थर्मोइलेक्ट्रिक घटना भौतिकी में एक अलग विषय है, जिसमें वे विचार करते हैं कि तापमान कैसे बिजली उत्पन्न कर सकता है, और बाद में तापमान में बदलाव होता है। पहली खोजी गई थर्मोइलेक्ट्रिक घटना में से एक सीबेक प्रभाव था।
प्रभाव खोलने के लिए आवश्यक शर्तें
1797 में, बिजली के क्षेत्र में अनुसंधान करने वाले इतालवी भौतिक विज्ञानी एलेसेंड्रो वोल्टा ने एक अद्भुत घटना की खोज की: उन्होंने पाया कि जब दो ठोस पदार्थ संपर्क में आते हैं, तो संपर्क क्षेत्र में एक संभावित अंतर दिखाई देता है। इसे संपर्क अंतर कहा जाता है। भौतिक रूप से, इस तथ्य का अर्थ है कि असमान सामग्री के संपर्क क्षेत्र में एक इलेक्ट्रोमोटिव बल (ईएमएफ) होता है जो एक बंद सर्किट में वर्तमान की उपस्थिति का कारण बन सकता है। यदि अब दो सामग्री एक सर्किट में जुड़ी हुई हैं (उनके बीच दो संपर्क बनाने के लिए), तो उनमें से प्रत्येक पर निर्दिष्ट ईएमएफ दिखाई देगा, जो परिमाण में समान होगा, लेकिन संकेत में विपरीत होगा। उत्तरार्द्ध बताता है कि कोई करंट क्यों उत्पन्न नहीं होता है।
ईएमएफ की उपस्थिति का कारण फर्मी का एक अलग स्तर है (ऊर्जाविभिन्न सामग्रियों में इलेक्ट्रॉनों की संयोजकता अवस्थाएँ)। जब उत्तरार्द्ध संपर्क में आता है, तो फर्मी स्तर बंद हो जाता है (एक सामग्री में यह घटता है, दूसरे में यह बढ़ता है)। यह प्रक्रिया संपर्क के माध्यम से इलेक्ट्रॉनों के पारित होने के कारण होती है, जो एक ईएमएफ की उपस्थिति की ओर ले जाती है।
यह तुरंत ध्यान दिया जाना चाहिए कि ईएमएफ मूल्य नगण्य है (एक वोल्ट के कुछ दसवें हिस्से के क्रम में)।
थॉमस सीबेक की खोज
थॉमस सीबेक (जर्मन भौतिक विज्ञानी) ने 1821 में, यानी वोल्ट द्वारा संपर्क संभावित अंतर की खोज के 24 साल बाद, निम्नलिखित प्रयोग किया। उसने बिस्मथ और तांबे की एक प्लेट को जोड़ा, और उनके बगल में एक चुंबकीय सुई रखी। इस मामले में, जैसा कि ऊपर बताया गया है, कोई करंट नहीं हुआ। लेकिन जैसे ही वैज्ञानिक ने बर्नर की लौ को दो धातुओं के संपर्कों में से एक में लाया, चुंबकीय सुई मुड़ने लगी।
अब हम जानते हैं कि करंट ले जाने वाले कंडक्टर द्वारा बनाए गए एम्पीयर बल ने इसे घुमाया, लेकिन उस समय सीबेक को यह नहीं पता था, इसलिए उसने गलती से मान लिया कि धातुओं का प्रेरित चुंबकीयकरण तापमान के परिणामस्वरूप होता है अंतर।
इस घटना के लिए सही स्पष्टीकरण कुछ साल बाद डेनिश भौतिक विज्ञानी हंस ओर्स्टेड ने दिया था, जिन्होंने बताया कि हम थर्मोइलेक्ट्रिक प्रक्रिया के बारे में बात कर रहे हैं, और एक बंद सर्किट के माध्यम से एक धारा प्रवाहित होती है। फिर भी, थॉमस सीबेक द्वारा खोजा गया थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव वर्तमान में उनका अंतिम नाम रखता है।
चल रही प्रक्रियाओं का भौतिकी
एक बार फिर सामग्री को मजबूत करने के लिए: सीबेक प्रभाव का सार प्रेरित करना हैविभिन्न सामग्रियों के दो संपर्कों के अलग-अलग तापमान बनाए रखने के परिणामस्वरूप विद्युत प्रवाह, जो एक बंद सर्किट बनाते हैं।
