Меню

Как из тока получается свет

Электрический ток, откуда он берется и как добирается до наших домов?

Электрический ток, откуда он берется и как добирается до наших домов?

Уважаемые читатели и просто посетители нашего журнала! Мы достаточно много и довольно подробно пишем о том, какими способами, при помощи каких именно энергетических ресурсов, производится электроэнергия на электростанциях. Атом, газ, вода – были нашими с вами «героями», разве что до альтернативных , «зеленых» вариантов еще не успели добраться. Но, если присмотреться внимательно, рассказы были далеко не полными. Еще ни разу мы не пробовали отследить детально путь электроэнергии от турбины до наших с вами розеток, с тропинками на освещение наших населенных пунктов и дорог, на обеспечение работы многочисленных насосов, обеспечивающих комфорт наших с вами жилищ.

Дороги и тропинки эти отнюдь не просты, порой извилисты и многократно меняют направление, но знать, как они выглядят – обязанность каждого культурного человека XXI века. Века, облик которого во многом определяет покорившаяся нам электроэнергия, которую мы научились преобразовывать так, чтобы были удовлетворены все наши потребности – как в промышленности, так и в частном пользовании. Ток в проводах линий электропередач и ток в батарейках наших гаджетов – очень разные токи, но они остаются все тем же электричеством. Какие усилия приходится прилагать электроэнергетикам, инженерам, чтобы обеспечить мощнейшие токи сталеплавильных заводов и маленькие, крошечные токи, допустим, наручных часов? Сколько работы приходится проделывать всем тем, кто поддерживает систему преобразований, передачи и распределения электроэнергии, какими такими методами обеспечена стабильность этой системы? Чем «Системный Оператор» отличается от «Федеральной Сетевой Компании», почему обе этих компании были, есть и будут в России не частными а государственными?

Вопросов очень много, ответы на них надо знать, чтобы более менее представлять, зачем нам так много энергетиков и чем же они, грубо говоря, занимаются? Мы ведь настолько привыкли, что с электричеством в домах и в городах все в полном порядке, что про электроинженеров вспоминаем только тогда, когда что-то вдруг перестает работать, когда мы выпадаем из зоны привычного уровня комфорта. Темно и холодно – вот только тогда мы с вами и говорим об энергетиках, причем говорим такие слова, которые мы печатать точно не будем.

Мы уверены, что нам откровенно повезло – взяться за эту не простую, нужную, да еще и огромную тему согласился настоящий профессионал. Просим любить и жаловать – Дмитрий Таланов, Инженер с большой буквы. Знаете, есть такая страна – Финляндия, в которой звание инженера настолько значимо, что в свое время ежегодно издавался каталог с перечнем специалистов, его имеющих. Хотелось бы, чтобы и в России когда-нибудь появилась такая славная традиция, благо в наш электронно-интернетный век завести такой ежегодно обновляемый каталог намного проще.

Статья, которую мы предлагаем вашему вниманию по инженерному коротка, точна и емка. Конечно, обо всем, что написал Дмитрий, можно рассказать намного подробнее, и в свое время наш журнал начал цикл статей о том, как в XIX веке происходило покорение электричества.

Георг Ом, Генрих Герц, Андре-Мари Ампер, Алессандро Вольт, Джеймс Ватт, Фарадей, Якоби, Ленц, Грамм, Фонтен, Лодыгин, Доливо-Добровольский, Тесла, Яблочков, Депрё, Эдисон, Максвелл, Кирхгоф, братья Сименсы и братья Вестингаузы – в истории электричества много славных имен, достойных того, чтобы мы о них помнили. В общем, если кому-то хочется припомнить подробности того, как все начиналось, милости просим, а статья Дмитрия – начало совсем другой истории. Очень надеемся, что она вам понравится, а продолжение статей Дмитрия Таланова мы увидим в самое ближайшее время.

Уважаемого Дмитрия от себя лично – с дебютом, ко всем читателям просьба – не скупитесь на комментарии!

Что такое электрический ток, откуда он берется и как добирается до наших домов?

Для чего нам электроэнергия и насколько она помогает нам жить, может узнать каждый, обведя критическим взглядом свое жилище и место работы.

Первое, что бросается в глаза, это освещение. И верно, без него даже 8-часовой рабочий день превратился бы в муку. Добираться до работы во многих мегаполисах и так небольшое счастье, а если придется это делать в темноте? А зимой так и в оба конца! Газовые фонари помогут на главных магистралях, но чуть свернул в сторону, и не видно ни зги. Можно легко провалиться в подвал или яму. А за городом на природе, освещаемой только светом звезд?

