पायरोइलेक्ट्रिसिटी

पायरोइलेक्ट्रिसिटी(दो ग्रीक शब्दों पीर का अर्थ अग्नि और विद्युत से है) कुछ क्रिस्टल के गुण है जो स्वाभाविक रूप से विद्युतीय रूप से ध्रुवीकृत होते हैं और परिणामस्वरूप बड़े विद्युत क्षेत्र होते हैं। पायरोइलेक्ट्रिसिटी को उष्ण या शीतल होने पर अस्थायी वोल्टता उत्पन्न करने के लिए कुछ पदार्थों की क्षमता के रूप में वर्णित किया जा सकता है। तापमान में परिवर्तन क्रिस्टल संरचना के भीतर परमाणुओं की स्थिति को थोड़ा संशोधित करता है, जिससे पदार्थ के ध्रुवीकरण(स्थिरवैद्युतिकी) में परिवर्तन होता है। यह ध्रुवीकरण परिवर्तन क्रिस्टल के पार एक वोल्टता को जन्म देता है। यदि तापमान अपने नवीन मान पर स्थिर रहता है, तो रिसाव के कारण तापविद्युत वोल्टता धीरे-धीरे अदृश्य हो जाता है। रिसाव क्रिस्टल के माध्यम से चलने वाले इलेक्ट्रॉनों, वायु के माध्यम से चलने वाले आयनों, या क्रिस्टल से युग्मित वोल्टमीटर के माध्यम से रिसन होने के कारण हो सकता है।

स्पष्टीकरण
खनिजों में तापविद्युत आवेश असममित क्रिस्टल के विपरीत पक्ष पर विकसित होता है। जिस दिशा में आवेश का प्रसार होता है, वह सामान्यतः तापविद्युत पदार्थ में स्थिर होता है, परन्तु, कुछ पदार्थों में, इस दिशा को समीप के विद्युत क्षेत्र द्वारा बदला जा सकता है। इन पदार्थों को लोह विद्युत प्रदर्शित करने के लिए कहा जाता है। सभी ज्ञात तापविद्युत पदार्थ भी दाब विद्युत हैं। तापविद्युत होने के अतिरिक्त, बोरॉन एल्युमीनियम नाइट्राइड(बीएएलएन) और बोरोन गैलियम नाइट्राइड(बीजीएएन) जैसी नवीन पदार्थ में सी-अक्ष के साथ प्रतिबल के लिए शून्य दाबविद्युत प्रतिक्रिया होती है, दो गुण निकट से संबंधित हैं। यद्यपि, ध्यान दें कि कुछ दाबविद्युत पदार्थों में एक क्रिस्टल समरूपता होती है जो पायरोइलेक्ट्रिसिटी की अनुमति नहीं देती है।

तापविद्युत पदार्थ अधिकतर कठोर और क्रिस्टल होती है, यद्यपि, इलेक्ट्रेट का उपयोग करके मृदु पायरोइलेक्ट्रिसिटी प्राप्त की जा सकती है।

पायरोइलेक्ट्रिसिटी को तापमान में परिवर्तन के अनुपात में शुद्ध ध्रुवीकरण(एक सदिश) में परिवर्तन के रूप में मापा जाता है। निरंतर प्रतिबल पर मापा गया कुल तापविद्युत गुणांक निरंतर प्रतिबल(प्राथमिक तापविद्युत प्रभाव) और तापीय विस्तार(द्वितीयक तापविद्युत प्रभाव) से दाबविद्युत योगदान पर तापविद्युत गुणांक का योग है। सामान्य परिस्थितियों में, यहां तक ​​कि ध्रुवीय पदार्थ भी शुद्ध द्विध्रुव आघूर्ण प्रदर्शित नहीं करती हैं। फलस्वरूप छड़ चुंबक के कोई विद्युत द्विध्रुवीय समकक्ष नहीं हैं क्योंकि आंतरिक द्विध्रुवीय क्षण मुक्त विद्युत आवेश द्वारा निष्प्रभावी हो जाता है जो आंतरिक चालन या परिवेशी वातावरण से सतह पर बनता है। ध्रुवीय क्रिस्टल मात्र अपनी प्रकृति को प्रकट करते हैं जब किसी प्रकार से विचलित होते हैं जो क्षणिक रूप से क्षतिपूर्ति सतह आवेश के साथ संतुलन को बिगाड़ देते हैं।

