താരമായി വൈദ്യുതി

ജിജോ പി. ഉലഹന്നാൻ

ഇലക്ട്രിസിറ്റി എന്ന വാക്ക് ഗ്രീക്ക് ഭാഷയിലെ ഇലക്ട്രോൺ (elekron) എന്ന വാക്കിൽ നിന്നാണുണ്ടായത്. മരപ്പശയുടെ ഫോസിൽ രൂപമായ ആമ്പറിനെ സൂചിപ്പിക്കാനാണ് ഈ വാക്ക് ഉപയോഗിച്ചിരുന്നത്. ആമ്പർ ഉരസിയാൽ അതിനു ചില വസ്തുക്കളെ ആകർഷിക്കാനോ വികർഷിക്കാനോ കഴിയും. അതുപോലെ കമ്പിളി വസ്ത്രം, ബലൂൺ, തലമുടി ഇവയൊക്കെ ചില വസ്തുക്കളുമായി ഉരസിയതിനു ശേഷം ആകർഷണ, വികർഷണ സ്വഭാവങ്ങൾ കാണിക്കുന്നതു വഴി രണ്ടുതരം വൈദ്യുത സ്വഭാവങ്ങൾ സാധ്യമാണെന്നു പുരാതന കാലത്തു തന്നെ മനസ്സിലായിരുന്നു. ഈ വ്യത്യസ്ത സ്വഭാവങ്ങൾക്കു നെഗറ്റീവ് ചാർജ്, പോസിറ്റീവ് ചാർജ് എന്നിങ്ങനെ പേരു നൽകിയത് അമേരിക്കൻ ശാസ്ത്രജ്ഞനായ ബഞ്ചമിൻ ഫ്രാങ്ക്ളിനാണ്. ചില കല്ലുകൾ (lodestone) പരസ്പരം ആകർഷിക്കുകയോ, വികർഷിക്കുകയോ ചെയ്യുന്നത് ഗ്രീസിലെ മാഗ്നീഷ്യ (Magnesia) പ്രദേശത്ത് കണ്ടെത്തുക വഴി കാന്തികത (magnetism) എന്ന സ്വഭാവവും വളരെ പണ്ടേ നാം മനസ്സിലാക്കിയിരുന്നു.

വൈദ്യുതിയുടെയും കാന്തികതയുടെയും യഥാർഥ സ്വഭാവം മനസ്സിലാക്കാൻ സഹായകരമായ പഠനങ്ങൾ നടത്തിയവരാണു ബഞ്ചമിൻ ഫ്രാങ്ക്ളിനും വില്ല്യം തോംസണും(ലോർഡ് കെൽവിൻ). എന്നാൽ, ഇതു രണ്ടും ഒരേ സ്വഭാവത്തിന്റെ വ്യത്യസ്ത വശങ്ങൾ മാത്രമാണെന്നു കണ്ടെത്തിയത് മൈക്കിൾ ഫാരഡേ ആണ്. ഈ അടിസ്ഥാന സ്വഭാവത്തെ നാം വൈദ്യുത കാന്തിക ബലം എന്നു വിളിക്കുന്നു. വൈദ്യുതി ഉൽപാദിപ്പിക്കുന്ന ജനറേറ്ററിലും വൈദ്യുതി ഉപയോഗിച്ചു പ്രവർത്തിക്കുന്ന മോട്ടോറിലും ഈ പ്രതിഭാസമാണ് ഉപയോഗിക്കുന്നത്.

തടഞ്ഞുനിർത്തുന്നവർ
വൈദ്യുതോർജത്തെ എളുപ്പത്തിൽ കടത്തിവിടുന്ന പദാർഥങ്ങളാണു ചാലകങ്ങൾ(conductors). സ്വർണം, വെള്ളി, ചെമ്പ് എന്നിവയൊക്കെ വൈദ്യുത ചാലകങ്ങളാണ്. ചാലകത തീരെക്കുറഞ്ഞ പദാർഥങ്ങളെ പ്രതിരോധികൾ(insulators) എന്നുവിളിക്കാം. ഊഷ്മാവ് വർധിക്കുമ്പോൾ ചാലകത വർധിക്കുന്ന പദാർഥങ്ങളാണ് അർധചാലകങ്ങൾ(semiconductors). ഇവയിൽ ചില മൂലകങ്ങൾ ചേർത്താൽ (dopants) ചാലകത വർധിപ്പിക്കാനും കഴിയും. താഴ്ന്ന ഊഷ്മാവിൽ ചില പദാർഥങ്ങൾ വളരെ ഉയർന്ന ചാലകത പ്രകടിപ്പിക്കുന്നു. ഈ പ്രതിഭാസമാണ് അതിചാലകത (superconductivity). ബുള്ളറ്റ് ട്രെയിനുകളുടെയും സ്കാനിങ്ങിനുപയോഗിക്കുന്ന എംആർഐ യന്ത്രത്തിന്റെയുമൊക്കെ പ്രവർത്തനത്തിനാവശ്യമായ ശക്തിയേറിയ കാന്തിക മണ്ഡലം സൃഷ്ടിക്കുന്നത് അതിചാലകത ഉപയോഗിച്ചാണ്.

