरते हैं, और प्रतिरोधकता ऊपर चली जाती है।
“जोड़ने वाले तार और एलिमेंट एक ही चीज़ हैं।” बिजली की इस्तरी या बल्ब में जोड़ने वाले तार ताँबे जैसी कम प्रतिरोधकता वाली धातु के होते हैं, और यह चुनाव जान-बूझकर किया जाता है ताकि उनमें गर्मी लगभग बने ही नहीं। पूरा प्रतिरोध, और इसलिए पूरी गर्मी, एलिमेंट या फ़िलामेंट में ही सिमटी रहती है।
पदार्थों के गुणों वाली ऐसी ही सोच दूसरी भौतिक तुलनाओं में भी दिखती है, जैसे द्रव्यमान और भार का अंतर, जहाँ ज़्यादातर ग़लतियाँ इसी एक उलझन से होती हैं कि कौन-सी चीज़ पदार्थ का अपना गुण है और कौन-सी हालात पर टिकी मात्रा।
सामान्य प्रश्न
नाइक्रोम तत्व है या मिश्र धातु?
नाइक्रोम मिश्र धातु है, सबसे आम रूप में क़रीब 80% निकल और 20% क्रोमियम, कभी-कभी लोहे के साथ। इसके उलट टंगस्टन एक रासायनिक तत्व है, जिसका संकेत W और परमाणु क्रमांक 74 है।
टंगस्टन और नाइक्रोम में गलनांक किसका ऊँचा है?
टंगस्टन का, और वह भी बहुत बड़े अंतर से। टंगस्टन क़रीब 3422 °C पर पिघलता है — सभी धातुओं में सबसे ऊँचा गलनांक — जबकि नाइक्रोम क़रीब 1400 °C पर।
प्रतिरोधकता किसकी ज़्यादा है?
नाइक्रोम की। उसकी प्रतिरोधकता क़रीब 100 × 10⁻⁸ Ω m है, जबकि टंगस्टन की 5.6 × 10⁻⁸ Ω m — यानी लगभग अठारह गुना फ़र्क़। हीटिंग एलिमेंट के लिए नाइक्रोम इसी ऊँची प्रतिरोधकता की वजह से चुना जाता है।
टंगस्टन फ़िलामेंट को निर्वात या निष्क्रिय गैस में बंद क्यों रखना पड़ता है?
क्योंकि गरम टंगस्टन हवा में तेज़ी से ऑक्सीकृत होता है और पल भर में जलकर ख़त्म हो जाएगा। भीतर भरी निष्क्रिय गैस फ़िलामेंट से टंगस्टन के परमाणुओं के उड़ने की रफ़्तार भी घटाती है, जिससे बल्ब ज़्यादा चलता है।
नाइक्रोम खुली हवा में जलकर ख़त्म क्यों नहीं होता?
पहली बार गरम होते ही उसका क्रोमियम सतह पर क्रोमियम ऑक्साइड की पतली, घनी और चिपकी हुई परत बना देता है। यह परत नीचे की धातु को ऑक्सीजन से बचा लेती है, इसलिए तार हवा में बार-बार गरम होने पर भी टिका रहता है।
फ़िलामेंट वाले बल्ब अक्सर स्विच ऑन करते ही क्यों फ़्यूज़ होते हैं?
टंगस्टन की प्रतिरोधकता का ताप गुणांक बड़ा है, इसलिए ठंडे फ़िलामेंट का प्रतिरोध गरम फ़िलामेंट से कहीं कम होता है। स्विच दबाते ही आने वाली धारा सामान्य चलती धारा से कई गुना होती है, और जो फ़िलामेंट पहले ही घटकर पतला हो चुका है वह उसी वक़्त टूट जाता है।
क्या रिओस्टेट के तार नाइक्रोम से बनाए जा सकते हैं?