स्वतःप्रवर्तित ध्रुवीकरण तापमान पर निर्भर होता है, इसलिए ठीक क्षोभ जांच तापमान में परिवर्तन होता है जो सतहों से आवेश के प्रवाह को प्रेरित करता है। यह तापविद्युत प्रभाव है। सभी ध्रुवीय क्रिस्टल तापविद्युत होते हैं, इसलिए 10 ध्रुवीय क्रिस्टल वर्गों को कभी-कभी तापविद्युत वर्ग कहा जाता है। तापविद्युत पदार्थ का उपयोग अवरक्त और मिलीमीटर तरंग दैर्ध्य विकिरण संसूचकों के रूप में किया जा सकता है।

एक इलेक्ट्रेट स्थायी चुंबक के विद्युत समतुल्य है।

गणितीय विवरण
तापविद्युत गुणांक को तापमान के साथ स्वतःप्रवर्तित ध्रुवीकरण सदिश में परिवर्तन के रूप में वर्णित किया जा सकता है: $$ p_i = \frac{\partial P_{S,i}} {\partial T} $$ जहां pi(Cm−2K−1) तापविद्युत गुणांक के लिए सदिश है।

इतिहास
तापविद्युत प्रभाव का प्रथम कीर्तिमान 1707 में जोहान जोर्ज श्मिट(वैज्ञानिक) द्वारा बनाया गया था, जिन्होंने कहा था कि [उष्ण] टूमलाइन उष्ण या जलते हुए कोयले से राख को आकर्षित कर सकता है, जैसे चुंबक लोहा करता है, परन्तु उन्हें फिर से दोहराता है[ संपर्क के बाद]। 1717 में लुई लेमरी ने देखा, जैसा कि श्मिट ने देखा था, कि गैर-संचालन पदार्थ के छोटे टुकड़े पूर्व टूमलाइन की ओर आकर्षित हुए थे, परन्तु एक बार जब वे पत्थर से संपर्क करते थे, तो वे इससे पीछे हट जाते थे। 1747 में कार्ल लिनिअस ने प्रथमतः इस घटना को विद्युत से संबंधित किया(उन्होंने टूमलाइन लैपिडेम इलेक्ट्रीकम को "वैद्युत पत्थर" कहा), यद्यपि यह 1756 तक फ्रांज उलरिच थियोडोर एपिनस द्वारा सिद्ध नहीं किया गया था।

19वीं शताब्दी में पायरोइलेक्ट्रिसिटी में अनुसंधान अधिक परिष्कृत हो गया। 1824 में डेविड ब्रूस्टर ने प्रभाव को वह नाम दिया जो आज है। 1878 में विलियम थॉमसन और 1897 में वोल्डेमर वोइगट दोनों ने पायरोइलेक्ट्रिसिटी के पीछे की प्रक्रियाओं के लिए एक सिद्धांत विकसित करने में सहायता की। पियरे क्यूरी और उनके भाई, जैक्स क्यूरी ने 1880 के दशक में पायरोइलेक्ट्रिसिटी का अध्ययन किया, जिससे दाबविद्युत के पीछे कुछ तंत्रों की खोज हुई।