Ночное освещение улицы, Фото: pixabay.com

Удалять жару из офисов, куда с трудом добрался, без электричества тоже нечем. Можно, конечно, открыть окна и обвязать голову мокрым полотенцем, но надолго ли это поможет. Качающим воду насосам тоже нужно электричество, или придется регулярно ходить с ведром на ручную колонку.

Кофе в офисе? Забудьте! Только если всем сразу и не часто, чтобы дым от сгорающего угля не отравил рабочую атмосферу. Или за дополнительную денежку получать из соседнего трактира.

Отправить письмо в соседний офис? Надо взять бумагу, написать письмо от руки, затем ножками отнести его. На другой конец города? Вызываем курьера. В другую страну? А вы знаете, сколько это будет стоить? К тому же ответа не ждите ранее полугода из соседних стран и от года до пяти из-за океана.

Вернулись домой, надо зажечь свечи. Читать при них – мучение для глаз, поэтому придется заняться чем-то другим. А чем? ТВ нет, компьютеров нет, смартфонов – и тех нет, ибо нечем их запитать. Лежи на лавке и гляди в потолок! Хотя рождаемость точно повысится.

К этому следует добавить, что все пластмассы и удобрения сейчас получают из природного газа на заводах, где крутятся тысячи моторов, приводимых в движение всё тем же электричеством. Отсюда список доступных удобрений сильно укорачивается до тех, которые можно приготовить из природного сырья в чанах, размешивая в них ядовитую жижу лопатками с ручным, водяным или паровым приводом. Как результат, сильно сжимается объем производимых продуктов.

О пластмассах – забудьте! Эбонит – наше высшее счастье из длинного списка. А из металлов самым доступным становится чугун. Из медицины на сцену в качестве главного орудия снова выступают стетоскоп и быстро ржавеющий скальпель. Остальное канет в Лету.

Продолжать можно долго, но идея должна быть уже понятна. Нам нужно электричество. Мы можем выжить без него, но что это будет за жизнь! Так откуда же появилось это волшебное электричество?

Открытие электричества

Все мы знаем физическую истину, что ничто никуда бесследно не исчезает, а только переходит из одного состояния в другое. С этой истиной столкнулся греческий философ Фалес Милетский в VII веке до н. э. обнаружив электричество как вид энергии, натирая кусок янтаря шерстью. Часть механической энергии при этом перешла в электрическую и янтарь (на древнегреческом «электрон») электризовался, то есть приобрел свойства притягивать легкие предметы.

Этот вид электричества сейчас называют статическим, и он нашел себе широкое применение, в том числе в системах очистки газов на электростанциях. Но в Древней Греции ему не нашлось применения и, если бы Фалес Милетский не оставил после себя записей о своих экспериментах, мы бы никогда не узнали, кто был тот первый мыслитель, заостривший свое внимание на виде энергии, являющейся едва ли не самой чистой среди всех, с которыми мы знакомы по настоящий день. Ею также наиболее удобно управлять.

Сам термин «электричество» – то есть «янтарность» – ввел в употребление Уильям Гилберт в 1600 году. С этого времени с электричеством начинают широко экспериментировать, пытаясь разгадать его природу.

Как результат, с 1600 по 1747 годы последовала череда увлекательных открытий и появилась первая теория электричества, созданная американцем Бенджамином Франклином. Он ввел понятие положительного и отрицательного заряда, изобрел молниеотвод и с его помощью доказал электрическую природу молний.

Далее в 1785 происходит открытие закона Кулона, а в 1800 году итальянец Вольта изобретает гальванический элемент (первый источник постоянного тока, предшественник нынешних батарей и аккумуляторов), представлявший собой столб из цинковых и серебряных кружочков, разделённых смоченной в подсоленной воде бумагой. С появлением этого, стабильного по тем временам, источника электричества новые и важнейшие открытия быстро следуют одно за другим.

Майкл Фарадей, читающий рождественскую лекцию в Королевском институте. Фрагмент литографии, Фото: republic.ru

В 1820 году датский физик Эрстед обнаружил электромагнитное взаимодействие: замыкая и размыкая цепь с постоянным током, он заметил цикличные колебания стрелки компаса, расположенной вблизи проводника. А в 1821 году французский физик Ампер открыл, что вокруг проводника с переменным электрическим током образуется переменное электромагнитное поле. Это позволило уже Майклу Фарадею в 1831 году открыть электромагнитную индукцию, описать уравнениями электрическое и магнитное поле и создать первый электрогенератор переменного тока. Фарадей вдвигал катушку с проводом в намагниченный сердечник и в результате в обмотке катушки появлялся электрический ток. Фарадей также придумал первый электродвигатель – проводник с электрическим током, вращающийся вокруг постоянного магнита.

