તાપવિદ્યુત-યુગ્મ

તાપવિદ્યુત-યુગ્મ (thermoelectric couple) : ખગોલીય પિંડ(celestial objects)માંથી ઉત્સર્જિત થતી ઉષ્માના માપન માટે વપરાતું અત્યંત સંવેદનશીલ ઉપકરણ. તેમાં પ્લૅટિનમ અને બિસ્મથ જેવી ધાતુના નાના વાહકના સંગમસ્થાન(junction)નો ઉપયોગ થાય છે. આ રીતે રચાતા પરિપથ સાથે સંવેદી ગૅલ્વેનોમીટર જોડવામાં આવે છે. મોટા પરાવર્તકના કેન્દ્ર પર તાપવિદ્યુત-યુગ્મને મૂકવામાં આવે છે. તારા કે અન્ય પદાર્થમાંથી આવતી ઉષ્મા-પરાવર્તક ઉપર આપાત થયા પછી પરાવર્ત પામીને કેન્દ્ર ઉપર જમા થાય છે. આ ઉષ્મા તાપવિદ્યુતયુગ્મમાં સૂક્ષ્મ વિદ્યુત-પ્રવાહ પેદા કરે છે. આ રીતે પેદા થતો વિદ્યુત-પ્રવાહ ખગોલીય કે અન્ય સ્રોતમાંથી આવતી ઉષ્માની તીવ્રતાના સમપ્રમાણમાં હોય છે. ઉષ્મા છટકી ન જાય તે માટે આ પ્રયુક્તિને શૂન્યાવકાશ-પરિબદ્ધ (enclosed) કરવામાં આવે છે.

ઘન અથવા પ્રવાહી વાહકમાં ઉષ્માનું સીધેસીધું વિદ્યુત-ઊર્જામાં  રૂપાંતર થાય છે અથવા તેથી ઊલટું રૂપાંતર, અંદરોઅંદર સંકળાયેલી સિબેક (seebeck), પેલ્તિયર (Peltier) અને થૉમસન (Thomson) અસર દ્વારા થાય છે. સિબેક અસરમાં, જુદી જુદી બે ધાતુઓ(A અને B)નાં સંગમસ્થાનોને, આકૃતિ 1માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે, અસમાન તાપમાને રાખવામાં આવતાં, પરિપથમાં વિદ્યુતચાલકબળ (electromotive force–emf) પેદા થાય છે. પરિણામે સૂક્ષ્મ વિદ્યુત-પ્રવાહનું નિર્માણ થાય છે. પેલ્તિયર અસર તેનાથી ઊલટી છે. અલગ અલગ ધાતુના બે વાહકોના સંગમસ્થાનવાળા પરિપથમાં વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવાથી સંગમસ્થાન આગળ ઉષ્મા ઉત્પન્ન થાય છે. થૉમસન અસરમાં પ્રવાહનું વહન કરતા એક જ વાહક ઉપર તાપમાન પ્રચલન (temperature gradient) જાળવી રાખવામાં આવે તો ઉષ્માનું ઉત્ક્રમણીય (reversible) ઉત્પાદન થાય છે.

ત્રણે તાપવિદ્યુત-અસરોને નિરપેક્ષ તાપવિદ્યુત-પાવર S, પેલ્તિયર ગુણાંક Π અને થૉમસન ગુણાંક μના સંદર્ભમાં વર્ણવી શકાય છે. કેલ્વિનના સંબંધો દ્વારા આ ત્રણે ગુણાંકોને જોડવામાં આવે છે. આ ત્રણે ગુણાંકોમાંથી કોઈ એકની સંપૂર્ણ માહિતી હોય તો તેનું બીજા ગુણાંકોની માહિતીમાં રૂપાન્તર કરી શકાય છે. આથી, ત્રણમાંથી એક ગુણાંકનું માપન આવશ્યક છે. સામાન્ય રીતે, સરળતા ખાતર, તાપવિદ્યુત-પાવર S નું માપન પસંદ કરવામાં આવે છે. જે વાહકોમાં વિદ્યુત અને ઉષ્મા-પ્રવાહ અનુક્રમે વિદ્યુતક્ષેત્ર અને તાપમાન-પ્રચલન સાથે રેખીય (linear) વિધેયાત્મક સંબંધ ધરાવે છે. તેના ઇલેક્ટ્રૉનિક પરિવહન (transport) ગુણધર્મો માટે વિદ્યુત અવરોધકતા, ઉષ્માવાહકતા અને થરમૉપાવરનું સંયોજન પર્યાપ્ત છે.

