गैस चूल्हे का प्रज्वलन वाला नॉब घुमाते ही ‘टक’ की आवाज़ के साथ एक छोटी चिंगारी निकलती है। जहाँ न बैटरी है और न बिजली का सॉकेट, वहाँ केवल उँगली से बटन दबाने के बल से चिंगारी पैदा हो जाती है। आखिर इस छोटे से उपकरण के भीतर होता क्या है?
इसका रहस्य एक विशेष क्रिस्टल के टुकड़े में छिपा है। कुछ ठोस पदार्थों को दबाने या खींचने पर उनकी सतह पर विद्युत आवेश जमा हो जाता है। इस घटना को ‘दाबविद्युत प्रभाव (Piezoelectric Effect)’ कहते हैं। इस प्रभाव की मुख्य बात यह है कि एक ही पदार्थ में बल को बिजली में और बिजली को वापस बल में बदलने के दोनों रास्ते मौजूद होते हैं।
इस सामग्री में हम क्रम से देखेंगे कि दाबविद्युत प्रभाव कैसे पैदा होता है, इसके नाम का क्या अर्थ है, बिजली लगाने पर पदार्थ का आकार बदलने वाला उलटी दिशा का प्रभाव क्या है, और प्रज्वलक, घड़ियों, सोनार तथा अल्ट्रासाउंड में इसका उपयोग कैसे होता है।
बल और बिजली को एक-दूसरे में बदलने वाले क्रिस्टल का सिद्धांत
दबाने पर विद्युत आवेश जमा करने वाले क्रिस्टल
दाबविद्युत प्रभाव सभी पदार्थों में स्पष्ट रूप से दिखाई नहीं देता। यह उन पदार्थों में अधिक प्रमुख होता है जिनके क्रिस्टल बनाने वाले कणों की व्यवस्था विशेष होती है।
(1) आवेश के एक ओर खिसकने की प्रक्रिया
क्रिस्टल के भीतर धनात्मक और ऋणात्मक विद्युत आवेश वाले कण नियमित क्रम में व्यवस्थित होते हैं। जब दबाव से क्रिस्टल का आकार विकृत होता है, तो धनात्मक और ऋणात्मक आवेशों के केंद्र थोड़ा-थोड़ा खिसककर एक-दूसरे से अलग हो जाते हैं। इसके परिणामस्वरूप क्रिस्टल की दो आमने-सामने की सतहों पर विपरीत प्रकार के आवेश जमा होते हैं।
(2) सममिति का न होना आवश्यक है
यदि क्रिस्टल ऊपर-नीचे या दाएँ-बाएँ पूरी तरह सममित हो, तो विकृत होने पर भी आवेशों के खिसकने के प्रभाव एक-दूसरे को निरस्त कर देते हैं। इसलिए दाबविद्युत प्रभाव केवल उन क्रिस्टलों में दिखाई देता है जिनमें केंद्रीय सममिति नहीं होती। क्वार्ट्ज इसका एक प्रमुख उदाहरण है। चीनी और हड्डियों जैसे जैविक पदार्थों में भी यह प्रभाव कमज़ोर रूप में दिखाई देने की बात ज्ञात है।
(3) नाम में छिपा अर्थ
दाबविद्युत का नाम प्राचीन यूनानी भाषा के उन शब्दों से आया है जिनका अर्थ ‘दबाना’ और ‘अंबर’ है। अंबर एक रत्न है जिसे रगड़ने पर स्थिर विद्युत पैदा होती है, इसलिए इसे बिजली के प्रतीक की तरह इस्तेमाल किया जाता था। ‘दबाने से पैदा होने वाली बिजली’ का यह नाम जर्मनी के विल्हेल्म हांकेल ने 1881 में दिया था।
उलटी दिशा में भी काम करने वाला रास्ता
दाबविद्युत प्रभाव केवल एक दिशा में नहीं होता। यदि दबाकर बिजली पाने का रास्ता है, तो बिजली लगाकर पदार्थ का आकार बदलने का रास्ता भी है।
(1) प्रत्यक्ष दाबविद्युत प्रभाव और व्युत्क्रम दाबविद्युत प्रभाव
बल लगाकर बिजली प्राप्त करने को प्रत्यक्ष दाबविद्युत प्रभाव और विद्युत क्षेत्र लगाकर क्रिस्टल को विकृत करने को व्युत्क्रम दाबविद्युत प्रभाव कहते हैं। दोनों प्रभाव एक ही पदार्थ में मौजूद होते हैं और उपयोग के अनुसार इनमें से किसी एक का इस्तेमाल किया जाता है।
(2) क्यूरी बंधुओं की खोज
1880 में फ्रांस के पियरे क्यूरी और जाक क्यूरी बंधुओं ने टूरमलीन, क्वार्ट्ज और रोशेल लवण जैसे क्रिस्टलों में पहली बार प्रत्यक्ष दाबविद्युत प्रभाव को प्रमाणित किया। अगले वर्ष गैब्रियल लिपमैन ने ऊष्मागतिकी के सिद्धांतों के आधार पर सैद्धांतिक रूप से बताया कि उलटी दिशा का प्रभाव भी होना चाहिए। क्यूरी बंधुओं ने तुरंत प्रयोग करके इसकी पुष्टि कर दी।
(3) बहुत छोटा परिवर्तन
दाबविद्युत सिरेमिक का एक प्रकार, लेड ज़िरकोनेट टाइटेनेट (PZT), आकार में 0.1 प्रतिशत से भी कम का बहुत मामूली परिवर्तन होने पर मापने योग्य बिजली पैदा करता है। इसके विपरीत, बिजली लगाने पर इसके आकार में होने वाला परिवर्तन भी अधिकतम लगभग 0.1 प्रतिशत ही होता है। यह बहुत छोटा है, लेकिन इसी कारण अत्यंत सूक्ष्म गति को सटीक ढंग से नियंत्रित किया जा सकता है।