Читайте также:  Метод эквивалентного генератора расчет цепей постоянного тока методом эквивалентного генератора

Всех участников «гонки за электричеством» невозможно упомянуть в этой статье, но результатом их усилий явилась доказуемая экспериментом теория, детально описывающая электричество и магнетизм, в соответствии с которой мы производим сейчас всё, что требует электричества для своего функционирования.

Постоянный или переменный ток?

В конце 1880-х годов, еще до появления мировых стандартов на производство, распределение и потребление промышленной электроэнергии, разразилась битва между сторонниками использования постоянного и переменного тока. Во главе противостоящих друг другу армий встали Тесла и Эдисон.

Оба были талантливыми изобретателями. Разве что Эдисон обладал куда более развитыми способностями к бизнесу и к моменту начала «войны» успел запатентовать множество технических решений, в которых использовался постоянный ток (в то время в США постоянный ток являлся стандартом по умолчанию; постоянным называется ток, направление которого не меняется по времени).

Но была одна проблема: в те времена постоянный ток было очень трудно трансформировать в более высокое или низкое напряжение. Ведь если сегодня мы получаем электроэнергию напряжением 240 вольт, а наш телефон требует 5 вольт, мы втыкаем в розетку универсальную коробочку, которая преобразует что угодно во что угодно в нужном нам диапазоне, используя современные транзисторы, управляемые крошечными логическими схемами с изощренным программным обеспечением. А что можно было сделать тогда, когда до изобретения самых примитивных транзисторов оставалось еще 70 лет? И если по условиям электрических потерь требовалось повысить напряжение до 100’000 вольт, чтобы доставить электроэнергию на расстояние 100 или 200 километров, любые столбы Вольта и примитивные генераторы постоянного тока оказывались бессильны.

Понимая это, Тесла выступал за переменный ток, трансформация которого в любые уровни напряжения не представляла труда и в те времена (переменным считается ток, величина и направление которого периодически меняются со временем даже при неизменном сопротивлении этому току; при частоте сети 50Гц это происходит 50 раз в секунду). Эдисон же, не желая терять патентные отчисления себе, развернул кампанию по дискредитации переменного тока. Он уверял, что этот вид тока особо опасен для всего живого, и в доказательство публично убивал бродячих кошек и собак, прикладывая к ним электроды, соединенные с источником переменного тока.

Эдисон проиграл битву, когда Тесла предложил за 399’000 долларов осветить весь город Буффало против предложения Эдисона сделать то же за 554’000 долларов. В день, когда город осветился электричеством, полученным от станции, расположенной у Ниагарского водопада и вырабатывающей именно переменный ток, компания General Electric выкинула постоянный ток из рассмотрения в своих будущих бизнес-проектах, полностью поддержав своим влиянием и деньгами переменный ток.

Томас Эдисон (США), Рис.: cdn.redshift.autodesk.com

Может показаться, что переменный ток навсегда завоевал мир. Однако у него имеются наследственные болячки, растущие из самого факта переменности. Прежде всего это электрические потери, связанные с потерями в индуктивной составляющей проводов ЛЭП, которые используются для передачи электроэнергии на большие расстояния. Эти потери в 10-20 раз превышают возможные потери в тех же самых ЛЭП в случае протекания по ним постоянного тока. Плюс сказывается повышенная сложность синхронизации узлов энергосистемы (для пущего понимания, скажем, отдельных городов), ведь для этого требуется не только выровнять напряжения узлов, но и их фазу, ибо переменный ток представляет собой волну синусоиды.

Отсюда видна и значительно большая приверженность к «качаниям» узлов по отношению к друг другу, когда напряжение-частота начинают меняться вверх-вниз, на что обычный потребитель обращает внимание, когда у него в квартире мигает свет. Обычно это предвестник конца совместной работы узлов: связи между ними рвутся и какие-то узлы оказываются с дефицитом энергии, что ведет к снижению в них частоты (т.е. к снижению скорости вращения тех же электродвигателей и вентиляторов), а какие-то с избытком энергии, приводящем к опасному повышению напряжения по всему узлу, включая наши розетки с подключенными к ним устройствам. А при достаточно большой длине ЛЭП, что, к примеру, критично для РФ, начинают проявляться и другие портящие настроение электрикам эффекты. Не вдаваясь в детали, можно указать, что передавать электроэнергию переменного тока по проводам на сверхдальние расстояния становится трудно, а иногда и невозможно. Для сведения, длина волны частотой 50 Гц составляет 6000 км, и при приближении к половине этой длины – 3000 км – начинают сказываться эффекты бегущих и стоячих волн плюс эффекты, связанные с резонансом.