यह समझने के लिए कि इस प्रणाली में क्या होता है, और इसमें करंट क्यों चलने लगता है, आपको तीन घटनाओं से परिचित होना चाहिए:
- पहले का उल्लेख पहले ही किया जा चुका है - यह फर्मी स्तरों के संरेखण के कारण संपर्क क्षेत्र में ईएमएफ की उत्तेजना है। तापमान बढ़ने या गिरने पर सामग्री में इस स्तर की ऊर्जा बदल जाती है। बाद वाला तथ्य एक धारा की उपस्थिति की ओर ले जाएगा यदि एक सर्किट में दो संपर्क बंद हो जाते हैं (विभिन्न तापमानों पर धातुओं के संपर्क के क्षेत्र में संतुलन की स्थिति अलग होगी)।
- आवेश वाहकों को गर्म से ठंडे क्षेत्रों में ले जाने की प्रक्रिया। इस प्रभाव को समझा जा सकता है यदि हम याद रखें कि धातुओं और इलेक्ट्रॉनों में इलेक्ट्रॉनों और अर्धचालकों में छिद्रों को, पहले सन्निकटन में, एक आदर्श गैस माना जा सकता है। जैसा कि ज्ञात है, उत्तरार्द्ध, जब एक बंद मात्रा में गरम किया जाता है, तो दबाव बढ़ जाता है। दूसरे शब्दों में, संपर्क क्षेत्र में, जहां तापमान अधिक होता है, इलेक्ट्रॉन (छेद) गैस का "दबाव" भी अधिक होता है, इसलिए चार्ज वाहक सामग्री के ठंडे क्षेत्रों में जाते हैं, अर्थात दूसरे संपर्क में।
- आखिरकार, एक और घटना जो सीबेक प्रभाव में करंट की उपस्थिति की ओर ले जाती है, वह है चार्ज कैरियर्स के साथ फोनन (जाली कंपन) की बातचीत। स्थिति एक फोनन की तरह दिखती है, एक गर्म जंक्शन से ठंडे जंक्शन की ओर बढ़ते हुए, एक इलेक्ट्रॉन (छेद) को "हिट" करती है और उसे अतिरिक्त ऊर्जा प्रदान करती है।
तीन प्रक्रियाओं को चिह्नित कियापरिणामस्वरूप, वर्णित प्रणाली में करंट की घटना निर्धारित होती है।
इस थर्मोइलेक्ट्रिक घटना का वर्णन कैसे किया जाता है?
बहुत सरल, इसके लिए वे एक निश्चित पैरामीटर S का परिचय देते हैं, जिसे सीबेक गुणांक कहा जाता है। पैरामीटर दिखाता है कि यदि संपर्क तापमान अंतर 1 केल्विन (डिग्री सेल्सियस) के बराबर बनाए रखा जाता है तो ईएमएफ मान प्रेरित होता है। यानी आप लिख सकते हैं:
एस=वी/Δटी.
यहाँ ΔV सर्किट (वोल्टेज) का EMF है, T गर्म और ठंडे जंक्शनों (संपर्क क्षेत्र) के बीच तापमान का अंतर है। यह सूत्र केवल लगभग सही है, क्योंकि S आमतौर पर तापमान पर निर्भर करता है।
सीबेक गुणांक का मान संपर्क में सामग्री की प्रकृति पर निर्भर करता है। फिर भी, हम निश्चित रूप से कह सकते हैं कि धातु सामग्री के लिए ये मान इकाइयों और दसियों μV/K के बराबर हैं, जबकि अर्धचालकों के लिए वे सैकड़ों μV/K हैं, यानी अर्धचालकों में धातुओं की तुलना में अधिक थर्मोइलेक्ट्रिक बल परिमाण का क्रम होता है. इस तथ्य का कारण तापमान (चालकता, आवेश वाहकों की सांद्रता) पर अर्धचालकों की विशेषताओं की अधिक निर्भरता है।
प्रक्रिया दक्षता
विद्युत में गर्मी के हस्तांतरण का आश्चर्यजनक तथ्य इस घटना के आवेदन के लिए महान अवसर खोलता है। फिर भी, इसके तकनीकी उपयोग के लिए, न केवल विचार ही महत्वपूर्ण है, बल्कि मात्रात्मक विशेषताएं भी हैं। सबसे पहले, जैसा कि दिखाया गया है, परिणामी ईएमएफ काफी छोटा है। बड़ी संख्या में कंडक्टरों के श्रृंखला कनेक्शन का उपयोग करके इस समस्या को दूर किया जा सकता है (जोपेल्टियर सेल में किया जाता है, जिसकी चर्चा नीचे की जाएगी)।