हाँ, और आम तौर पर बनाए जाते हैं। ऊँची प्रतिरोधकता की वजह से छोटी लंबाई में ही काम भर का प्रतिरोध मिल जाता है, और बहुत कम ताप गुणांक की वजह से तार गरम होने पर भी वह प्रतिरोध लगभग वैसा ही रहता है — प्रतिरोध बॉक्स, रिओस्टेट और मानक प्रतिरोधकों में दोनों बातें चाहिए ही।
अभ्यास प्रश्न
1. बल्ब के फ़िलामेंट में टंगस्टन इस्तेमाल करने की मुख्य वजह इनमें से क्या है?
a) धातुओं में इसकी विद्युत प्रतिरोधकता सबसे ज़्यादा है
b) धातुओं में इसका गलनांक सबसे ऊँचा है
c) धातुओं में इसका घनत्व सबसे कम है
d) इसका प्रतिरोध का ताप गुणांक ऋणात्मक है
उत्तर: b) धातुओं में इसका गलनांक सबसे ऊँचा है
2. नाइक्रोम को सबसे सही तरीक़े से क्या कहा जाएगा?
a) शुद्ध धातु तत्व
b) मुख्य रूप से निकल और क्रोमियम की मिश्र धातु
c) ताँबे और जस्ते की मिश्र धातु
d) अधात्विक चालक
उत्तर: b) मुख्य रूप से निकल और क्रोमियम की मिश्र धातु
3. हीटिंग एलिमेंट के लिए ताँबे के बजाय नाइक्रोम इसलिए चुना जाता है क्योंकि नाइक्रोम में होती है:
a) कम प्रतिरोधकता और कम गलनांक
b) ज़्यादा प्रतिरोधकता और ऊँचे तापमान पर ऑक्सीकरण से ज़्यादा बचाव
c) ज़्यादा घनत्व और बेहतर ऊष्मा चालकता
d) प्रतिरोध का बड़ा ताप गुणांक
उत्तर: b) ज़्यादा प्रतिरोधकता और ऊँचे तापमान पर ऑक्सीकरण से ज़्यादा बचाव
4. स्विच ऑन करते समय टंगस्टन फ़िलामेंट का प्रतिरोध चलते हुए के प्रतिरोध से बहुत कम होता है, क्योंकि टंगस्टन में होता है:
a) प्रतिरोधकता का बड़ा धनात्मक ताप गुणांक
b) प्रतिरोधकता का ऋणात्मक ताप गुणांक
c) तापमान से बेअसर प्रतिरोधकता
d) कमरे के तापमान पर अतिचालकता
उत्तर: a) प्रतिरोधकता का बड़ा धनात्मक ताप गुणांक
5. नाइक्रोम हीटिंग एलिमेंट को हवा में गलने से बचाने वाली परत मुख्य रूप से किसकी होती है?
a) निकल ऑक्साइड
b) आयरन ऑक्साइड
c) क्रोमियम ऑक्साइड
d) टंगस्टन ऑक्साइड
उत्तर: c) क्रोमियम ऑक्साइड
मुख्य परीक्षा जैसे प्रश्न
- प्रतिरोधकता, गलनांक और ऑक्सीकरण के बर्ताव के आधार पर टंगस्टन और नाइक्रोम की तुलना कीजिए, और बताइए कि हर गुण किस तरह उस पदार्थ का मुख्य इस्तेमाल तय करता है।
- “प्रतिरोध और प्रतिरोधकता एक चीज़ नहीं हैं।” बल्ब के फ़िलामेंट के उदाहरण से इस कथन को समझाइए, जो कम प्रतिरोधकता वाली धातु से बनता है फिर भी जिसका प्रतिरोध ऊँचा होता है।
- नाइक्रोम को उदाहरण बनाकर बताइए कि मानक प्रतिरोधकों और हीटिंग एलिमेंट के पदार्थ चुनते समय प्रतिरोधकता का ताप गुणांक इतना अहम पैमाना क्यों है।
- निकल-क्रोमियम को उदाहरण लेकर बताइए कि मिश्र धातु बनाना धातुओं के विद्युत गुणों को किस तरह बदल देता है।
- फ़िलामेंट वाला बल्ब अपनी दी हुई ऊर्जा का बहुत थोड़ा हिस्सा ही दिखने वाली रोशनी में बदलता है। इसकी भौतिक वजहें समझाइए, और चर्चा कीजिए कि फ़िलामेंट का तापमान बढ़ाने से रोशनी तो किफ़ायती होती है पर बल्ब की उम्र क्यों घट जाती है।