इसे भूल से ठेओफ्रस्तुस(सी. 314 ईसा पूर्व) को पायरोइलेक्ट्रिसिटी का प्रथम कीर्तिमान माना जाता है। टूमलाइन के तापविद्युत गुणों की खोज के तुरंत बाद मिथ्या धारणाएँ उत्पन्न हुई, जिसने उस समय के खनिजविदों को इसके साथ पौराणिक पत्थर लिंगुरिया को जोड़ा। लिन्गुरियम को थियोफ्रेस्टस के कार्य में अंबर के समान होने के रूप में वर्णित किया गया है, बिना किसी तापविद्युत गुणों को निर्दिष्ट किए।

क्रिस्टल वर्ग
सभी क्रिस्टल संरचनाएं बत्तीस क्रिस्टल प्रणाली में से एक से संबंधित हैं क्रिस्टल कक्षाएं उनके समीप घूर्णी समरूपता और परावर्तन सतह की संख्या के आधार पर होती हैं जो क्रिस्टल संरचना को अपरिवर्तित छोड़ देती हैं(बिंदु समूह)। बत्तीस क्रिस्टल वर्गों में से इक्कीस गैर-केन्द्रसममित हैं(यूक्लिडियन समष्टि में समदूरीकता समूहों के एक निश्चित बिंदु नहीं हैं)। इन इक्कीस में से बीस प्रत्यक्ष दाबविद्युत प्रदर्शित करते हैं, शेष एक घन वर्ग 432 है। इन बीस दाबविद्युत वर्गों में से दस ध्रुवीय हैं, अर्थात, उनके समीप स्वतःप्रवर्तित ध्रुवीकरण होता है, उनके एकक कोष्ठिका में एक द्विध्रुवीय होता है, और पायरोइलेक्ट्रिसिटी प्रदर्शित करता है। यदि इस द्विध्रुव को विद्युत क्षेत्र के अनुप्रयोग द्वारा उत्क्रमित किया जा सकता है, तो पदार्थ को लोहवैद्युत कहा जाता है। कोई भी परावैद्युत पदार्थ विद्युत क्षेत्र लागू होने पर परावैद्युत ध्रुवीकरण(स्थिरवैद्युतिकी) विकसित करता है, परन्तु पदार्थ जिसमें एक क्षेत्र की अनुपस्थिति में भी ऐसा प्राकृतिक आवेश पृथक्करण होता है, एक ध्रुवीय पदार्थ कहलाता है। कोई पदार्थ ध्रुवीय है या नहीं, यह पूर्ण रूप से उसके क्रिस्टल संरचना द्वारा निर्धारित किया जाता है। 32 बिंदु समूहों में से मात्र 10 ध्रुवीय हैं। सभी ध्रुवीय क्रिस्टल तापविद्युत होते हैं, इसलिए दस ध्रुवीय क्रिस्टल वर्गों को कभी-कभी तापविद्युत वर्ग कहा जाता है।

दाबविद्युत क्रिस्टल वर्ग: 1, 2, मी, 222, मिमी 2, 4, -4, 422, 4 मिमी, -42 मी, 3, 32, 3 मी, 6, -6, 622, 6 मिमी, -62 मी, 23, -43 मी

तापविद्युत: 1, 2, मी, मिमी 2, 3, 3 मी, 4, 4 मिमी, 6, 6 मिमी

संबंधित प्रभाव
दो प्रभाव जो पायरोइलेक्ट्रिसिटी से निकटता से संबंधित हैं, फेरोइलेक्ट्रिसिटी और दाबविद्युत हैं। सामान्यतः स्थूलदर्शीय स्तर पर पदार्थ लगभग विद्युत रूप से तटस्थ होती है। यद्यपि, धनात्मक और ऋणात्मक आवेश जो पदार्थ बनाते हैं, आवश्यक रूप से सममित विधि से वितरित नहीं होते हैं। यदि मूल कोष्ठिका के सभी तत्वों के लिए आवेश गुणा दूरी का योग शून्य के बराबर नहीं है तो कोष्ठिका में एक विद्युत द्विध्रुव आघूर्ण(एक सदिश मात्रा) होगा। प्रति इकाई मात्रा द्विध्रुवीय क्षण को परावैद्युत ध्रुवीकरण के रूप में परिभाषित किया गया है। यदि यह द्विध्रुवीय क्षण लागू तापमान परिवर्तन, लागू विद्युत क्षेत्र, या लागू दबाव के प्रभाव से बदलता है, तो पदार्थ क्रमशः तापविद्युत, लोहवैद्युत या दाबविद्युत है।