વિજ્ઞાન અને પ્રૌદ્યોગિકી-ક્ષેત્રે તાપવિદ્યુત-ઘટના અને તાપવિદ્યુત-યુગ્મનું ભારે મહત્વ છે. ભવિષ્યમાં તેમનું એ મહત્વ વધશે. ધાતુઓ અને અર્ધવાહકોમાં તાપવિદ્યુતના અભ્યાસથી ઇલેક્ટ્રૉનિક સંરચના વિશે ઘણીબધી માહિતી ઉપલબ્ધ થાય છે. ઇલેક્ટ્રૉન ઇલેક્ટ્રૉન વચ્ચેની તેમજ ઇલેક્ટ્રૉન અને લેટિસ દોલનો વચ્ચેની આંતરક્રિયાની જાણકારી મળે છે. અર્ધવાહકમાં અશુદ્ધિની માહિતી મળે છે. વ્યાવહારિક વિનિયોગમાં તાપમાનનું માપન, પાવરનું ઉત્પાદન, શીતન (cooling), તાપન (heating) વગેરેનો સમાવેશ થાય છે. તાપમાન માપવા માટે તાપવિદ્યુત-યુગ્મનો ખાસ ઉપયોગ થાય છે. રેફ્રિજરેટર જેવા કેટલાક એકમોમાં પેલ્તિયર અસરનો ઉપયોગ કરીને શીતન કરવામાં આવે છે. તાપ વિદ્યુતતાપનનો પણ વિકાસ હાથ ધરવામાં આવી રહ્યો છે.

1821માં ટી.જે. સિબેકે શોધી કાઢ્યું કે બે જુદી જુદી ધાતુઓના વાહકોનો ગાળો (loop) બનાવી બંને સંગમસ્થાનોને જુદા જુદા તાપમાને રાખવામાં આવે તો વિદ્યુતચાલકબળ પેદા થાય છે. આ રીતે પેદા થતા વિદ્યુતચાલકબળને તાપવિદ્યુત (સિબેક) વિદ્યુતચાલકબળ કહે છે. તાપવિદ્યુત-યુગ્મન વડે પેદા થતું વિદ્યુતચાલકબળ આકૃતિ 1માં બતાવેલા સાધન વડે મપાય છે. એક ધાતુના વાહક A અને બીજા ધાતુના વાહક Bનો જ્યાં સંપર્ક થાય છે તેને સંગમસ્થાન કહે છે. પ્રત્યેક સંગમસ્થાનને અંકુશિત કરેલા તાપમાન T₀ અને T₁ ઉપર રાખવામાં આવે છે. બંને સંગમસ્થાનમાંથી નીકળતા વાહક A-ને વિભવમાપક (potentiometer) જેવી પ્રયુક્તિ (device) સાથે જોડવામાં આવે છે. વિભવમાપક સમતુલિત સ્થિતિમાં હોય ત્યારે તેમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થતો નથી. પરિણામે વિવૃત પરિપથ (open circuit) વિદ્યુતચાલકબળ મળે છે. અવરોધને લીધે થતા વ્યયથી આ વિદ્યુત-ચાલકબળ મુક્ત હોય છે.

A અને B ધાતુના બનાવેલા તાપયુગ્મનનાં સંગમસ્થાનોને T₀ અને T₁ તાપમાને રાખતાં પેદા થતો સિબેક વિદ્યુતચાલકબળ E_AB (T₀, T₁) વડે દર્શાવવામાં આવે છે. તેની ગણતરી કરવા માટે T₀ વડે દર્શાવેલા ઠંડા ઉષ્ણકથી શરૂ કરવામાં આવે છે અને વાહક A ઉપર T₁ તાપમાન વડે દર્શાવેલા ગરમ  ઉષ્ણક ઉપર થરમૉપાવર S_A (T) dTનું સંકલન કરવામાં આવે છે. વધુ ગરમ ઉષ્ણકથી પાછા વળી T₀ સુધી આવવાનું રહે છે, તે દરમિયાન વાહક B ઉપર થરમૉપાવર S_B (T) dT નું સંકલન કરવાનું રહે છે. આમ, વર્તુળાકાર પ્રવાસ દરમિયાન E_AB (T₀, T₁) થરમૉપાવર ઉત્પન્ન થાય છે. એટલે કે

જ્યાં S_AB (T) dT = S_A (T)dT – S_B(T)dT છે.