എൽഇഡി വിളക്കുകൾ (LED Lamps)
ഡി (Light Emitting Diode) വിളക്കുകൾ നിർമിക്കുന്നത് അർധചാലകങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചാണ്. എൽഇഡി എന്തെന്നറിയണമെങ്കിൽ ആദ്യം എന്താണു ഡയോഡ് എന്നു മനസ്സിലാക്കണം.ഡോപ്പ് ചെയ്ത ഒരു പി-ടൈപ്പ് (p-type) അർധചാലകം സമാന ഡോപ്പിങ് സാന്ദ്രതയുള്ള എൻ-ടൈപ്പ് (n-type) അർധചാലകവുമായി ചേർത്തുവച്ചാണ് ഡയോഡ് നിർമിക്കുന്നത്. ഈ ഡയോഡ് ഒരു വൈദ്യുത സ്രോതസ്സുമായി ഘടിപ്പിച്ച് ഫോർവേഡ് ബയസ് (forward bias) ചെയ്യുമ്പോൾ വൈദ്യുതി കടത്തിവിടുന്നു. ചാലക ഇലക്ട്രോണുകൾ പി-ടൈപ്പിലുള്ള ഹോളുകളുമായി ചേരുകയും അധികമുള്ള ഊർജം താപമായി പുറത്തുവിടുകയും ചെയ്യുന്നു. സിലിക്കൺ, ജർമേനിയം എന്നീ നാലാം ഗ്രൂപ്പ് മൂലകങ്ങളാണ് ഇതിനായി പൊതുേവ ഉപയോഗിക്കുന്നത്.

ഗാലിയം ആഴ്സനൈഡ് (GaAs) പോലുള്ള ചില സംയുക്തങ്ങൾ ഉപയോഗിച്ചു നിർമിക്കുന്ന ഡയോഡുകളാണ് എൽഇഡികൾ. ഇവയിൽ ഫോർവേഡ് ബയസ് അവസ്ഥയിൽ ചൂടിനു പകരം പ്രകാശം പുറത്തുവരുന്നു. 1962ൽ നിക്ക് ഹോളോന്യാക് ജൂനിയറാണ് ആദ്യമായി ദൃശ്യപ്രകാശം പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന എൽഇഡി നിർമിച്ചത്. ചുവപ്പ്, ഓറഞ്ച്, മഞ്ഞ, പച്ച നിറങ്ങളിലുള്ള എൽഇഡികൾ വളരെപ്പെട്ടെന്നു പ്രചാരത്തിലായി. പക്ഷേ, ധവള പ്രകാശം സൃഷ്ടിക്കാനായി പ്രാഥമിക വർണ്ണങ്ങളിലൊന്നായ നീല 1972-ൽ ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് (GaN) സംയുക്തം ഉപയോഗിച്ചു നിർമിച്ചെങ്കിലും ഇതിന്റെ പ്രകാശതീവ്രത തീരെക്കുറവായിരുന്നു. 1994ൽ ജപ്പാനിലെ നിചിയ കെമിക്കൽ കമ്പനിയിലെ ശാസ്ത്രജ്ഞനായിരുന്ന ഷൂജി നകാമുറ തീവ്രത കൂടിയ നീല എൽഇഡി പ്രദർശിപ്പിച്ചു. ഇതിനായി ഇൻഡിയം ഗാലിയം നൈട്രൈഡ് (InGaN) എന്ന സംയുക്തമാണ് അദ്ദേഹം ഉപയോഗിച്ചത്. പത്തു വർഷത്തോളം നീണ്ട നിരന്തര പരിശ്രമം കൊണ്ടാണു വളരെയാളുകൾ പരാജയപ്പെട്ട ഗാലിയം നൈട്രൈഡിന്റെ പി-ടൈപ്പ് പദാർഥം ഉണ്ടാക്കാൻ സാധിച്ചത്. ഇതിന്റെ ഭൗതികശാസ്ത്രം വിശദീകരിച്ചതിനും, വ്യാവസായികമായി നീല എൽഇഡികൾ നിർമിക്കാനുള്ള സാങ്കേതികവിദ്യ വികസിപ്പിച്ചതിനും നകാമുറയ്ക്കും ജാപ്പനീസ് ഗവേഷകരായ ഇസാമു അകസാക്കി, ഹിരോഷി അമാനോ എന്നിവർക്കും 2014-ലെ ഭൗതികശാസ്ത്ര നോബൽ ലഭിച്ചു. ശാസ്ത്ര ഗവേഷണം ചിലപ്പോൾ എത്ര ക്ഷമ ആവശ്യമുള്ളതാണെന്ന് ഇദ്ദേഹത്തിന്റെ പ്രയത്നം നമ്മളെ പഠിപ്പിക്കുന്നു.