लोहवैद्युत प्रभाव उन पदार्थों द्वारा प्रदर्शित किया जाता है जिनमें बाह्य रूप से लागू विद्युत क्षेत्र की अनुपस्थिति में विद्युत ध्रुवीकरण होता है जैसे कि विद्युत क्षेत्र को उत्क्रमित करने पर ध्रुवीकरण को उत्क्रमित किया जा सकता है। चूंकि सभी लोहवैद्युत पदार्थ एक स्वतःप्रवर्तित ध्रुवीकरण प्रदर्शित करती हैं, सभी लोहवैद्युत पदार्थ भी तापविद्युत हैं(परन्तु सभी तापविद्युत पदार्थ लोहवैद्युत नहीं हैं)।

दाब विद्युत् प्रभाव क्रिस्टल(जैसे क्वार्ट्ज या सिरेमिक) द्वारा प्रदर्शित किया जाता है, जिसके लिए दबाव लागू होने पर पदार्थ में एक विद्युत वोल्टता दिखाई देता है। तापविद्युत प्रभाव के समान, घटना क्रिस्टल की असममित संरचना के कारण होती है जो आयनों को दूसरों की तुलना में एक अक्ष के साथ अधिक सरलता से स्थानांतरित करने की अनुमति देती है। जैसे ही दबाव डाला जाता है, क्रिस्टल का प्रत्येक पक्ष विपरीत आवेश लेता है, जिसके परिणामस्वरूप क्रिस्टल में वोल्टता गिर जाता है।

पायरोइलेक्ट्रिसिटी को ताप विद्युत के साथ अस्पष्ट नहीं होना चाहिए: पायरोइलेक्ट्रिसिटी के विशिष्ट स्पष्टीकरण में, पूर्ण क्रिस्टल को एक तापमान से दूसरे तापमान में बदल दिया जाता है, और परिणाम क्रिस्टल में एक अस्थायी वोल्टता होता है। तापविद्युत के विशिष्ट स्पष्टीकरण में, यंत्र के एक भाग को एक तापमान पर और दूसरे भाग को अलग तापमान पर रखा जाता है, और जब तक तापमान में अंतर होता है, तब तक यंत्र में एक स्थायी वोल्टता का परिणाम होता है। दोनों प्रभाव तापमान परिवर्तन को विद्युत क्षमता में परिवर्तित करते हैं, परन्तु तापविद्युत प्रभाव समय के साथ तापमान परिवर्तन को विद्युत क्षमता में परिवर्तित करते है, जबकि ताप विद्युत प्रभाव तापमान परिवर्तन को विद्युत क्षमता में परिवर्तित करते है।

तापविद्युत पदार्थ
यद्यपि कृत्रिम तापविद्युत पदार्थ को अभियंत्रित किया गया है, प्रभाव को प्रथमतः टूमलाइन जैसे खनिजों में खोजा गया था। तापविद्युत प्रभाव हड्डी और स्नायु में भी स्थित होते है।

सबसे महत्वपूर्ण उदाहरण गैलियम नाइट्राइड, एक अर्धचालक है। इस पदार्थ में बड़े विद्युत क्षेत्र प्रकाश उत्सर्जक डायोड(एलईडी) में हानिकारक हैं, परन्तु विद्युत ट्रांजिस्टर के उत्पादन के लिए उपयोगी हैं।