S_A (T) > S_B (T) હોય તો વિદ્યુતચાલકબળ E_AB (T₀, T₁)નું ધ્રુવત્વ આકૃતિ 1ના તાપયુગ્મન ઉપર દર્શાવ્યા મુજબ હોય છે.

સમી. (1) પરથી સ્પષ્ટ થાય છે કે તાપયુગ્મનમાં ઉષ્માવિદ્યુત-વિદ્યુતચાલક બળનો સ્રોત બે જુદા જુદા દ્રવ્યના પદાર્થમાં રહેલો છે અને નહીં કે સંગમસ્થાનો ઉપર. આમ, ઉષ્માવિદ્યુત-ચાલકબળ એ સંપર્કસ્થિતિમાન (contact potential) સાથે સંબંધિત નથી. તે તો બે સંગમસ્થાનો વચ્ચેનો વિદ્યુતસ્થિતિમાનનો તફાવત છે. તાપમાન પ્રચલન અથવા વિદ્યુતપ્રવાહની ગેરહાજરીમાં પણ સંપર્ક સ્થિતિમાન અસ્તિત્વ ધરાવે છે.

પેલ્તિયર અસર : એક જ ગાળો રચતા બે જુદા જુદા વાહકોમાં વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવાથી બેમાંથી એક સંગમસ્થાન ઠંડું પડે છે અને બીજું ગરમ થાય છે. વિદ્યુતપ્રવાહની દિશા ઉલટાવવામાં આવે તો આ ઘટના પણ ઊલટાઈ જાય છે. એટલે કે પહેલાં જે સંગમસ્થાન ઠંડું પડતું હતું તે હવે ગરમ થાય છે અને ગરમ થતું હતું તે ઠંડું પડે છે. ક્વિન્ટસ ઇસિલિયસે (Quintus Icilius) 1853માં, પુરવાર કર્યું કે પ્રત્યેક સંગમસ્થાન આગળ શોષાતી અથવા ઉત્સર્જન પામતી ઉષ્માનો દર વિદ્યુતપ્રવાહના સમપ્રમાણમાં હોય છે. દ્રવ્ય A અને Bના સંગમસ્થાનમાંથી દર સેકન્ડે એકમ પ્રવાહદીઠ પેદા થતી ઉષ્માને પેલ્તિયર ગુણાંક P_AB કહે છે. વાહક Aથી Bમાં વિદ્યુતપ્રવાહ ધન ગણવામાં આવે છે. પેલ્તિયર ગુણાંક વિદ્યુતપ્રવાહના માન ઉપર આધારિત નથી, વળી વાહકોના આકાર ઉપર પણ તે આધારિત નથી. તે માત્ર બે દ્રવ્યોના પ્રકાર તથા સંગમસ્થાનના તાપમાન ઉપર જ આધારિત છે. તેને π_A (T)–π_B (T) અથવા π_AB (T) વડે દર્શાવવામાં આવે છે. અહીં π_A એ A દ્રવ્ય માટે અને π_B એ દ્રવ્ય B માટે પેલ્તિયર ગુણાંક છે.

