স্পর্শ কোণ (Contact Angle)

পরিচিতি (Introduction)

প্রিয় শিক্ষার্থীরা, আজ আমরা স্পর্শ কোণ সম্পর্কে আলোচনা করব। এটি পদার্থবিজ্ঞানের একটি গুরুত্বপূর্ণ বিষয় যা তরলের পৃষ্ঠতল ধর্ম এবং কঠিন বস্তুর সাথে তরলের সংযোগের উপায় ব্যাখ্যা করে।

(Dear students, today we will discuss the contact angle. It is an important topic in physics that explains the surface properties of a liquid and how it interacts with a solid surface.)

স্পর্শ কোণ কি? (What is Contact Angle?)

স্পর্শ কোণ হল একটি তরলের পৃষ্ঠ এবং একটি কঠিন পৃষ্ঠের সংযোগস্থলে গঠিত কোণ। এটি তরলের পৃষ্ঠতল টান এবং কঠিন পৃষ্ঠের সাথে তরলের আন্তঃক্রিয়া সম্পর্কে গুরুত্বপূর্ণ তথ্য প্রদান করে।

(The contact angle is the angle formed at the junction where a liquid interface meets a solid surface. It provides important information about the surface tension of the liquid and its interaction with the solid surface.)

স্পর্শ কোণের সংজ্ঞা (Definition of Contact Angle)

স্পর্শ কোণ নির্ধারণের জন্য, আমরা তরল ফোঁটাকে একটি কঠিন পৃষ্ঠে রাখি এবং তারপরে তরল পৃষ্ঠ এবং কঠিন পৃষ্ঠের মধ্যে গঠিত কোণ পরিমাপ করি।

(To define the contact angle, we place a drop of liquid on a solid surface and then measure the angle formed between the liquid surface and the solid surface.)

গাণিতিক প্রকাশ (Mathematical Expression)

স্পর্শ কোণ $\theta$ নির্ণয়ের জন্য একটি সাধারণ সূত্র হল:

(A common formula to determine the contact angle $\theta$ is:)

cos⁡𝜃=𝛾𝑆𝑉−𝛾𝑆𝐿𝛾𝐿𝑉cosθ=γLV​γSV​−γSL​​

এখানে, 𝛾𝑆𝑉γSV​ = কঠিন এবং বায়ুর মধ্যে পৃষ্ঠতল টান, 𝛾𝑆𝐿γSL​ = কঠিন এবং তরলের মধ্যে পৃষ্ঠতল টান, 𝛾𝐿𝑉γLV​ = তরল এবং বায়ুর মধ্যে পৃষ্ঠতল টান।

(Here, 𝛾𝑆𝑉γSV​ = Surface tension between solid and vapor, 𝛾𝑆𝐿γSL​ = Surface tension between solid and liquid, 𝛾𝐿𝑉γLV​ = Surface tension between liquid and vapor.)

স্পর্শ কোণের প্রকারভেদ (Types of Contact Angles)

স্পর্শ কোণের বিভিন্ন প্রকারভেদ রয়েছে:

(There are various types of contact angles:)

1. বৈদ্যুতিক স্পর্শ কোণ (Static Contact Angle): এটি তরল ফোঁটার স্থির অবস্থায় গঠিত কোণ। (Static Contact Angle: The angle formed when the liquid droplet is in a stationary state.)

2. অ্যাডভান্সিং স্পর্শ কোণ (Advancing Contact Angle): এটি তরল ফোঁটার পৃষ্ঠের ওপর এগিয়ে যাওয়ার সময় গঠিত কোণ। (Advancing Contact Angle: The angle formed when the liquid droplet advances on the surface.)

3. রিসিডিং স্পর্শ কোণ (Receding Contact Angle): এটি তরল ফোঁটার পৃষ্ঠ থেকে পিছিয়ে যাওয়ার সময় গঠিত কোণ। (Receding Contact Angle: The angle formed when the liquid droplet recedes from the surface.)

