GAISMAS ENERĢIJA: RAKSTURLIELUMI, VEIDI, IEGŪŠANA, PIEMĒRI - ZINĀTNE - 2025

Gaismas enerģijas vai gaisma ir gaisma, kas ir saistīta ar tai elektromagnētisko viļņu. Tā ir enerģija, kas padara apkārtējo pasauli redzamu, un tās galvenais avots ir Saule, kas veido daļu no elektromagnētiskā spektra, kā arī citi neredzamā starojuma veidi.

Elektromagnētiskie viļņi izveido mijiedarbību ar matēriju un spēj radīt dažādus efektus atkarībā no enerģijas, ko tie pārvadā. Tādējādi gaisma ne tikai ļauj redzēt objektus, bet arī rada izmaiņas matērijā.

1. attēls. Saule ir galvenais gaismas enerģijas avots uz Zemes. Avots: Pixabay.

Gaismas enerģijas raksturojums

Starp galvenajām gaismas enerģijas īpašībām ir:

-Tam ir divējāda būtība: makroskopiskā līmenī gaisma uzvedas kā vilnis, bet mikroskopiskā līmenī tai piemīt daļiņu īpašības.

-To pārvadā ar iepakojumiem vai gaismas "kvantām", ko sauc par fotoniem. Fotoniem trūkst masas un elektriskā lādiņa, taču tie var mijiedarboties ar citām daļiņām, piemēram, atomiem, molekulām vai elektroniem, un nodot tiem impulsu.

-Platīšanai nav nepieciešama materiāla barotne. To var izdarīt vakuumā ar gaismas ātrumu: c = 3 × 10 ⁸ m / s.

-Gaismas enerģija ir atkarīga no viļņa frekvences. Ja enerģiju un f apzīmējam kā frekvenci kā E, gaismas enerģiju piešķir ar E = hf, kur h ir Planka konstante, kuras vērtība ir 6,625 10 ^–34 J • s. Jo augstāka frekvence, jo vairāk enerģijas.

- Tāpat kā citiem enerģijas veidiem, to mēra džoulos (J) Starptautiskajā SI vienību sistēmā.

- Redzamās gaismas viļņu garums ir no 400 līdz 700 nanometriem. 1 nanometrs, saīsināts kā nm, ir vienāds ar 1 x 10 ^-9 m.

-Frekvence un viļņa garums λ ir saistīti ar c = λ.f, tāpēc E = hc / λ.

Gaismas enerģijas veidi

Gaismas enerģiju var klasificēt pēc tās avota:

-Dabisks

-Mākslīgais

2. attēls. Elektromagnētisko viļņu redzamās gaismas spektrs ir šaura krāsaina josla. Avots: F. Zapata.

Dabiskā gaismas enerģija

Dabiskais gaismas enerģijas avots par izcilību ir saule. Tā kā zvaigzne ir Saule, tās centrā ir kodolreaktors, kas ūdeņradi pārveido hēlijā, izmantojot reakcijas, kas rada milzīgu enerģijas daudzumu.

Šī enerģija atstāj Sauli gaismas, siltuma un cita veida starojuma veidā, nepārtraukti izstarojot aptuveni 62 600 kilovatus uz katru virsmas kvadrātmetru -1 kilovats ir ekvivalents 1000 vati, kas savukārt ir vienāds ar 1000 džouliem sekundē.

Augi izmanto daļu no šī lielā enerģijas daudzuma, lai veiktu fotosintēzi - svarīgo procesu, kas veido dzīvības pamatu uz Zemes. Vēl viens dabiskās gaismas avots, bet ar daudz mazāk enerģijas, ir bioluminiscence - parādība, kurā dzīvie organismi rada gaismu.

Zibens un uguns ir citi gaismas enerģijas avoti dabā, pirmie nav kontrolējami, un otrais ir pavadījis cilvēci kopš aizvēstures laikiem.

Mākslīgā gaismas enerģija

Runājot par mākslīgiem gaismas enerģijas avotiem, tiem nepieciešama citu enerģijas veidu, piemēram, elektriskās, ķīmiskās vai siltumspējas, pārvēršana gaismā. Šajā kategorijā ietilpst kvēlspuldzes, kuru ārkārtīgi karstais kvēldiegs izstaro gaismu. Vai arī gaismu, kas iegūta sadegšanas procesā, piemēram, sveces liesmu.