दूसरा, यह थर्मोइलेक्ट्रिकिटी उत्पादन दक्षता की बात है। और यह सवाल आज भी खुला है। सीबेक प्रभाव की दक्षता बेहद कम (लगभग 10%) है। अर्थात् जितनी ऊष्मा खर्च की जाती है उसका दसवां भाग ही उपयोगी कार्य करने के लिए उपयोग किया जा सकता है। दुनिया भर में कई प्रयोगशालाएं इस दक्षता को बढ़ाने की कोशिश कर रही हैं, जो नई पीढ़ी की सामग्री विकसित करके किया जा सकता है, उदाहरण के लिए, नैनो तकनीक का उपयोग करना।
सीबेक द्वारा खोजे गए प्रभाव का उपयोग करना
कम दक्षता के बावजूद, यह अभी भी इसका उपयोग पाता है। नीचे मुख्य क्षेत्र हैं:
- थर्मोकूपल। विभिन्न वस्तुओं के तापमान को मापने के लिए सीबेक प्रभाव का सफलतापूर्वक उपयोग किया जाता है। वास्तव में, दो संपर्कों की एक प्रणाली थर्मोकपल है। यदि इसका गुणांक S और एक सिरे का तापमान ज्ञात हो, तो परिपथ में होने वाले वोल्टेज को मापकर दूसरे सिरे के तापमान की गणना करना संभव है। थर्मोकपल का उपयोग विकिरण (विद्युत चुम्बकीय) ऊर्जा के घनत्व को मापने के लिए भी किया जाता है।
- अंतरिक्ष जांच पर बिजली का उत्पादन। हमारे सौर मंडल का पता लगाने के लिए या बोर्ड पर इलेक्ट्रॉनिक्स को शक्ति देने के लिए सीबेक प्रभाव का उपयोग करने के लिए मानव-लॉन्च की गई जांच। यह एक विकिरण थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर के लिए धन्यवाद किया जाता है।
- आधुनिक कारों में सीबेक प्रभाव का अनुप्रयोग। बीएमडब्ल्यू और वोक्सवैगन ने घोषणा कीथर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर की उनकी कारों में उपस्थिति जो निकास पाइप से निकलने वाली गैसों की गर्मी का उपयोग करेगी।
अन्य थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव
तीन थर्मोइलेक्ट्रिक प्रभाव हैं: सीबेक, पेल्टियर, थॉमसन। पहले का सार पहले ही माना जा चुका है। पेल्टियर प्रभाव के लिए, इसमें एक संपर्क को गर्म करना और दूसरे को ठंडा करना शामिल है, यदि ऊपर चर्चा की गई सर्किट बाहरी वर्तमान स्रोत से जुड़ी है। यानी सीबेक और पेल्टियर प्रभाव विपरीत हैं।
थॉमसन प्रभाव की प्रकृति समान होती है, लेकिन इसे एक ही सामग्री पर माना जाता है। इसका सार एक कंडक्टर द्वारा गर्मी की रिहाई या अवशोषण है जिसके माध्यम से करंट प्रवाहित होता है और जिसके सिरे अलग-अलग तापमान पर बने रहते हैं।
पिल्टियर सेल
सीबेक प्रभाव वाले थर्मो-जनरेटर मॉड्यूल के पेटेंट के बारे में बात करते समय, निश्चित रूप से, पहली चीज जो उन्हें याद आती है वह है पेल्टियर सेल। यह एक कॉम्पैक्ट डिवाइस (4x4x0.4 सेमी) है जो श्रृंखला में जुड़े एन- और पी-टाइप कंडक्टर की एक श्रृंखला से बना है। आप इसे स्वयं बना सकते हैं। सीबेक और पेल्टियर प्रभाव उसके काम के केंद्र में हैं। वोल्टेज और धाराएं जिनके साथ यह काम करता है, छोटे (3-5 वी और 0.5 ए) हैं। जैसा कि ऊपर उल्लेख किया गया है, इसके कार्य की दक्षता बहुत कम है (≈10%)।
इसका उपयोग मग में पानी गर्म करने या ठंडा करने या मोबाइल फोन को रिचार्ज करने जैसे रोजमर्रा के कार्यों को हल करने के लिए किया जाता है।