Эти эффекты отсутствуют при использовании постоянного тока. А значит, повышается стабильность работы энергосистемы в целом. Принимая это во внимание, а также то, что компьютеры, светодиоды, солнечные панели, аккумуляторы и многое другое используют для своей работы именно постоянный ток, можно заключить: война с постоянным током еще не проиграна. Современным преобразователям постоянного тока на любые используемые сегодня мощности и напряжения осталось совсем немного, чтобы сравняться в цене с привычными человечеству трансформаторами переменного тока. После чего, видимо, начнется триумфальное шествие по планете уже постоянного тока.

Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.

Источник



Как происходит преобразование электрического тока в свет?

Ток состоит из любых заряженных частиц. В-основном — электронов.
Током называется их направленное движение, поток, течение.
Протекая по проводнику, электроны вынуждены маневрировать, «пробираться» между атомами этого проводника. При этом, разумеется, часто происходят столкновения с атомами.
Любой атом снаружи тоже окружен электронами, которые располагаются на разных уровнях, «высотах» от ядра и находятся в энергетическом равновесии, как искусственный спутник планеты — любое изменение орбиты (как вниз, так и вверх) требует вложения дополнительной энергии. Это основа любого равновесия.
Когда летящий свободный электрон сталкивается с атомом, он передает свой толчок одному из электронов оболочки этого атома — т. е. электрону, находящемуся в орбитальном равновесии. Этот удар, естественно, нарушает равновесие, и электрон перескакивает на другую орбиту, либо вообще вышвыривается из атома (ионизация).
Но при первом же удобном случае (т. е. фактически немедленно) электрон старается вернуться к своему равновесному положению, а для этого он должен отделаться от избыточной энергии, сообщенной ему столкновением. Вот эта избыточная энергия и излучается в виде фотона. Механизм тут совершенно обычный, называется «индукцией». Когда электрон перескакивает из одной позиции в другую — это не что иное как «движение заряда в пространстве», т. е. тоже электрический ток. Только в виде очень краткого импульса. А электрический ток, как известно, порождает вокруг себя электромагнитное поле. А ток в виде импульса — создает и поле тоже в виде импульса. Импульс поля, вызванный «перескакиванием» электрона с места на место, распространяется в пространстве со световой скоростью в виде волны, и эта волна называется «фотоном».

Таким образом, фотоны — результат смены энергетического состояния атомов проводника, которые вызываются столкновением с электронами тока.

Вещество может излучать фотоны и без тока, например, через сильное нагревание. При этом броуновское движение атомов так усиливается, что они испытывают столкновения даже друг с другом — и достаточно сильные удары, чтобы электроны в оболочках этих атомов нарушали свое равновесное положение на орбите. И снова получаются выбросы фотонов, хотя и вызваны другой причиной.

Источники света бывают разных типов. Первый, описанный мною принцип — «фотоэлектронная эмиссия» — работает в полупроводниковых источниках, светодиодах.
Второй (ионизация) — в газоразрядных.
И третий (тепловое излучение) — в лампах накаливания.

Источник

Как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую

Многие из нас так или иначе сталкивались с солнечными элементами. Кто-то пользовался или пользуется солнечными батареями для получения электричества в бытовых целях, кто-то использует небольшую солнечную панель для зарядки любимого гаджета в полевых условиях, а кто-то уж точно видел маленький солнечный элемент на микрокалькуляторе. Некоторым даже посчастливилось побывать на солнечной электростанции.

Но задумывались ли вы когда-нибудь о том, как происходит процесс преобразования солнечной энергии в энергию электрическую? Какое физическое явление лежит в основе работы всех этих солнечных элементов? Давайте обратимся к физике и разберемся в процессе генерации детально.

Как происходит процесс преобразования солнечной энергии в электрическую

С самого начала очевидно, что источником энергии здесь является солнечный свет, или, выражаясь научным языком, электрическая энергия получается благодаря фотонам солнечного излучения. Эти фотоны можно представить себе как непрерывно движущийся от Солнца поток элементарных частиц, каждая из которых обладает энергией, и следовательно весь световой поток несет в себе какую-то энергию.

Читайте также:  Как с помощью магнитной стрелки определить протекает ли по проводнику постоянный ток ответ обоснуйте

С каждого квадратного метра поверхности Солнца непрерывно излучается по 63 МВт энергии в форме излучения! Максимальная интенсивность этого излучения приходится на диапазон видимого спектра — волны с длиной от 400 до 800 нм.

