सीबेक प्रभाव: तापमान के अंतर से विद्युत कैसे उत्पन्न होती है

सीबेक प्रभाव एक घटना है जो तापमान के अंतर को विद्युत सीबेक प्रभाव में बदलता है और इसका विलोम भी। इसका नाम जर्मन भौतिकविद थॉमस जोहन सीबेक के नाम पर रखा गया है, जिन्होंने 1821 में इसकी खोज की थी। सीबेक प्रभाव थर्मोकपल, थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर, और स्पिन कैलोरिट्रोनिक्स का आधार है।

सीबेक प्रभाव क्या है?

सीबेक प्रभाव को दो अलग-अलग संचालक या अर्धचालकों के बीच लूप में जोड़े गए और उनके जंक्शनों के बीच तापमान के अंतर से उत्पन्न विद्युत संभावित विभव (या वोल्टेज) के उत्पादन के रूप में परिभाषित किया जाता है। वोल्टेज तापमान के अंतर के अनुपात में होता है और उपयोग किए गए सामग्रियों पर निर्भर करता है।

उदाहरण के लिए, एक थर्मोकपल एक उपकरण है जो सीबेक प्रभाव का उपयोग तापमान मापन के लिए करता है। इसमें दो विभिन्न धातुओं (जैसे कॉपर और लोहे) से बने दो तार होते हैं जो दोनों छोरों पर जुड़े होते हैं। एक छोर गर्म स्रोत (जैसे एक शिखा) को खोला रहता है और दूसरा छोर ठंडा (जैसे बर्फ के पानी में) रखा जाता है। छोरों के बीच का तापमान अंतर तारों के बीच वोल्टेज उत्पन्न करता है, जिसे एक वोल्टमीटर द्वारा मापा जा सकता है।

सीबेक प्रभाव का उपयोग गंदे गर्मी से विद्युत उत्पन्न करने के लिए भी किया जा सकता है। एक थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर एक उपकरण है जिसमें कई थर्मोकपल श्रृंखला या समानांतर में जुड़े होते हैं। थर्मोकपल का गर्म भाग एक गर्मी स्रोत (जैसे एक इंजन या एक फर्नेस) से जुड़ा होता है और ठंडा भाग एक गर्मी सिंक (जैसे हवा या पानी) से जुड़ा होता है। भागों के बीच का तापमान अंतर एक वोल्टेज उत्पन्न करता है जो एक विद्युत लोड (जैसे एक लाइट बल्ब या एक पंखा) को चालू कर सकता है।

सीबेक प्रभाव कैसे काम करता है?

सीबेक प्रभाव को संचालकों और अर्धचालकों में इलेक्ट्रॉनों की व्यवहार से समझा जा सकता है। इलेक्ट्रॉन ऋणात्मक आवेशित कण हैं जो इन सामग्रियों में स्वतंत्र रूप से गति करते हैं। जब कोई संचालक या अर्धचालक गर्म किया जाता है, तो इसके इलेक्ट्रॉन अधिक गतिज ऊर्जा प्राप्त करते हैं और तेजी से गति करने की प्रवृत्ति रखते हैं। यह उन्हें गर्म क्षेत्र से ठंडे क्षेत्र में फैलने का कारण बनता है, जिससे एक विद्युत धारा उत्पन्न होती है।

हालांकि, विभिन्न सामग्रियों में विद्युत चालन के लिए उपलब्ध और प्रकार के इलेक्ट्रॉन अलग-अलग होते हैं। कुछ सामग्रियों में अन्य सामग्रियों की तुलना में अधिक इलेक्ट्रॉन होते हैं, और कुछ में इलेक्ट्रॉन अलग-अलग स्पिन दिशा वाले होते हैं। स्पिन इलेक्ट्रॉनों का एक क्वांटम गुण है जो उन्हें छोटे चुंबक की तरह व्यवहार करने का कारण बनता है। जब दो विभिन्न इलेक्ट्रॉन विशेषताओं वाली सामग्रियाँ एक साथ जोड़ी जाती हैं, तो वे एक इंटरफेस बनाती हैं जहाँ इलेक्ट्रॉन ऊर्जा और स्पिन आदान-प्रदान कर सकते हैं।

सीबेक प्रभाव तब होता है जब दो ऐसे इंटरफेस तापमान के अंतर से विषय होते हैं। गर्म इंटरफेस पर इलेक्ट्रॉन ऊष्मा स्रोत से अधिक ऊर्जा और स्पिन प्राप्त करते हैं और उन्हें ठंडे इंटरफेस के इलेक्ट्रॉनों को लूप के माध्यम से स्थानांतरित करते हैं। यह इंटरफेसों के बीच आवेश और स्पिन की असंतुलनता उत्पन्न करता है, जिससे विद्युत संभावित विभव और एक चुंबकीय क्षेत्र उत्पन्न होता है। विद्युत संभावित विभव लूप में विद्युत धारा को चलाता है, जबकि चुंबकीय क्षेत्र इसके पास रखे गए एक दिशा-दर्शी की सुई को विक्षेपित करता है।

सीबेक प्रभाव के अनुप्रयोग क्या हैं?

सीबेक प्रभाव के विज्ञान, इंजीनियरिंग, और प्रौद्योगिकी में कई अनुप्रयोग हैं। कुछ उनमें से हैं:

• थर्मोकपल: ये उपकरण सीबेक प्रभाव का उपयोग तापमान को उच्च सटीकता और संवेदनशीलता के साथ मापने के लिए करते हैं। वे विभिन्न उद्देश्यों के लिए उद्योगों, प्रयोगशालाओं, और घरों में व्यापक रूप से उपयोग किए जाते हैं, जैसे ऑवन को नियंत्रित करना, इंजनों की निगरानी, शरीर का तापमान मापना, आदि।

• थर्मोइलेक्ट्रिक जनरेटर: ये उपकरण सीबेक प्रभाव का उपयोग विशेष अनुप्रयोगों के लिए गंदी गर्मी को विद्युत में परिवर्तित करने के लिए करते हैं, जैसे अंतरिक्ष यान, दूरस्थ सेंसर, चिकित्सा इंप्लांट, आदि को चालू करना।

• स्पिन कैलोरिट्रोनिक्स: यह भौतिकी की एक शाखा है जो चुंबकीय सामग्रियों में गर्मी और स्पिन के बीच की प्रतिक्रिया का अध्ययन करती है। सीबेक प्रभाव इस क्षेत्र में महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है, क्योंकि यह तापमान ढाल से स्पिन धाराओं और वोल्टेज उत्पन्न कर सकता है। यह जानकारी के प्रसंस्करण और संचय के लिए नई उपकरणों, जैसे स्पिन बैटरी, स्पिन ट्रांजिस्टर, स्पिन वाल्व, आदि, का रास्ता खोल सकता है।

सीबेक प्रभाव के फायदे और सीमाएं क्या हैं?

सीबेक प्रभाव के कुछ फायदे और सीमाएं हैं जो इसके प्रदर्शन और दक्षता पर प्रभाव डालते हैं। कुछ उनमें से हैं:

• फायदे: सीबेक प्रभाव सरल, विश्वसनीय और विविध है। इसके लिए कोई गतिशील भाग या बाह्य विद्युत स्रोत की आवश्यकता नहीं होती। यह एक विस्तृत तापमान और सामग्रियों की श्रेणी पर संचालित हो सकता है। यह निम्न-ग्रेड गर्मी स्रोतों से विद्युत उत्पन्न कर सकता है जो अन्यथा बर्बाद हो जाते हैं।

• सीमाएं: सीबेक प्रभाव सामग्रियों की उपलब्धता और संगतता स