Ļoti interesants gaismas enerģijas avots ir lāzers. Tam ir daudz lietojumu dažādās jomās, tostarp medicīnā, sakaros, drošībā, skaitļošanā un kosmiskās aviācijas tehnoloģijās.

3. attēls. Griešanas mašīna izmanto lāzeru, lai veiktu augstas precizitātes rūpnieciskos griezumus. Avots: Pixabay.

Gaismas enerģijas lietojums

Gaismas enerģija palīdz mums sazināties ar apkārtējo pasauli, darbojas kā datu nesējs un raidītājs un informē mūs par vides apstākļiem. Senie grieķi jau izmantoja spoguļus, lai sāktu signālus raidīt lielos attālumos.

Piemēram, kad mēs skatāmies televīziju, dati, ko tas izstaro attēlu veidā, sasniedz mūsu smadzenes caur redzes sajūtu, kurai nepieciešama gaismas enerģija, lai atstātu iespiedumu redzes nervā.

Starp citu, telefona komunikācijā svarīga ir arī gaismas enerģija caur tā saucamajām optiskajām šķiedrām, kas vada gaismas enerģiju, samazinot zudumus.

Viss, ko mēs zinām par attāliem objektiem, ir informācija, kas tiek saņemta caur to izstaroto gaismu, analizēta ar dažādiem instrumentiem: teleskopiem, spektrogrāfiem un interferometriem.

Bijušie palīdz savākt priekšmetu formu, to spilgtumu - ja daudzi fotoni nonāk mūsu acīs, tas ir spīdīgs objekts - un to krāsu, kas ir atkarīga no viļņa garuma.

Tas dod arī priekšstatu par tā kustību, jo fotonu enerģija, ko novērotājs atrod, ir atšķirīga, kad kustībā atrodas avots, kas to izstaro. To sauc par Doplera efektu.

Spektrogrāfi vāc šīs gaismas izplatības veidu - spektru - un analizē to, lai iegūtu priekšstatu par objekta sastāvu. Izmantojot interferometru, jūs varat atšķirt gaismu no diviem avotiem, pat ja teleskopam nav pietiekami izšķirtspējas, lai atšķirtu divus.

Fotoelektriskais efekts

Saules izstaroto gaismas enerģiju var pārveidot elektrībā, pateicoties fotoelektriskajam efektam, ko 1839. gadā atklāja franču zinātnieks Aleksandrs Bekerels (1820-1891), Henri Bekerela tēvs, kurš atklāja radioaktivitāti.

Tas ir pamatots ar faktu, ka gaisma ir spējīga radīt elektrisko strāvu, izgaismojot pusvadītāju silīcija savienojumus, kas satur citu elementu piemaisījumus. Gadās, ka tad, kad gaisma apgaismo materiālu, tā nodod enerģiju, kas palielina valences elektronu kustīgumu un tādējādi palielina tā elektrisko vadītspēju.

Iegūšana

Kopš tās pirmsākumiem cilvēce ir centusies kontrolēt visus enerģijas veidus, ieskaitot gaismas enerģiju. Neskatoties uz to, ka Saule dienas laikā nodrošina gandrīz neizsmeļamu avotu, vienmēr bija nepieciešams kaut kādā veidā ražot gaismu, lai pasargātu sevi no plēsējiem un turpinātu veikt dienas laikā iesāktos uzdevumus.

Gaismas enerģiju ir iespējams iegūt, izmantojot dažus procesus, kas kaut kādā veidā ir kontrolējami:

-Kombinēšana, sadedzinot vielu, tā oksidējas, procesa laikā izdalot siltumu un bieži gaismu.

-Incandescence, sildot, piemēram, volframa kvēldiegu, piemēram, elektrisko spuldzi.

4. attēls. Kvēlspuldzes darbojas, izlaižot elektrisko strāvu caur volframa kvēldiegu. Sildot, tas izstaro siltumu un gaismu. Avots: Pixabay.

-Luminiscence, šajā efektā gaismu rada kaut kādas vielas aizraujošas vielas. Daži kukaiņi un aļģes rada gaismu, ko sauc par bioluminiscenci.