Так вот, ученые определили, что плотность энергии потока солнечного света на расстоянии от Солнца до Земли в 149600000 километров, после его прохождения через атмосферу, и по достижении поверхности нашей планеты, составляет в среднем приблизительно 900 Вт на квадратный метр.

Здесь эту энергию можно принять и попытаться получить из нее электричество, то есть преобразовать энергию светового потока Солнца — в энергию движущихся заряженных частиц, проще говоря — в электрический ток.

Фотоэлектрический преобразователь

Для преобразования света в электричество нам потребуется фотоэлектрический преобразователь . Такие преобразователи очень распространены, они встречаются в свободной продаже, это так называемые солнечные ячейки — фотоэлектрические преобразователи в виде вырезанных из кремния пластин.

Лучшие — монокристаллические, они обладают КПД порядка 18%, то есть если поток фотонов от солнца обладает плотностью энергии в 900 Вт/кв.м, то можно рассчитывать на получение 160 Вт электричества с квадратного метра батареи, собранной из таких ячеек.

Работает здесь явление, называемое «фотоэффектом». Фотоэффект или фотоэлектрический эффект — это явление испускания электронов веществом (явление вырывания электронов из атомов вещества) под действием света или любого другого электромагнитного излучения.

Еще в 1900 году Макс Планк, отец квантовой физики, выдвинул предположение, что свет излучается и поглощается отдельными порциями или квантами, которые позже, а именно в 1926 году, химик Гилберт Льюис назовет «фотонами».

Энергия фотона

Каждый фотон обладает энергией, которая может быть определена по формуле Е = hv — постоянная Планка умножить на частоту излучения.

В соответствии с идеей Макса Планка стало объяснимым явление, открытое в 1887 году Герцем, и исследованное затем досконально с 1888 по 1890 год Столетовым. Александр Столетов экспериментально изучил фотоэффект и установил три закона фотоэффекта (законы Столетова):

При неизменном спектральном составе электромагнитных излучений, падающих на фотокатод, фототок насыщения пропорционален энергетической освещённости катода (иначе: число фотоэлектронов, выбиваемых из катода за 1 с, прямо пропорционально интенсивности излучения).

Максимальная начальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется только его частотой.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, то есть минимальная частота света (зависящая от химической природы вещества и состояния поверхности), ниже которой фотоэффект невозможен.

Позже, в 1905 году, теорию фотоэффекта прояснит Эйнштейн. Он покажет, как квантовая теория света и закон сохранения и превращения энергии превосходно объясняют происходящее и наблюдаемое. Эйнштейн запишет уравнение фотоэффекта, за которое в 1921 году получит Нобелевскую премию:

Уравнение фотоэффекта

Работы выхода А здесь — это минимальная работа, которую необходимо совершить электрону чтобы покинуть атом вещества. Второе слагаемое — кинетическая энергия электрона после выхода.

То есть фотон поглощается электроном атома, благодаря чему кинетическая энергия электрона в атоме возрастает на величину энергии поглощенного фотона.

Часть этой энергии расходуется на выход электрона из атома, электрон выходит из атома и получает возможность свободно двигаться. А направленно движущиеся электроны — это ничто иное, как электрический ток или фототок. В итоге можно говорить о возникновении ЭДС в веществе в результате фотоэффекта.

Как работает солнечная батарея

Стало быть, солнечная батарея работает благодаря действующему в ней фотоэффекту. Но куда движутся «выбитые» электроны в фотоэлектрическом преобразователе? Фотоэлектрический преобразователь или солнечная ячейка или фотоэлемент — это полупроводник, следовательно фотоэффект в нем происходит необычно, это внутренний фотоэффект, и он имеет даже специальное название «вентильный фотоэффект».

Под действием солнечного света в p-n переходе полупроводника возникает фотоэффект и появляется ЭДС, но электроны не покидают фотоэлемент, все происходит в запирающем слое, когда электроны покидают одну часть тела, переходя в другую его часть.

Кремния в земной коре 30% от ее массы, поэтому его всюду и используют. Особенность полупроводников вообще заключается в том, что они и не проводники и не диэлектрики, их проводимость зависит от концентрации примесей, от температуры и от воздействия излучений.

Ширина запрещенной зоны в полупроводнике составляет несколько электрон-вольт, и это как раз разность энергий между верхним уровнем валентной зоны атомов, откуда вырываются электроны, и нижним уровнем зоны проводимости. У кремния запрещенная зона имеет ширину 1,12 эВ — как раз то что нужно для поглощения солнечного излучения.