স্পর্শ কোণের গুরুত্ব (Importance of Contact Angle)

স্পর্শ কোণ নির্ণয় করে বিভিন্ন বৈশিষ্ট্য সম্পর্কে জানা যায়, যেমন:

(Determining the contact angle provides insights into various properties such as:)

1. পৃষ্ঠতল টান (Surface Tension): স্পর্শ কোণ তরলের পৃষ্ঠতল টান সম্পর্কে তথ্য দেয়। (Surface Tension: The contact angle provides information about the surface tension of the liquid.)

2. ভিজানো ক্ষমতা (Wettability): স্পর্শ কোণ নির্ণয় করে কঠিন পৃষ্ঠের ভিজানো ক্ষমতা বোঝা যায়। (Wettability: The contact angle helps understand the wettability of the solid surface.)

3. আঠালো ধর্ম (Adhesive Properties): স্পর্শ কোণ থেকে জানা যায় তরল এবং কঠিন পৃষ্ঠের মধ্যে আঠালো ধর্ম। (Adhesive Properties: The contact angle reveals the adhesive properties between the liquid and the solid surface.)

স্পর্শ কোণের উদাহরণ (Example of Contact Angle)

ধরা যাক, একটি জল ফোঁটা কাঁচের পৃষ্ঠে স্থাপিত হয়। কাঁচ এবং বায়ুর মধ্যে পৃষ্ঠতল টান 𝛾𝑆𝑉=0.072 N/mγSV​=0.072N/m, কাঁচ এবং জলের মধ্যে পৃষ্ঠতল টান 𝛾𝑆𝐿=0.036 N/mγSL​=0.036N/m, এবং জল এবং বায়ুর মধ্যে পৃষ্ঠতল টান 𝛾𝐿𝑉=0.072 N/mγLV​=0.072N/m। স্পর্শ কোণ নির্ণয় করতে হবে।

(Consider a water droplet placed on a glass surface. The surface tension between glass and air 𝛾𝑆𝑉=0.072 N/mγSV​=0.072N/m, the surface tension between glass and water 𝛾𝑆𝐿=0.036 N/mγSL​=0.036N/m, and the surface tension between water and air 𝛾𝐿𝑉=0.072 N/mγLV​=0.072N/m. Determine the contact angle.)

cos⁡𝜃=𝛾𝑆𝑉−𝛾𝑆𝐿𝛾𝐿𝑉=0.072−0.0360.072=0.5cosθ=γLV​γSV​−γSL​​=0.0720.072−0.036​=0.5 𝜃=cos⁡−1(0.5)=60∘θ=cos−1(0.5)=60∘

সুতরাং, স্পর্শ কোণ হল 60 ডিগ্রি।

(Therefore, the contact angle is 60 degrees.)

স্পর্শ কোণের ব্যবহার (Applications of Contact Angle)

স্পর্শ কোণ বিভিন্ন ক্ষেত্রে ব্যবহার করা হয়, যেমন:

(The contact angle is used in various fields, such as:)

• বায়োমেডিকেল (Biomedical): ইমপ্লান্ট এবং মেডিকেল ডিভাইসের পৃষ্ঠতলের ভিজানো ক্ষমতা নির্ধারণ। (Determining the wettability of implant surfaces and medical devices.)

• কৃষি (Agriculture): কীটনাশক এবং সার প্রয়োগের সময় পৃষ্ঠতল ভিজানোর ক্ষমতা বোঝা। (Understanding the wettability of surfaces during pesticide and fertilizer application.)

• উপকরণ বিজ্ঞান (Material Science): নতুন উপকরণের পৃষ্ঠতল ধর্ম বিশ্লেষণ। (Analyzing the surface properties of new materials.)

স্পর্শ কোণের সীমাবদ্ধতা (Limitations of Contact Angle)

স্পর্শ কোণের কিছু সীমাবদ্ধতা রয়েছে, যেমন:

(The contact angle has some limitations, such as:)

1. ময়লা বা দাগ (Contamination or Dirt): পৃষ্ঠে ময়লা বা দাগ স্পর্শ কোণ পরিমাপে প্রভাব ফেলে। (Contamination or dirt on the surface can affect the contact angle measurement.)