रोज़मर्रा की ज़िंदगी में छिपे दाबविद्युत घटक
दाबविद्युत घटकों का इस्तेमाल हमारी सोच से कहीं अधिक आसपास होता है। इन्हें दबाव के बल को बिजली में बदलने वाले उपयोगों और बिजली से कंपन पैदा करने वाले उपयोगों में बाँटकर देखना समझने में आसान होता है।
- प्रज्वलक (Igniter): बटन दबाने पर स्प्रिंग से जुड़ा एक छोटा हथौड़ा दाबविद्युत क्रिस्टल पर चोट करता है। इससे क्षण भर के लिए पैदा होने वाला उच्च वोल्टेज एक संकरे अंतराल में चिंगारी पैदा करता है, जो गैस को जला देती है।
- क्वार्ट्ज घड़ी (Quartz Clock): क्वार्ट्ज के टुकड़े पर वोल्टेज लगाने से वह क्रिस्टल के आकार के अनुसार निर्धारित दर पर नियमित रूप से कंपन करता है। यह नियमित कंपन समय की गिनती का संकेत बनता है। कलाई घड़ियों में आम तौर पर प्रति सेकंड 32,768 बार कंपन करने वाला क्वार्ट्ज इस्तेमाल होता है।
- माइक्रोफ़ोन और पिकअप (Microphone and Pickup): ध्वनि के कंपन दाबविद्युत घटक को दबाते हैं, तो उनकी तीव्रता के अनुसार विद्युत संकेत पैदा होता है। इसका उपयोग इलेक्ट्रिक गिटार के पिकअप और संपर्क माइक्रोफ़ोन में होता है।
- इंकजेट प्रिंटर (Inkjet Printer): कुछ प्रिंटर दाबविद्युत घटक पर बिजली लगाकर उसे विकृत करते हैं और उससे पैदा हुए बल से स्याही को अत्यंत छोटी बूँदों के रूप में बाहर धकेलते हैं।
सोनार से सूक्ष्मदर्शी तक फैलते उपयोग
दाबविद्युत प्रभाव लंबे समय तक प्रयोगशाला की एक अनोखी घटना बना रहा, लेकिन इसका पहला व्यावहारिक उपकरण सामने आने के बाद इसके उपयोग का दायरा तेज़ी से बढ़ा।
(1) पहला व्यावहारिक उपयोग, सोनार
विश्व युद्ध क्रमांक 1 के दौरान, 1917 में फ्रांस के पॉल लांजवां और उनके सहयोगियों ने इस्पात की प्लेटों के बीच क्वार्ट्ज के पतले टुकड़े चिपकाकर बने उपकरण से अल्ट्रासाउंड तरंगें भेजकर पनडुब्बियों का पता लगाया। ध्वनि के लौटने में लगने वाले समय से दूरी मापने वाला सोनार दाबविद्युत प्रभाव का पहला व्यावहारिक उपयोग था।
(2) अधिक शक्तिशाली पदार्थों का आगमन
विश्व युद्ध क्रमांक 2 के आसपास अमेरिका, सोवियत संघ और जापान के शोधकर्ताओं ने लौहविद्युत पदार्थ कहलाने वाले कृत्रिम पदार्थों की खोज की। इसके बाद बेरियम टाइटेनेट और PZT जैसे सिरेमिक व्यापक रूप से प्रचलित हुए, जिनका दाबविद्युत प्रभाव प्राकृतिक क्रिस्टलों से कई दस गुना अधिक था। आज भी चिकित्सकीय अल्ट्रासाउंड निदान उपकरणों के अधिकांश प्रोब में दाबविद्युत घटकों का उपयोग होता है।
(3) परमाणुओं को पढ़ने वाली उँगलियों के सिरे
अलग-अलग परमाणुओं को देखने वाले स्कैनिंग प्रोब सूक्ष्मदर्शी में व्युत्क्रम दाबविद्युत प्रभाव का उपयोग होता है। ऐसा इसलिए है क्योंकि वोल्टेज में बहुत मामूली बदलाव करके प्रोब को माइक्रोमीटर से भी छोटे स्तर की सटीकता से चलाया जाता है।
(4) अब भी अनसुलझी चुनौती
चलते समय उठने वाले कदमों से बिजली एकत्र करने के प्रयास भी हुए, लेकिन अमेरिका की रक्षा उन्नत अनुसंधान परियोजना एजेंसी ने सैनिक जूतों के भीतर बिजली पैदा करने का शोध बंद कर दिया, क्योंकि इससे जूते पहनने वाले पर बहुत अधिक बोझ पड़ता था। मनुष्य की गतिविधियों या मशीनों के कंपन से छोटे सेंसर चलाने के लिए बिजली एकत्र करने का शोध आज भी जारी है।
दाबविद्युत प्रभाव वह घटना है जिसमें एक क्रिस्टल के भीतर बल और बिजली एक-दूसरे में बदलते हैं। यह दिलचस्प है कि प्रज्वलक की चिंगारी, घड़ी का नियमित कंपन और जहाज़ के नीचे भेजी जाने वाली अल्ट्रासाउंड तरंगें, सभी एक ही सिद्धांत से निकले हैं।
यह जानना कि दबाव का बल और बिजली एक-दूसरे को पैदा करते हैं, दाबविद्युत प्रभाव को समझने का पहला कदम है।