P-n переход в фотоэлементе

Итак, p-n переход. Легированные слои кремния в фотоэлементе образуют p-n переход. Здесь получается энергетический барьер для электронов, они покидают валентную зону и движутся только в одном направлении, в противоположном направлении движутся дырки. Так и получается ток в солнечном элементе, то есть имеет место генерация электроэнергии из солнечного света.

P-n переход, подвергаемый действию фотонов, не позволяет носителям заряда — электронам и дыркам — двигаться иначе, чем только в одном направлении, они разделяются и оказываются по разные стороны от барьера. И будучи присоединен к цепи нагрузки посредством верхнего и нижнего электродов, фотоэлектрический преобразователь, подвергаемый действию солнечного света, создаст во внешней цепи постоянный электрический ток.

Источник

Давайте разберемся: что же такое свет?

Он вокруг нас и позволяет нам видеть мир. Но спросите любого из нас, и большинство не сможет объяснить, что такое на самом деле этот свет. Свет помогает нам понимать мир, в котором мы живем. Наш язык это отражает: во тьме мы передвигаемся на ощупь, свет мы начинаем видеть вместе с наступлением зари. И все же мы далеки от полного понимания света. Если вы приблизите луч света, что в нем будет? Да, свет движется невероятно быстро, но разве его нельзя применить для путешествий? И так далее и тому подобное.

Конечно, все должно быть не так. Свет озадачивает лучшие умы на протяжении веков, но знаковые открытия, совершенные за последние 150 лет, постепенно приоткрывали завесу тайны над этой загадкой. Теперь мы более-менее понимаем, что она такое.

Физики современности не только постигают природу света, но и пытаются управлять ей с беспрецедентной точностью — и значит, свет очень скоро можно заставить работать самым удивительным способом. По этой причине Организация Объединенных Наций провозгласила 2015 году Международным годом Света.

Свет можно описать всевозможными способами. Но начать стоит с этого: свет — это форма излучения (радиации). И в этом сравнении есть смысл. Мы знаем, что избыток солнечного света может вызвать рак кожи. Мы также знаем, что радиационное облучение может вызвать риск развития некоторых форм рака; нетрудно провести параллели.

Электричество и магнетизм кажутся совершенно разными вещами. Но ученые вроде Ганса Христиана Эрстеда и Майкла Фарадея установили, что те глубоко переплетаются. Эрстед обнаружил, что электрический ток, проходящий через провод, отклоняет иглу магнитного компаса. Между тем, Фарадей обнаружил, что перемещение магнита вблизи провода может генерировать электрический ток в проводе.

Математики того дня использовали эти наблюдения для создания теории, описывающей это странное новое явление, которое они назвали «электромагнетизм». Но только Джеймс Клерк Максвелл смог описать полную картину.

Вклад Максвелла в науку сложно переоценить. Альберт Эйнштейн, который вдохновлялся Максвеллом, говорил, что тот изменил мир навсегда. Среди прочих вещей, его вычисления помогли нам понять, что такое свет.

В конце 1880-х, через несколько лет после смерти Максвелла, немецкий физик Генрих Герц первым официально продемонстрировал, что теоретическая концепция электромагнитной волны Максвелла была верной.

«Я уверен, что если бы Максвелл и Герц жили в эпоху Нобелевской премии, они бы точно одну получили», — говорит Грэм Холл из Университета Абердина в Великобритании — где работал Максвелл в конце 1850-х.

Максвелл занимает место в анналах науки о свете по другой, более практической причине. В 1861 году он обнародовал первую устойчивую цветную фотографию, полученную с использованием системы трехцветного фильтра, которая заложила основу для многих форм цветной фотографии сегодня.

Первая цветная фотография

Красный свет на одном конце радуги — это электромагнитное излучение с длиной волны от 620 до 750 нанометров; фиолетовый цвет на другом конце — излучение с длиной волны от 380 до 450 нм. Но в электромагнитном излучении есть и больше, чем видимые цвета. Свет с длиной волны длиннее красного мы называем инфракрасным. Свет с длиной волны короче фиолетового называем ультрафиолетовым. Многие животные могут видеть в ультрафиолетовом, некоторые люди тоже, говорит Элефтериос Гулильмакис из Института квантовой оптики Макса Планка в Гархинге, Германия. В некоторых случаях люди видят даже инфракрасный. Возможно, поэтому нас не удивляет, что ультрафиолетовый и инфракрасный мы называем формами света.

