Виды световой энергии — источники, использование и преобразование

Световая энергия — это энергия одной из форм электромагнитного излучения. В разных условиях свет может вести себя как волна, или как поток частиц. Когда художники хотят описать какой-то объект, они начинают его с внешнего вида. То, что они видят, зависит от того, как этот объект отражает свет и как глаза регистрируют этот свет.

Но нам свет невозможно воспринимать подобным образом. Поэтому художники изображают, как свет освещает разные предметы, а ученые исследуют, как свет воздействует на на разные вещества и предметы. Оказывается, иногда свет ведет себя подобно волнам на поверхности пруда. В других же случаях свет действует на вещество, как если бы он представлял собой поток частиц. Подробнее разберем какие виды световой энергии существуют, а также их источники образования далее в статье.

Фотоэлектрический эффект

В солнечных элементах для переработки энергии солнечного света в электрическую используется фотоэлектрический эффект. Фотоэффект возникает, когда видимый свет или ультрафиолетовое излучения падает на поверхность некоторых веществ. Свет или УФ-излучение выбивает из вещества электроны, порождающие ток, который можно измерить гальванометром.

Удивительное свойство фотоэффекта состоит и в том, что он проявляется лишь для света, частота которого превышает определенное пороговое значение. Для света как более низких частот электроны вообще не испускаются, как бы сильно не был освещен материал. Минимальная частота для появления фотоэффекта зависит от освещаемого материала.

Пример устанавливаемой солнечной панели

Традиционный солнечный элемент состоит из двух пластин кремниевого полупроводника, наложенных друг на друга. Снаружи с обеих сторон нанесены электрические контакты. Химический состав пластин слегка различен, и солнечный свет заставляет электроны переходить из одной пластины в другую. Электроны потоком «выходят» из пластины через один контакт. Из второго контакта в элемент «входят» другие электроны, замыкая цепь.

Один солнечный элемент дает напряжение около 0,5 В. Получаемый ток зависит от площади элемента. Солнечный элемент диаметром 10 см. может давать ток около 1,5 ампер при ярком солнечном свете. Солнечные элементы в изображенных на снимках панелях соединяются последовательно для увеличения напряжения и параллельно для повышения силы тока.

бакен в океане с солнечными панелями

На этом работающем от конечной энергии бакене установлены 4 батареи солнечных элементов. Элементы заряжают аккумулятор, который питает сигнальный огонь по ночам.

Свет как поток частиц

Немецкий физик Макс Планк (1845 — 1947) первым высказал предположение о двойственной природе света. В 1905 г. Альберт Эйнштейн (1879 — 1955) предложил объяснение фотоэлектрического эффекта. Оно опиралось на представление, что свет ведет себя как поток частиц.

Электроны удерживаются в любом веществе притяжением к ядрам атомов этого вещества. Чтобы преодолеть это предложение, им нужно получить дополнительную энергию, подобно тому, как необходимо ударить по футбольному мячу, чтобы он взоетел на вершину холма. При фотоэлектрическом эффекте энергию электронам дает свет. Эйнштейн предположил, что свет это поток «порций» энергии, называемых фотонами. Энергия каждого фотона определяется его частотой. Если частота слишком низкая, то «удар», который электрон получает от фотона, чересчур слаб, и электрон не может вырваться. Выше некоторой частоты каждый фотон обладает достаточной энергией, чтобы выбить электрон из вещества, что и происходит при фотоэффекте.

Свет как волна

Пока Эйнштейн не предположил, что свет можно рассматривать как поток фотонов, физики описывали свет как разновидность волнового движения. Они пришли к этому выводу на основании опытов, свидетельствующих о том, что свет ведет себя подобно звуковым волнам или волнам на воде.

Свет как поток частиц

В 1873 г. английский физик Джеймс Клерк Максвелл (1831 — 1879) вывел уравнение, описывающее свет как совместное распространение электрического и магнитного полей, периодически колеблющихся перпендикулярно друг к другу и к направлению распространению света.

Явление дифракции света

Когда волны на воде набегают на стенку с узкой щелью в ней, они расходятся от щели в виде серии концентрических кругов, как если бы сама щель стала источником волн. Это явление называется дифракцией (лат. diffractus). Звуковые волны также дифрагируют. Если человек проходит мимо дома, где играет музыка и окно открыто, то, подходя к окну, первыми он слышит басовые ноты. Самые высокие ноты можно услышать лишь вблизи окна, потому что высокочастотные волны дифрагируют хуже. Дифракция демонстрирует волновую природу света.

Когда свет одной длины волны проходит сквозь щель, на экране появляется нечетко очерченный светлый кружок, а чередующиеся слабые концентрические кольца: светлые в пиках световых волн и темные в узлах. Луч, проходящий сквозь щель, обычно не заходит в область тени, если только ширина щели не близка к длине световой волны.

Явление интерференции света

Когда волны на воде дифрагируют через 2 расположенные рядом щели, эти щели действуют как отдельные источники волн, согласованные по фазе друг с другом. Волны, расходящиеся от этих отдельных источников, интерферируют (складываются) друг с другом. Там, где гребень одной волны встречается с впадиной другой, волны гасят друг с другом, и поверхность воды остается невозмущенной. Там, где накладывается 2 гребня или 2 впадины, возникает еще более высокий гребень или более глубокая впадина.

Когда свет одной впадины волны проходит сквозь 2 тонкие щели, он расходится от этих щелей и образует интерференционную картину чередующихся светлых или темных полос: световые волны в одних местах усиливают друг друга, а в других гасят. Интерференция также является доказательством волновой природы света.

Частицы как волны

Вскоре после того как Эйнштейн предположил, что свет может вести себя как поток частиц, французский физик Луи де Бройль (1892 — 1987) заявил, что может быть верным и обратное: частицы также могут вести себя подобно волнам. Он вычислил, что лишь самые легкие частицы обладают длинами волн, доступными экспериментальному изучению. В 1924 г. было обнаружено, что, если направить пучок электронов на кристалл, электроны дифрагируют сквозь промежутки между атомами кристалла и оставляют на фотопластинке интерференционную картинку. То есть электроны ведут себя как волны.

(7 votes, average: 4,71 out of 5)
Загрузка...