जब से लोगों को पता चला कि ऊर्जा उत्पादन के सबसे भरोसेमंद स्रोत एक बिंदु पर आकर समाप्त हो जाएंगे और कुछ दशकों के बाद हमारे पास उनकी कमी हो जाएगी और पृथ्वी बिजली के बिना एक जगह बन जाएगी। और कल्पना कीजिए अगर ऐसा होता तो वे सभी सिस्टम और प्रौद्योगिकियां जिन पर हम इतना भरोसा करते हैं, चलना बंद कर देंगी। सबसे महत्वपूर्ण बात – इंटरनेट हमेशा के लिए बंद हो जाएगा! और यह एक बड़ा झटका होगा। इसलिए, इंटरनेट के महत्व को समझने से पहले, इसके वास्तव में अस्तित्व में आने से पहले, या इंटरनेट के उस तकनीक बनने से पहले जो सभी तकनीकी विकास का केंद्र है, उन्होंने ऊर्जा उत्पादन के वैकल्पिक स्रोतों पर काम करना शुरू कर दिया था।
कई वैकल्पिक स्रोत पहले से ही पूर्ण विकसित उत्पादन संयंत्र बन चुके हैं, जबकि कुछ अभी भी प्रयोगशालाओं में अपनी क्षमता और व्यावहारिक अनुप्रयोग का परीक्षण कर रहे हैं। इन वैकल्पिक ऊर्जा स्रोतों में से एक जो अभी तक पूर्ण विकसित उत्पादन उद्योग में प्रवेश नहीं कर पाया है, वह है पायजोइलेक्ट्रिसिटी या पायजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल से बिजली।
पायजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल क्या हैं?
पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव की खोज 1880 में दो फ्रांसीसी भौतिकविदों, भाइयों पियरे और पॉल-जैक्स क्यूरी ने क्वार्ट्ज, टूमलाइन और रोशेल नमक (पोटेशियम सोडियम टारट्रेट) के क्रिस्टल में की थी। उन्होंने इसका नाम ग्रीक शब्द "पायजीन" से लिया, जिसका अर्थ है "दबाना"।
वे क्रिस्टल जो संपीड़ित, मरोड़े या विकृत होने पर आवेश प्राप्त करते हैं, पायजोइलेक्ट्रिक कहलाते हैं। यह विद्युत और यांत्रिक दोलनों के बीच एक सुविधाजनक ट्रांसड्यूसर प्रभाव प्रदान करता है।
क्वार्ट्ज यह गुण प्रदर्शित करता है और अत्यधिक स्थिर है। जब क्वार्ट्ज क्रिस्टल पर बाहरी बल लगाया जाता है, तो सतह पर उत्पन्न वोल्टेज में परिवर्तन होता है। इस परिवर्तन को ध्वनि या कंपन के उसके संबंधित मान द्वारा मापा जाता है।
पायजोइलेक्ट्रिसिटी क्या है?
कुछ क्रिस्टल (जैसे क्वार्ट्ज) को निचोड़ें और आप उनसे बिजली प्रवाहित कर सकते हैं। रिवर्स भी आमतौर पर सच है: यदि आप उन्हीं क्रिस्टल्स से बिजली पास करते हैं, तो वे कंपन करके आगे-पीछे "खुद को निचोड़ते हैं"।
तकनीकी शब्दों में:
"पायजोइलेक्ट्रिसिटी (जिसे पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव भी कहा जाता है) एक क्रिस्टल के किनारों पर विद्युत क्षमता (दूसरे शब्दों में, एक वोल्टेज) का प्रकटन है जब आप इसे यांत्रिक तनाव (इसे निचोड़कर) के अधीन करते हैं।"
पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कैसे उत्पन्न होता है?
पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव उत्पन्न करने के लिए, एक प्राकृतिक क्वार्ट्ज क्रिस्टल को आयताकार या अंडाकार आकार की समान मोटाई की पतली प्लेट के आकार में काटा जाना चाहिए। प्रत्येक क्रिस्टल में तीन सेट एक्सिस होते हैं – ऑप्टिकल एक्सिस, तीन इलेक्ट्रिकल एक्सिस OX1, OX2, और OX3 जो एक दूसरे से 120 डिग्री पर होते हैं, और तीन मैकेनिकल एक्सिस OY1, OY2 और OY3 भी एक दूसरे से 120 डिग्री पर होते हैं। मैकेनिकल एक्सिस इलेक्ट्रिकल एक्सिस के समकोण पर होंगे। कुछ पैरामीटर जो एप्लिकेशन के लिए क्रिस्टल की प्रकृति तय करते हैं:
- वह कोण जिस पर वेफर को प्राकृतिक क्वार्ट्ज क्रिस्टल से काटा जाता है
- प्लेट की मोटाई
- प्लेट का आयाम
- माउंटिंग का साधन
यदि एक इलेक्ट्रिक स्ट्रेस को इलेक्ट्रिकल एक्सिस (X-एक्सिस) की दिशा में लगाया जाता है, तो Y-एक्सिस की दिशा में एक मैकेनिकल स्ट्रेन उत्पन्न होता है, जो संबंधित X-एक्सिस के लंबवत होता है। इसी तरह, यदि Y-एक्सिस के साथ एक मैकेनिकल स्ट्रेन दिया जाता है, तो क्रिस्टल के फलकों पर विद्युत आवेश उत्पन्न होंगे, जो X-एक्सिस के लंबवत होंगे जो Y-एक्सिस के समकोण पर है।
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इनवर्स पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव
पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव को उल्टा किया जा सकता है, जिसे इनवर्स पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव कहा जाता है। यह पायजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल को सिकोड़ने या फैलाने के लिए विद्युत वोल्टेज लगाकर बनाया जाता है। इनवर्स पायजोइलेक्ट्रिक प्रभाव का उपयोग उन उपकरणों को विकसित करने में मदद कर सकता है जो ध्वनिक तरंगें उत्पन्न करते हैं। पायजोइलेक्ट्रिक ध्वनिक उपकरणों के उदाहरण हैं स्पीकर (आमतौर पर हैंडहेल्ड उपकरणों में पाए जाते हैं) या बज़र्स।
पायजोइलेक्ट्रिसिटी के लाभ
- हाई फ्रीक्वेंसी रिस्पॉन्स – वे बहुत उच्च आवृत्ति प्रतिक्रिया प्रदान करते हैं, जिसका अर्थ है कि बहुत उच्च गति से बदलने वाले पैरामीटर को आसानी से महसूस किया जा सकता है।
- हाई ट्रांजिएंट रिस्पॉन्स – पायजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर माइक्रोसेकंड की घटनाओं का पता लगा सकते हैं और रैखिक आउटपुट भी दे सकते हैं।
- हाई आउटपुट – वे उच्च आउटपुट प्रदान करते हैं जिसे इलेक्ट्रॉनिक सर्किट में मापा जा सकता है।
- छोटा आकार – ये बहुत कॉम्पैक्ट और छोटे आकार के होते हैं जिनकी निर्माण मजबूत होती है।
- बेरियम टाइटेनेट और क्वार्ट्ज को किसी भी वांछित आकार और रूप में बनाया जा सकता है। इसका एक बड़ा डाइइलेक्ट्रिक कॉन्स्टेंट भी होता है। क्रिस्टल एक्सिस ओरिएंटेशन की दिशा द्वारा चयन योग्य है।
पायजोइलेक्ट्रिसिटी के नुकसान
- आउटपुट कम है – पायजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर से प्राप्त आउटपुट कम होता है, इसलिए बाहरी इलेक्ट्रॉनिक सर्किट कनेक्ट करना पड़ता है।
- चूंकि डिवाइस छोटे विद्युत आवेश के साथ काम करता है, उन्हें विद्युत इंटरफेस के लिए हाई इम्पीडेंस केबल की आवश्यकता होती है।
- सापेक्ष आर्द्रता 85% से ऊपर बढ़ने या 35% से नीचे गिरने पर इसका आउटपुट प्रभावित होगा। यदि ऐसा होता है, तो इसे मोम या पॉलिमर सामग्री से कोट करना पड़ता है।
- आकार देना – पर्याप्त शक्ति के साथ क्रिस्टल को वांछित आकार देना बहुत मुश्किल है।
- यह स्थिर स्थिति में माप के लिए उपयुक्त नहीं है। आउटपुट क्रिस्टल के तापमान भिन्नता के अनुसार भिन्न हो सकता है।
पायजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर के उदाहरण
- क्वार्ट्ज
- रोशेल नमक
- ध्रुवीकृत बेरियम टाइटेनेट
- अमोनियम डाई-हाइड्रोजन
- लिथियम सल्फेट
- इथाइलीन डायमाइन टारट्रेट
- हड्डी में कोलेजन भी पायजोइलेक्ट्रिक है
- साधारण चीनी
ऐसी सभी प्रकार की स्थितियां हैं जहां हमें यांत्रिक ऊर्जा (किसी प्रकार का दबाव या गति) को विद्युत संकेतों में या इसके विपरीत बदलने की आवश्यकता होती है। पायजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर इस रूपांतरण के लिए उपयोग किए जाने वाले आदर्श उपकरण हैं। इन ट्रांसड्यूसर को हमारे दैनिक जीवन में कई अनुप्रयोगों में लगाया गया है जैसा कि नीचे सूचीबद्ध है:
- अल्ट्रासाउंड उपकरण में, एक पायजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर विद्युत ऊर्जा को अत्यंत तेज यांत्रिक कंपन में परिवर्तित करता है – इतनी तेज कि यह ध्वनि उत्पन्न करता है, लेकिन वे हमारे कानों के लिए बहुत उच्च-पिच वाले होते हैं। इन अल्ट्रासाउंड कंपनों का उपयोग स्कैनिंग, सफाई और कई अन्य चीजों के लिए किया जा सकता है।
- इसके उत्कृष्ट फ्रीक्वेंसी रिस्पॉन्स के कारण, यह आमतौर पर एक्सेलेरोमीटर के रूप में उपयोग किया जाता है, जहां आउटपुट गुरुत्वाकर्षण के त्वरण के (1-30) mV के क्रम में होता है।
- पायजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर डायनामिक माप के लिए अधिक उपयोगी हैं, यानी वे पैरामीटर जो तेज दर से बदल रहे हैं। ऐसा इसलिए है क्योंकि स्थिर स्थितियों में विकसित क्षमता को उपकरण द्वारा धारण नहीं किया जाता है। इस प्रकार पायजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल मुख्य रूप से सतह खुरदरापन जैसी मात्राओं के माप में, और एक्सेलेरोमीटर और वाइब्रेशन पिकअप में उपयोग किए जाते हैं।
- ऑटोमोटिव कंपनियों ने इंजन ब्लॉक में डेटोनेशन का पता लगाने के लिए पायजोइलेक्ट्रिक ट्रांसड्यूसर का उपयोग किया।
इस तकनीक का उपयोग पूर्ण विकसित तरीके से बिजली उत्पादन के लिए करने के लिए प्रयोग अभी भी चल रहे हैं। अगले ब्लॉग में हम पायजोइलेक्ट्रिक क्रिस्टल के कुछ संभावित उपयोगों पर चर्चा करेंगे जिनसे हम अपने घरों में ऊर्जा उत्पन्न कर सकते हैं।