Любопытно, однако, что если длины волн становятся еще короче или длиннее, мы перестаем называть их «светом». За пределами ультрафиолетового, электромагнитные волны могут быть короче 100 нм. Это царство рентгеновских и гамма-лучей. Вы когда-нибудь слышали, чтобы рентгеновские лучи называли формой света?

Читайте также:  Условные обозначения источников постоянного тока

«Ученый не скажет «я просвечиваю объект рентгеновским светом». Он скажет «я использую рентгеновские лучи», — говорит Гулильмакис.

Между тем, за пределами инфракрасных и электромагнитных длин волны вытягиваются до 1 см и даже до тысяч километров. Такие электромагнитные волны получили названия микроволн или радиоволн. Кому-то может показаться странным воспринимать радиоволны как свет.

«Нет особой физической разницы между радиоволнами и видимым светом с точки зрения физики, — говорит Гулильмакис. — Вы будете описывать их одними и теми же уравнениями и математикой». Только наше повседневное восприятие различает их.

Таким образом, мы получаем другое определение света. Это очень узкий диапазон электромагнитного излучения, которое могут видеть наши глаза. Другими словами, свет — это субъективный ярлык, который мы используем только вследствие ограниченности наших органов чувств.

Если вам нужны более подробные доказательства того, насколько субъективно наше восприятие цвета, вспомните радугу. Большинство людей знают, что спектр света содержит семь основных цветов: красный, оранжевый, желтый, зеленый, голубой, синий и фиолетовый. У нас даже есть удобные пословицы и поговорки про охотников, которые желают знать место нахождения фазана. Посмотрите на хорошую радугу и попробуйте разглядеть все семь. Это не удалось даже Ньютону. Ученые подозревают, что ученый разделил радугу на семь цветов, поскольку число «семь» было очень важным для древнего мира: семь нот, семь дней недели и т. п.

Видимый свет

Некоторые считали, что свет движется в форме волн или ряби, через воздух или загадочный «эфир». Другие думали, что эта волновая модель ошибочна, и считали свет потоком крошечных частиц. Ньютон склонялся ко второму мнению, особенно после серии экспериментов, которые он провел со светом и зеркалами.

Проблема в том, что были в равной степени убедительные доказательства того, что свет представляет собой волну. Одна из самых наглядных демонстраций этого была проведено в 1801 году. Эксперимент с двойной щелью Томаса Юнга, в принципе, можно провести самостоятельно дома.

Возьмите лист толстого картона и аккуратно проделайте в нем два тонких вертикальных разреза. Затем возьмите источник «когерентного» света, который будет излучать свет только определенной длины волны: лазер отлично подойдет. Затем направьте свет на две щели, чтобы проходя их он падал на другую поверхность.

Вы ожидаете увидеть на второй поверхности две ярких вертикальных линии на тех местах, где свет прошел через щели. Но когда Юнг провел эксперимент, он увидел последовательность светлых и темных линий, как на штрих-коде.

Когда этот свет проходит через две щели, каждая волна гасит другую, образуя темные участки. Когда же рябь сходится, она дополняется, образуя яркие вертикальные линии. Эксперимент Юнга буквально подтвердил волновую модель, поэтому Максвелл облек эту идею в твердую математическую форму. Свет — это волна.

Во второй половине девятнадцатого века, физики пытались выяснить, как и почему некоторые материалы абсорбируют и излучают электромагнитное излучение лучше других. Стоит отметит, что тогда электросветовая промышленность только развивалась, поэтому материалы, которые могут излучать свет, были серьезной штукой.

К концу девятнадцатого века ученые обнаружили, что количество электромагнитного излучения, испускаемого объектом, меняется в зависимости от его температуры, и измерили эти изменения. Но никто не знал, почему так происходит. В 1900 году Макс Планк решил эту проблему. Он выяснил, что расчеты могут объяснить эти изменения, но только если допустить, что электромагнитное излучение передается крошечными дискретными порциями. Планк называл их «кванта», множественное число латинского «квантум». Спустя несколько лет Эйнштейн взял его идеи за основу и объяснил другой удивительный эксперимент.

Физики обнаружили, что кусок металла становится положительно заряженным, когда облучается видимым или ультрафиолетовым светом. Этот эффект был назван фотоэлектрическим.

Атомы в металле теряли отрицательно заряженные электроны. Судя по всему, свет доставлял достаточно энергии металлу, чтобы тот выпустил часть электронов. Но почему электроны так делали, было непонятно. Они могли переносить больше энергии, просто изменив цвет света. В частности, электроны, выпущенные металлом, облученным фиолетовым светом, переносили больше энергии, чем электроны, выпущенные металлом, облученным красным светом.