2. পৃষ্ঠের অমসৃণতা (Surface Roughness): পৃষ্ঠের অমসৃণতা স্পর্শ কোণের নির্ভুলতা কমিয়ে দেয়। (Surface roughness can reduce the accuracy of the contact angle.)

3. পরিবেশের অবস্থা (Environmental Conditions): তাপমাত্রা এবং আর্দ্রতা স্পর্শ কোণে পরিবর্তন আনে। (Temperature and humidity can cause variations in the contact angle.)

কোনো কঠিন পদার্থকে কোনো তরলে ডুবালে দেখা যায় যে, তরল পদার্থ যেখানে কঠিন পদার্থটিকে স্পর্শ করে সেখানে তরল পদার্থের মুক্ততল বা উপরিতল অন্যান্য জায়গার মতো অনুভূমিক হয় না বরং তরলের মুক্ত তল হয় বেঁকে খানিকটা উপর ওঠে যায় অথবা খানিকটা নিচে নেমে যায়। দেখা গেছে, যে সকল তরল কঠিন পদার্থকে ভিজায় যেমন (পানি ও কাচ) সেক্ষেত্রে তরলতল খানিকটা উপর ওঠে যায় (চিত্র : ৭.২১ক)। পক্ষান্তরে যে সকল তরল কঠিন পদার্থকে ভিজায় না যেমন (পারদ ও কাচ) তাদের ক্ষেত্রে তরলতল খানিকটা নিচে নেমে যায় বা অবনমিত হয় (চিত্র : ৭.২১)।

কঠিন ও তরলের স্পর্শ বিন্দু C থেকে বক্র তরল তলে স্পর্শক CA টানলে ঐ স্পর্শক কঠিনের পৃষ্ঠ CB-এর সাথে তরলের ভেতরে যে কোণ উৎপন্ন করে তাই স্পর্শ কোণ । ৭-২১ চিত্রে $\theta$ হচ্ছে স্পর্শ কোণ। 

সংজ্ঞা : কঠিন ও তরলের স্পর্শ বিন্দু থেকে বক্র তরল তলে অঙ্কিত স্পর্শক কঠিন পদার্থের সাথে তরলের ভেতরে যে কোণ উৎপন্ন করে তাকে উক্ত কঠিন ও তরলের মধ্যকার স্পর্শ কোণ বলে ।

সাধারণত: যে সব তরলের ঘনত্ব কঠিন পদার্থের ঘনত্বের চেয়ে কম সেসব তরল পদার্থ সাধারণত কঠিন পদার্থকে ভেজায় এবং তাদের বেলায় স্পর্শ কোণ সূক্ষ্ম কোণ হয় অর্থাৎ 90° এর কম হয়। কাচ ও বিশুদ্ধ পানির বেলায় স্পর্শ কোণের মান প্রায় 8° রূপা ও বিশুদ্ধ পানির মধ্যকার স্পর্শ কোণ প্রায় 90°। যে সব তরল পদার্থের ঘনত্ব কঠিন পদার্থের ঘনত্বের চেয়ে বেশি সেসব তরল পদার্থ সাধারণত কঠিন পদার্থকে ভেজায় না এবং তাদের বেলায় স্পর্শ কোণ স্কুল কোণ অর্থাৎ 90°এর চেয়ে বেশি হয়। কাচ ও বিশুদ্ধ পারদের বেলায় স্পর্শ কোণের মান প্রায় 139°।

স্পর্শ কোণ নিম্নোক্ত বিষয়গুলোর উপর নির্ভর করে

১. কঠিন ও তরলের প্রকৃতির উপর।

২. তরলের মুক্ততলের উপরস্থ মাধ্যমের উপর। যেমন পারদের উপর বায়ু থাকলে পারদ ও কাচের স্পর্শ কোণ যা হবে পারদের উপর পানি থাকলে স্পর্শ কোণ তা থেকে আলাদা হবে।