गैलियम नाइट्राइड(GaN), सीज़ियम नाइट्रेट(CsNO3), पॉलीविनाइल फ्लोराइड, फेनिलपाइरीडीन के व्युत्पन्न, और कोबाल्ट थैलोसाइनिन लिथियम का उपयोग करके, सामान्यतः एक पतली फिल्म के रूप में कृत्रिम तापविद्युत पदार्थ बनाने में प्रगति हुई है। दाब वैद्युत और तापविद्युत दोनों गुणों को प्रदर्शित करने वाला एक क्रिस्टल है, जिसका उपयोग छोटे पैमाने पर परमाणु संलयन(तापविद्युत संलयन) बनाने के लिए किया गया है। वर्तमान में, डोपित हेफ़नियम ऑक्साइड(HfO2) ऑक्साइड(HfO2) में तापविद्युत और दाब विद्युत् गुणों की खोज की गई है, जो कि सीएमओएस निर्माण में एक मानक पदार्थ है।

ताप संवेदक
तापमान में बहुत कम परिवर्तन तापविद्युत क्षमता उत्पन्न कर सकता है। निष्क्रिय अवरक्त संवेदक प्रायः तापविद्युत पदार्थ के समीप डिजाइन किए जाते हैं, क्योंकि कई फीट दूर से मानव या प्राणी की ऊष्मा वोल्टता उत्पन्न करने के लिए पर्याप्त होते है।

विद्युत उत्पादन
प्रयोग करने योग्य विद्युत शक्ति उत्पन्न करने के लिए तापविद्युत को बार-बार उष्ण और शीतल किया जा सकता है(एक ऊष्मा इंजन के अनुरूप)। एक समूह ने गणना की कि एरिक्सन चक्र में एक तापविद्युत कार्नोट दक्षता के 50% तक पहुंच सकता है, जबकि अलग अध्ययन में ऐसे पदार्थ मिले थे जो सैद्धांतिक रूप से कार्नाट दक्षता के 84-92% तक पहुंच सकती है (ये दक्षता मान तापविद्युत के लिए ही हैं, पतली फिल्म को उष्ण करने और शीतल करने, अन्य ऊष्मा-स्थानांतरण हानियों, और प्रणाली में कहीं और अन्य सभी हानियों की अनदेखी करते हुए)। विद्युत उत्पन्न करने के लिए विद्युत जनित्र के संभावित लाभों में सम्मिलित हैं: संभावित रूप से कम प्रचालन तापमान, कम भारी उपकरण और कम चलने वाले भाग। यद्यपि इस रूप के उपकरण के लिए कुछ पेटेंट दर्ज किए गए हैं, ऐसे जनित्र व्यावसायीकरण के कहीं भी समीप नहीं लगते हैं।

परमाणु संलयन
तापविद्युत पदार्थ का उपयोग परमाणु संलयन प्रक्रिया में ड्यूटेरियम आयनों को चलाने के लिए आवश्यक बड़े विद्युत क्षेत्र उत्पन्न करने के लिए किया गया है। इसे तापविद्युत संलयन के रूप में जाना जाता है।

यह भी देखें

 * विद्युत ऊष्मीय प्रभाव, पायरोइलेक्ट्रिसिटी का विपरीत प्रभाव
 * ताप विद्युत
 * केल्विन जांच बल सूक्ष्मदर्शी
 * लिथियम टैंटलेट
 * ज़िंक ऑक्साइड

संदर्भ

 * Gautschi, Gustav, 2002, दाब वैद्युत Sensorics, Springer, ISBN 3-540-42259-5

बाह्य संबंध

 * Pyroelectric Detectors for THz applications WiredSense
 * Pyroelectric Infrared Detectors DIAS Infrared
 * DoITPoMS Teaching and Learning Package- "Pyroelectric Materials"
 * Lithium Tantalate(LiTaO3)
 * Lithium Tantalate(LiTaO3)
 * laser detection with lithium tantalate
 * Optical and Dielectric Properties of Sr(x) Ba(1-x) Nb(2) O(6)
 * Dielectric and Electrical Properties of Ce,Mn:SBN