- Elektroluminiscence, ir materiāli, kas izstaro gaismu, kad tos stimulē elektriskā strāva.

Izmantojot jebkuru no šīm metodēm, gaismu iegūst tieši, kurai vienmēr ir gaismas enerģija. Gaismas enerģijas ražošana lielos daudzumos ir kaut kas cits.

Priekšrocība

- Gaismas enerģijai ir īpaši būtiska loma informācijas pārraidīšanā.

-Izmantojot saules enerģiju no saules, tā ir bezmaksas, tāpat kā mēs teicām, tas ir gandrīz neizsmeļams avots.

- Gaismas enerģija pati par sevi nav piesārņojoša (taču daži procesi tās iegūšanai var būt).

-Vietās, kur visa gada garumā ir saules gaisma, ir iespējams ražot elektrību ar fotoelektrisko efektu un tādējādi samazināt atkarību no fosilā kurināmā.

- Iekārtas, kuras izmanto Saules gaismas enerģiju, ir viegli uzturēt.

-Īstermiņa saules gaismas iedarbība ir nepieciešama, lai cilvēka ķermenis sintezētu D vitamīnu, kas ir svarīgs veseliem kauliem.

- Bez gaismas enerģijas augi nespēj veikt fotosintēzi, kas ir dzīvības pamats uz Zemes.

Trūkumi

-Tā atšķirībā no citiem enerģijas veidiem tas nav uzglabājams. Bet fotoelementus var atbalstīt ar baterijām, lai paplašinātu to izmantošanu.

- Principā telpas, kurās izmanto gaismas enerģiju, ir dārgas, un tām ir nepieciešama arī telpa, lai gan ar laiku un uzlabojumiem izmaksas ir samazinājušās. Pašlaik tiek pārbaudīti jauni materiāli un elastīgas fotoelementu baterijas, lai optimizētu telpas izmantošanu.

-Ilgstoša vai tieša saules staru iedarbība nodara kaitējumu ādai un redzei, bet galvenokārt ultravioletā starojuma dēļ, ko mēs neredzam.

Gaismas enerģijas piemēri

Iepriekšējās sadaļās mēs esam minējuši daudzus gaismas enerģijas piemērus: saules gaismu, sveces, lāzerus. Jo īpaši ir daži ļoti interesanti gaismas enerģijas piemēri, pateicoties dažiem no iepriekšminētajiem efektiem:

Led gaisma

5. attēls. LED gaismas ir efektīvākas nekā kvēlspuldzes, jo tās izdala mazāk siltuma un ilgāk izstaro gaismas enerģiju. Avots: Pixabay.

Nosaukums LED gaisma ir cēlies no angļu valodas gaismas diodes, un to ražo, izlaižot zemas intensitātes elektrisko strāvu caur pusvadītāju materiālu, kas reaģējot izstaro intensīvu un augstas veiktspējas gaismu.

LED lampas kalpo daudz ilgāk nekā tradicionālās kvēlspuldzes un ir daudz efektīvākas nekā tradicionālās kvēlspuldzes, kurās gandrīz visa enerģija tiek pārveidota siltumā, nevis gaismā. Tāpēc LED gaismas ir mazāk piesārņojošas, kaut arī to izmaksas ir augstākas nekā kvēlspuldzēm.

Bioluminiscence

Daudzas dzīvās būtnes spēj pārveidot ķīmisko enerģiju gaismas enerģijā, veicot bioķīmisku reakciju to iekšienē. Kukaiņi, zivis un baktērijas, cita starpā, spēj radīt savu gaismu.

Viņi to dara dažādu iemeslu dēļ: aizsardzība, palīga piesaiste, kā resurss laupījumu iegūšanai, saziņai un acīmredzami, lai parādītu ceļu.

Atsauces

1. Blērs, B. Gaismas pamati. Atgūts no: blair.pha.jhu.edu
2. Saules enerģija. Fotoelektriskais efekts. Atgūts no: solar-energia.net.
3. Tillery, B. 2013. Integrēt zinātni.6. Izdevums. Makgreiva kalns.
4. Visums šodien. Kas ir gaismas enerģija. Atgūts no: universetoday.com.
5. Vedantu. Gaismas enerģija. Atgūts no: vedantu.com.
6. Wikipedia. Gaismas enerģija. Atgūts no: es.wikipedia.org.