ফ্যারাডের খাঁচা

তথ্যপ্রযুক্তির এই যুগে আপনার ব্যক্তিগত তথ্য কি গোপন থাকছে? আমরা স্বেচ্ছায় স্মার্টফোন বা কম্পিউটারে নিজের নানা তথ্য দিই। এসব তথ্য সংগ্রহ করছে বিভিন্ন প্রযুক্তিপ্রতিষ্ঠান। না, আমাদের অজান্তে নয়। আমরা চুক্তি মেনে নিয়েই এসব তথ্য দিচ্ছি। বর্তমানে একটি কথা খুবই শোনা যায়, আপনি নিজেকে যতটা জানেন, গুগল তার চেয়ে বেশি জানে। কথাটা সত্যি। আমরা স্বেচ্ছায় যত তথ্য ডিভাইসে ইনপুট করি, তার চেয়ে বেশি তথ্য পেয়ে যায় প্রতিষ্ঠানগুলো আমাদের অজান্তে। আর এসব তথ্য আমার–আপনার কাছ থেকে তাদের হাতে যায় তরঙ্গের মাধ্যমে। বর্তমান পৃথিবীটা যেন দাঁড়িয়েই আছে বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গের ওপর। মুঠোফোনের নেটওয়ার্ক, ইন্টারনেট সংযোগ, রেডিও, টেলিভিশন সবখানেই তথ্য আদান–প্রদানের মাধ্যম এই অদৃশ্য তরঙ্গ। বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ ধরা যায় না, ছোঁয়া যায় না। একে ধ্বংস করারও সুযোগ নেই। তবে একে চাইলে নিষ্ক্রিয় করে দেওয়া যায়।

প্রায় দুই শতাব্দী আগে ইংরেজ পদার্থবিদ মাইকেল ফ্যারাডে আবিষ্কার করেছিলেন সে কৌশল। বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় বিজ্ঞানের এই অগ্রদূত ১৮৩৮ সালে বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ নিষ্ক্রিয় করার উপযোগী একটি বাক্স তৈরি করেন। দেখা গেল, সেই বাক্সের বাইরে থেকে কোনো বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গই আর ঢুকছে না ভেতরে। আমরা এখন জানি, এই বাক্সের নাম ফ্যারাডে কেজ বা ফ্যারাডের খাঁচা। ২০০ বছর আগে যেমন জিনিসটা দারুণ কাজ করেছিল, এখনো তা–ই করে। ব্যক্তিগত পর্যায়ে এর ব্যবহার তেমন একটা না থাকলেও বাণিজ্যিকভাবে কিন্তু ফ্যারাডে কেজের মূলনীতি নানা ক্ষেত্রে কাজে লাগানো হয়।

বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ

প্রাকৃতিকভাবেই কোনো বিদ্যুৎ চার্জ তার চারপাশে একটি বিদ্যুৎক্ষেত্র তৈরি করে। এই ক্ষেত্রের দিক হয় ধনাত্মক চার্জ থেকে বাইরের দিকে। চার্জ থেকে যত দূরে যাওয়া যায়, ততই কমে এর শক্তি। (ছবি ১)

বিদ্যুৎক্ষেত্র তৈরির আরেকটা উপায় আছে। চৌম্বকক্ষেত্রের সাহায্যেও বিদ্যুৎক্ষেত্র তৈরি করা যায়। চুম্বকের চারপাশে মূলত চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি হয়। একটি চুম্বককে ঘোরাতে থাকলে তার চৌম্বকক্ষেত্রের পরিবর্তন ঘটে। এর ফলেই তৈরি হয় বিদ্যুৎক্ষেত্র।

মজার বিষয় হলো, বিদ্যুৎক্ষেত্রের পরিবর্তনের কারণেও চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি হয়। অর্থাৎ আমরা এমন এক পরিস্থিতি তৈরি করতে পারি, যেখানে বিদ্যুৎক্ষেত্রের পরিবর্তনের কারণে চৌম্বকক্ষেত্র তৈরি হয়, আবার ওই চৌম্বকক্ষেত্রের পরিবর্তনের কারণে তৈরি হয় বিদ্যুৎক্ষেত্র।

এটাই ম্যাক্সওয়েলের সমীকরণগুলোর মূল ধারণা। সমীকরণগুলো বিদ্যুৎক্ষেত্র ও চৌম্বকক্ষেত্রের মধ্যকার সম্পর্ক নির্দেশ করে। মোট চারটি সমীকরণ প্রকাশ করেন স্কটিশ পদার্থবিদ জেমস ক্লার্ক ম্যাক্সওয়েল।

বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গের তরঙ্গদৈর্ঘ্য খুব বড়, অর্থাৎ ১০ মিটারের বেশি হলে একে বলা হয় রেডিও ওয়েভ বা বেতার তরঙ্গ। অন্যদিকে তরঙ্গদৈর্ঘ্য ১ মিলিমিটার থেকে ১ মিটারের মধ্যে থাকলে সেটা হবে মাইক্রোওয়েভ। আমার–আপনার চোখ ৪০০ থেকে ৭০০ ন্যানোমিটার তরঙ্গদৈর্ঘ্যের বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ শনাক্ত করতে পারে। একেই আমরা দৃশ্যমান আলো বলে চিনি। বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় বর্ণালির খুবই ছোট্ট একটা অংশ এটা।

আরও একটা গুরুত্বপূর্ণ ধারণা আছে। একে বলা হয় সুপারপজিশন প্রিন্সিপাল বা উপরিপাতন নীতি। এ নীতি বলে, কোথাও যখন একাধিক ক্ষেত্র তৈরি হয়, তখন সব কটি ক্ষেত্রের ভেক্টর যোগফলের সমান হয় সম্মিলিত ক্ষেত্রটি। যেমন ধরা যাক, আপনার কাছে দুটি বিদ্যুৎ চার্জ আছে। সেগুলো একই জায়গায় রাখা। এখন এদের বিদ্যুৎক্ষেত্রটা ঠিক কেমন হবে? যোগফল হবে, তাতে সন্দেহ নেই। তবে যোগটা সাধারণ বীজগণিতের নিয়মে হবে না। যেহেতু ক্ষেত্রের দিক থাকে, তাই ভেক্টর নিয়মে যোগ হবে। অর্থাৎ যেকোনো বিন্দুতে বিদ্যুৎক্ষেত্রটা হবে আসলে দুই বা ততোধিক চার্জের ভেক্টর যোগফলের সমান। (ছবি-২)

দুটি চার্জ যদি একই দিকে বিদ্যুৎক্ষেত্র তৈরি করে, তাহলে সম্মিলিত ক্ষেত্রটি হবে অনেক বড়। আর দুটি চার্জ বিপরীত দিকে ক্ষেত্র তৈরি করলে মোট বিদ্যুৎক্ষেত্রটি ছোট হবে। বিদ্যুৎক্ষেত্র শূন্যও হতে পারে, যদি পরস্পর বিপরীতমুখী দুটি ক্ষেত্রের মান সমান হয়!

পরিবাহী পদার্থের বিদ্যুৎক্ষেত্র

ঠিক এই কাজই করা হয় ফ্যারাডের খাঁচায়। এতে একই ধরনের বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ বিপরীতমুখী করে তৈরি করা হয়। ফলে বাইরে থেকে আসা তরঙ্গটি বাতিল হয়ে যায়। এ জন্য সুপারপজিশনকে ধন্যবাদ দিতে পারেন। দুটি ক্ষেত্র পরস্পরকে নিষ্ক্রিয় করে দিয়ে মোট ক্ষেত্রটি শূন্য হওয়ার বিষয়টিকে সুপারপজিশন বলে। আরেকটা সুপারপজিশন আছে কোয়ান্টাম মেকানিকসে। দুটো পুরোপুরি এক জিনিস নয়। বিদ্যুৎক্ষেত্র শূন্য হলে সেখানে কোনো বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ থাকার সুযোগ নেই। মনে রাখা দরকার, ফ্যারাডের খাঁচা কিন্তু বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গকে আটকে দিচ্ছে না, শুধু শূন্য করে বাতিল করে দিচ্ছে।

মুক্ত ইলেকট্রনগুলো যেহেতু গোলকের পৃষ্ঠে অবস্থান করছে, তাই গোলকের ভেতরের যেকোনো বিন্দুতে মোট বিদ্যুৎক্ষেত্র হবে শূন্য। যদি শূন্য না হয়, তাহলে বিদ্যুৎক্ষেত্রটি ইলেকট্রনকে ধাক্কা দিতে থাকবে। মুক্ত ইলেকট্রনগুলো সব সরে যাবে গোলকের পৃষ্ঠের দিকে। একটা সময় অবশ্যই শূন্যে পরিণত হবে। আর বিদ্যুৎক্ষেত্র শূন্য হলে এর ভেতরে কোনো বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ থাকবে না। গোলকটি পরিণত হবে একটি ফ্যারাডে খাঁচায়।