Если бы свет был просто волной, это было бы нелепо.

Эйнштейн понял, что фотоэлектрический эффект проще понять, если представить свет в терминологии планковских квантов.

Он предположил, что свет переносится крошечными квантовыми порциями. Каждый квант переносит порцию дискретной энергии, связанной с длиной волны: чем короче длина волны, тем плотнее энергия. Это могло бы объяснить, почему порции фиолетового света с относительно короткой длиной волны переносят больше энергии, чем порции красного света, с относительно большой длиной.

Также это объяснило бы, почему простое увеличение яркости света не особо влияет на результат.

Свет поярче доставляет больше порций света к металлу, но это не изменяет количество энергии, переносимой каждой порцией. Грубо говоря, одна порция фиолетового света может передать больше энергии одному электрону, чем много порций красного света.

Эйнштейн назвал эти порции энергии фотонами и в настоящее время их признали фундаментальными частицами. Видимый свет переносится фотонами, другие виды электромагнитного излучения вроде рентгеновского, микроволнового и радиоволнового — тоже. Другими словами, свет — это частица.

При этом у физиков не возникло проблем с раздвоением личности света. Это в какой-то мере сделало свет полезным вдвойне. Сегодня, опираясь на работы светил в прямом смысле слова — Максвелла и Эйнштейна, — мы выжимаем из света все.

Оказывается, что уравнения, используемые для описания света-волны и света-частицы, работают одинаково хорошо, но в некоторых случаях одно проще использовать, чем другое. Поэтому физики переключаются между ними, примерно как мы используем метры, описывая собственный рост, и переходим на километры, описывая поездку на велосипеде.

Некоторые физики пытаются использовать свет для создания шифрованных каналов связи, для денежных переводов, к примеру. Для них имеет смысл думать о свете как о частицах. Виной всему странная природа квантовой физики. Две фундаментальные частицы, как пара фотонов, могут быть «запутаны». Это значит, что они будут иметь общие свойства вне зависимости от того, как далеки будут друг от друга, поэтому их можно использовать для передачи информации между двумя точками на Земле.

Еще одна особенность этой запутанности в том, что квантовое состояние фотонов изменяется, когда их считывают. Это значит, что если кто-то попытается подслушать зашифрованный канал, в теории, он сразу выдаст свое присутствие.

Другие, как Гулильмакис, используют свет в электронике. Им полезней представлять свет в виде серии волн, которые можно приручить и контролировать. Современные устройства под названием «синтесайзеры светового поля» могут сводить световые волны в идеальной синхронности друг с дружкой. В результате они создают световые импульсы, которые более интенсивные, кратковременные и направленные, чем свет обычной лампы.

За последние 15 лет эти устройства научились использовать для приручения света с чрезвычайной степенью. В 2004 году Гулильмакис и его коллеги научились производить невероятно короткие импульсы рентгеновского излучения. Каждый импульс длился всего 250 аттосекунд, или 250 квинтиллионных секунды.

Используя эти крошечные импульсы как вспышку фотоаппарата, они смогли сделать снимки отдельных волн видимого света, которые колеблются намного медленнее. Они буквально сделали снимки движущегося света.

«Еще со времен Максвелла мы знали, что свет — это осциллирующее электромагнитное поле, но никто даже и подумать не мог, что мы можем сделать снимки осциллирующего света», — говорит Гулильмакис.

Сто лет назад фотоэлектрический эффект показал, что видимый свет влияет на электроны в металле. Гулильмакис говорит, что должна быть возможность точно контролировать эти электроны, используя волны видимого света, измененные таким образом, чтобы взаимодействовать с металлом четко определенным образом. «Мы можем управлять светом и с его помощью управлять материей», — говорит он.

Это может произвести революцию в электронике, привести к новому поколению оптических компьютеров, которые будут меньше и быстрее наших. «Мы сможем двигать электронами как заблагорассудится, создавая электрические токи внутри твердых веществ с помощью света, а не как в обычной электронике».

Вот еще один способ описать свет: это инструмент.

Впрочем, ничего нового. Жизнь использовала свет еще с тех пор, когда первые примитивные организмы развили светочувствительные ткани. Глаза людей улавливают фотоны видимого света, мы используем их для изучения мира вокруг. Современные технологии еще дальше уводят эту идею. В 2014 году Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые построили настолько мощный световой микроскоп, что он считался физически невозможным. Оказалось, что если постараться, свет может показать нам вещи, которые мы думали никогда не увидим.

Источник

Adblock
detector