৩. কঠিন ও তরল পদার্থের বিশুদ্ধতার উপর। তরল যদি বিশুদ্ধ না হয় বা কঠিন পদার্থের পৃষ্ঠে কোনো কিছু থাকলে স্পর্শ কোণ পরিবর্তিত হয়ে যায়। বিশুদ্ধ পানি ও পরিষ্কার কাচের মধ্যকার স্পর্শ কোণ প্রায় শূন্য। কিন্তু কাচে সামান্য পরিমাণেও তৈলাক্ত পদার্থ থাকলে স্পর্শ কোণের মান বৃদ্ধি পায়।

কৈশিকতা

Capillarity

অতি সূক্ষ্ম ও সুষম ছিদ্রবিশিষ্ট নলকে কৈশিক নল (capillary tube) বলে। কোনো কৈশিক কাচ নলের এক প্রান্ত তরলের মধ্যে খাড়া করে ডুবালে নলের ভেতর কিছু তরল তরলের মুক্ত তল থেকে উপরে ওঠে যায় বা নিচে নেমে আসে। যেসব তরল (যেমন পানি) কাচ নলকে ভিজিয়ে দেয় তাদের বেলায় নলের ভেতরকার তরলের তল (চিত্র : ৭.২২ক)

পাত্রের তরলের মুক্ততলের চেয়ে উপরে ওঠে যায় অর্থাৎ তরলের ঊর্ধ্বারোহণ বা অধিক্ষেপ হয়। যেসব তরল (যেমন পারদ) কাচ নলকে ভিজায় না তাদের বেলায় কাচ নলের ভেতরকার তরল স্তম্ভের উপরিতল পাত্রের তরলের (চিত্র: ৭.২২খ)

মুক্ততলের চেয়ে নিচে নেমে আসে অর্থাৎ তরলের অবনমন বা অবক্ষেপ হয়। কৈশিক নলে তরলের এরকম অধিক্ষেপ বা অবক্ষেপকে কৈশিকতা বলে। তরলের পৃষ্ঠটানের জন্য এরূপ হয়ে থাকে। অধিক্ষেপের বেলায় নলের ভেতর তরলের উপরিতল অবতল থাকে এবং অবক্ষেপের বেলায় নলের ভেতর তরলের উপরিতল উত্তল থাকে। আসঞ্জন ও সংসক্তি বলের আপেক্ষিক মানের ওপর নির্ভর করে নলের ভেতরকার তরলের উপরিতলের বক্রতা কেমন হবে। আসঞ্জন বা সংসক্তি বলের মান কতটা হবে তা তরল ও কঠিন পদার্থের প্রকৃতির ওপর নির্ভর করে। যে তরল পদার্থ কঠিন পদার্থকে ভিজিয়ে দেয় (যেমন পানি ও কাচ) তার আসন বল, যে তরল পদার্থ কঠিন পদার্থকে ভেজায় না (যেমন পারদ ও কাচ) তার আসঞ্জন বলের চেয়ে অনেক বেশি। আবার পানির সংসক্তি বল পারদের সংসক্তি বলের চেয়ে অনেক কম দেখে গেছে,

(i) সংসক্তি বল = $\sqrt{2}\times$ আসঞ্জন বল হলে কৈশিক নলে তরলের অবক্ষেপ বা অধিক্ষেপ হয় না, তরলের মুক্ত তল অনুভূমিক থাকে এবং স্পর্শ কোণ শূন্য অর্থাৎ $\theta$ = 0° হয়।

(ii) সংসক্তি বল > $\sqrt{2}\times$  আসঞ্জন বল হলে কৈশিক বলে তরলের অবক্ষেপ হয়, তরলের মুক্ততল উত্তল হয় এবং স্পর্শ কোণ স্থুল কোণ অর্থাৎ ৪> 90° হয়।

(iii) সংসক্তি বল < $\sqrt{2}\times$  আসঞ্জন বল হলে কৈশিক বলে তরলের অধিক্ষেপ হয়, তরলের মুক্ততল অবতল হয় এবং স্পর্শ কোণ সূক্ষ্ম কোণ অর্থাৎ   $\theta$< 90° হয়। 

সম্প্রসারিত কর্মকাণ্ড : একটি কৈশিক নলে পানি যে উচ্চতা পর্যন্ত উঠতে পারে তার রাশিমালা নির্ণয় কর।