થૉમસન ઘટના નિયત તાપમાને રાખેલા વાહકમાંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર કરવામાં આવે ત્યારે વિદ્યુતપ્રવાહના વર્ગના સમપ્રમાણમાં ઉષ્મા પેદા થાય છે. આવી ઉષ્માને જુલ-ઉષ્મા કહે છે. દ્રવ્યની વિદ્યુત-અવરોધકતા (resistivity) વડે તેનું મૂલ્ય નક્કી કરાય છે. પ્રવાહ-ધારિત વાહક-તાર ઉપર તાપમાન-પ્રચલન પ્રયોજવામાં આવતાં પેદા થતી વધારાની ઉત્ક્રમણીય (reversible) ઉષ્માની ઘટના થૉમસને, 1854માં સમજાવી. આ ઉષ્માને થૉમસન ઉષ્મા કહે છે. જે વિદ્યુતપ્રવાહ અને તાપમાન-પ્રચલનના ગુણાકારના સમપ્રમાણમાં હોય છે. વિદ્યુતપ્રવાહની અથવા તાપમાન-પ્રચલનની અથવા બંનેની દિશા ઉલટાવતાં વાહક ઉષ્મા પેદા કરે છે અથવા શોષે છે. આ રીતે આ ઘટના ઉત્ક્રમણીય છે. આથી ઊલટું જુલ-ઉષ્માની ઘટના બિનઉત્ક્રમણીય છે. થૉમસને નીચેના સંબંધો જેમને કૅલ્વિન સંબંધો કહે છે તે તારવી આપ્યા :

જ્યાં μ_A થૉમસન ગુણાંક છે જેને નીચે પ્રમાણે વ્યાખ્યાયિત કરવામાં આવ્યો છે. વાહક (A)માંથી વિદ્યુતપ્રવાહ પસાર થાય ત્યારે દર સેકન્ડે એકમ પ્રવાહ અને એકમ તાપમાન-પ્રચલનદીઠ પેદા થતી ઉષ્માને થૉમસન ગુણાંક કહે છે.

તાપમાનનું માપન : સૈદ્ધાંતિક રીતે દ્રવ્યનો જે કોઈ ગુણધર્મ તાપમાન સાથે બદલાય છે. તેનો થરમૉમીટરની રચનામાં ઉપયોગ કરી શકાય છે. વિદ્યુતઅવરોધ અને ઉષ્માવિદ્યુત ચાલકબળનો આ હેતુ માટે ઉપયોગ થાય છે. સંશોધન અને ઔદ્યોગિક ક્ષેત્રે તાપમાનના માપન માટે તાપયુગ્મનનો વ્યાપક રીતે ઉપયોગ થાય છે.

ધાતુઓનો થરમૉપાવર ઓછો હોવા છતાં તાપમાન ચોકસાઈપૂર્વક માપવા માટે ધાતુઓનો ઉપયોગ થાય છે, કારણ કે ધાતુઓ સસ્તી હોય છે અને તેમને ઇચ્છિત આકાર આપી શકાય છે. આધુનિક વિભવમાપક તંત્ર સાથે ધાતુનાં તાપયુગ્મન પૂરતી સંવેદિતા ધરાવે છે. આકૃતિ 2માં દર્શાવ્યા પ્રમાણે કેટલાંક તાપયુગ્મનોને શ્રેણીમાં જોડવામાં આવે તો ઘણી વધારે સંવેદિતા મેળવી શકાય છે.

દશ તાપયુગ્મનો વડે બનાવેલ તાપવૈદ્યુત પુંજ(thermopile)થી સંવેદિતા દશગણી મળે છે, સાથે સાથે પરિપથની વિષમતા પણ વિવર્ધિત થાય છે.

તાપમાન માપવા માટે વ્યવહારમાં વપરાતું તાપયુગ્મન આકૃતિ 3માં દર્શાવ્યું છે. અહીં M વિભવમાપક જેવી પ્રયુક્તિ છે, જે સામાન્ય રીતે ઓરડાના તાપમાને હોય છે. Tr ઓરડાનું અને T_o સંદર્ભ તાપમાન છે. જે તાપમાન માપવાનું છે તે T વડે દર્શાવ્યું છે.

પ્લૅટિનમ-રહોડિયમ તાપયુગ્મનનો ઉપયોગ 1700° સે સુધી કરી શકાય છે. ક્રોમેલ-ઍલ્યુમેલ તાપયુગ્મન ઘણું વધારે સંવેદનશીલ હોય છે. પણ ઊંચા તાપમાને તેનો ઉપયોગ કરી શકાતો નથી. કૉપર-કૅન્સ્ટન્ટન તાપયુગ્મન ઓરડાના તાપમાન કરતાં ઊંચા અને 15k સુધી નીચા તાપમાને વધુ સંવેદનશીલ હોય છે.

હરગોવિંદ બે. પટેલ