ഇന്നു ധവളപ്രകാശം(White Light) പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന എൽഇഡികൾ പല തരത്തിൽ നിർമിക്കുന്നു. ഇതിൽ ഏറ്റവും പ്രധാനം നീലയോ, വയലറ്റോ ഉപയോഗിച്ച് ഒരു മഞ്ഞയോ, ഓറഞ്ചോ നിറമുള്ള ഫോസ്ഫർ പദാർഥത്തെ ഉദ്ദീപ്പിപ്പിച്ചു വെളുത്ത നിറം പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന രീതിയാണ്. വളരെ ഉയർന്ന ഊർജക്ഷമതയും നീണ്ട പ്രവർത്തന കാലാവധിയും വിവിധ ആകൃതിയിൽ വിളക്കുകൾ നിർമിക്കാമെന്നതുമൊക്കെ എൽഇഡി വിളക്കുകളുടെ സ്വീകാര്യത വർധിപ്പിക്കുന്നു. വാഹനങ്ങളുടെ ഹെഡ് ലാംപ്, വീടുകളിലെ പ്രകാശ സ്രോതസ്സ്, വഴി വിളക്കുകൾ, അലങ്കാര വിളക്കുകൾ എന്നിങ്ങനെ എൽഇഡി വിളക്കുകൾ മറ്റെല്ലാ വിളക്കുകളെയും പുറത്താക്കുന്ന കാലത്താണു നാം ജീവിക്കുന്നത്. അതോടൊപ്പം മൊബൈൽ ഫോൺ, കംപ്യൂട്ടർ, ടിവി തുടങ്ങിയ ഉപകരണങ്ങളുടെ ഡിസ്പ്ലേകളിലും ഇന്ന് എൽഇഡി ധാരാളമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. അർധചാലക സംയുക്തങ്ങൾക്കു പകരം ഓർഗാനിക് മോളിക്യൂളുകൾ ഉപയോഗിച്ചുള്ള ഡിസ്പ്ലേകൾക്ക് പ്രചാരം വർധിച്ചുകൊണ്ടിരിക്കുന്നു.

മടങ്ങി വരുമോ ഇൻകാൻഡസന്റ് വിളക്കുകൾ
ചൈനയിൽനിന്നെത്തിച്ച പ്രത്യേക തരം മുള കരിച്ചുണ്ടാക്കിയ കാർബൺ നാരുകൊണ്ടാണ് എഡിസൺ ആദ്യകാലത്തു വൈദ്യുത വിളിക്കുകൾ നിർമിച്ചത്. പിന്നീടവ വായു നീക്കം ചെയ്ത ബൾബുകൾക്കുള്ളിൽ ഘടിപ്പിച്ച ടങ്സ്റ്റൺ ഫിലമെന്റിനും, ഡിസി വൈദ്യുതിയിൽ നിന്ന് എസിയിലേക്കുമൊക്കെ വഴിമാറി. ഫിലമെന്റിലൂടെ വൈദ്യുതി കടന്നുപോകുമ്പോൾ ടങ്സ്റ്റൺ ചൂടായി പ്രകാശം പുറപ്പെടുപ്പിക്കുന്ന ഇത്തരം വിളക്കുകൾ ധാരാളം ഊർജനഷ്ടം വരുത്തിയിരുന്നു. ഇതാണ് എൽഇഡി വിളിക്കുകൾ വ്യാപകമാകാൻ കാരണം. എന്നാൽ, ബൾബുകളിലെ വെളിച്ചം എൽഇഡി വിളക്കുകളെക്കാൾ കുളിർമയേകുന്നതാണ്. ഇവ പുറത്തുവിടുന്ന താപോർജം ഇൻഫ്രാറെഡ് കിരണങ്ങളായി പുറത്തുപോകുന്നതിനാൽ ദൃശ്യപ്രകാശത്തിലേക്കു വരുന്നുമില്ല. ഇക്കാര്യങ്ങൾ കണക്കിലെടുത്ത് മാസച്യുസെറ്റ്സ് ഇൻസ്റ്റിറ്റ്യൂട്ട് ഓഫ് ടെക്നോളജിയിലെ ഗവേഷകർ പുതിയൊരു തരം ഇൻകാ‍ൻഡസെന്റ് ബൾബ് വികസിപ്പിച്ചിരിക്കുകയാണ്. നഷ്ടപ്പെടുന്ന താപോർജം ഇൻഫ്രാറെഡ് റിഫ്ലക്ടറുകളും ഫിൽറ്ററുകളുമുപയോഗിച്ചു തിരികെ ഫിലമെന്റിലേക്കു കൊണ്ടുവന്നു ക്ഷമത വർധിപ്പിക്കുകയാണിതില്‍ ചെയ്യുക. ഭാവിയിൽ, ഏകദേശം 40% ഊർജക്ഷമത കൂടിയ ബൾബുകൾ ഇത്തരത്തിൽ നിർമിക്കാമെന്നാണു പ്രതീക്ഷ.