বিদ্যুৎক্ষেত্র নাহয় শূন্য হলো, কিন্তু চৌম্বকক্ষেত্রের কী হবে? এটাও বাতিল হয়ে যাবে। তবে বিদ্যুৎক্ষেত্রের মতো করে নয়। আসলে বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গ চলাচলের জন্য চৌম্বকক্ষেত্রের পাশাপাশি বিদ্যুৎক্ষেত্রও দরকার। কোনো একটি শূন্য হলেই আর তরঙ্গ চলাচল করতে পারে না। ফলে চৌম্বকক্ষেত্র আপনাতেই বাতিল হয়ে যাবে।

সত্যিকারের ফ্যারাডে খাঁচা

ফ্যারাডে খাঁচা গোলাকার হওয়া জরুরি নয়। প্রায় যেকোনো আকৃতিরই হতে পারে। শুধু ভেতরটা ফাঁকা থাকতে হবে। যদিও তাত্ত্বিকভাবে ফাঁকা হওয়াও জরুরি নয়। কারণ, সব চার্জ পৃষ্ঠে জমা হলে ভেতরের বিদ্যুৎক্ষেত্র এমনিতেই শূন্য হবে। ব্যবহারোপযোগী করার জন্য ভেতরটা ফাঁকা রাখতে হয়। বাস্তব জীবনে আপনি অবশ্য যেকোনো পরিবাহী দিয়ে ফোন ঢেকে রেখে সেটাকে ফ্যারাডে খাঁচা হিসেবে ধরতে পারবেন না।

ফ্যারাডের খাঁচার জন্য দুটি জিনিস খুব গুরুত্বপূর্ণ। এক, পরিবাহী পদার্থের পুরুত্ব। আর দুই, পরিবাহীর কাঠিন্য। পুরুত্বের বিষয়টা আগে বলা যাক।

ফ্যারাডে খাঁচার একটি মানদণ্ড হলো উপাদানের পুরুত্ব। এর মাধ্যমে ফ্যারাডে খাঁচা তৈরির জন্য ন্যূনতম কতটুকু পুরু হলে তা বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গকে বাতিল করার মতো যথেষ্ট হবে, তা হিসাব করা হয়।

উপাদানের পুরুত্ব কেমন হবে, তা নির্ভর করে এর প্রতিরোধক্ষমতা (কোনো পদার্থের ইলেকট্রনগুলো চলাচল কতটা কঠিন), বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গের কম্পাঙ্ক এবং ওই পদার্থের চৌম্বক ধর্মের ওপর। এর অর্থ, বেতার তরঙ্গের মতো লম্বা তরঙ্গদৈর্ঘ্যের বিদ্যুৎ–চৌম্বকীয় তরঙ্গের জন্য তুলনামূলক বেশি পুরুত্বের পদার্থ দরকার।

ধরুন, আপনি আপনার ফোনটা এক প্রস্থ অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল দিয়ে মুড়িয়ে ফেললেন। অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল বিদ্যুৎ পরিবহন করে। আর এটি খুবই পাতলা। খুব বেশি ইলেকট্রন এতে মুক্ত থাকে না, বেশি দূরেও যেতে পারে না। ফলে জিনিসটা ফ্যারাডের খাঁচায় পরিণত হবে না। এ ক্ষেত্রে একটি অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল যথেষ্ট নয়।

এসব কথা যে চোখ বন্ধ করে মেনে নিতে হবে, তা নয়। চাইলে বাজার থেকে অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল কিনে পরীক্ষাটি হাতে–কলমে করতে পারেন। এ জন্য প্রথমে আপনার ফোনটিকে এক প্রস্থ অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল দিয়ে ভালোভাবে মুড়ে নিন। এরপর আরেকটি ফোন দিয়ে আপনার ফোনে কল করুন। যদি বেজে ওঠে, তাহলে বুঝবেন জিনিসটা ফ্যারাডে খাঁচায় পরিণত হয়নি। তাই আরেক প্রস্থ অ্যালুমিনিয়াম ফয়েল নিয়ে আবার ফোনটা মুড়ে ফেলুন। আবার কল দিন। এভাবে যতক্ষণ পর্যন্ত কল ঢুকবে, ততক্ষণ একই কাজ করুন। একসময় দেখবেন, অ্যালুমিনিয়াম ফয়েলের স্তর যথেষ্ট পুরু হয়েছে। আর কল ঢুকছে না। অর্থাৎ অ্যালুমিনিয়াম ফয়েলের আবরণটি এখন ফ্যারাডের খাঁচা হিসেবে কাজ করা শুরু করেছে।