Энергия әрқашан адамзат қоғамының өзгеруі мен прогрессіндегі шешуші фактор болды. Бұл маңыздылық екі өнеркәсіптік революциядан кейін ерекше айқындалды, бұл адамдардың энергетиканы дамытудың маңызды рөлі туралы хабардар болуына себеп болды.
Қазіргі қарқынды дамып келе жатқан қоғамда қазба отындары (көмір, мұнай және т.б.) сияқты дәстүрлі энергия көздері ұзақ қалпына келтіру циклдеріне, қорлардың азаюына және сапасының төмендеуіне байланысты елеулі қиындықтарға тап болады. Бұл мәселелер өсіп келе жатқан энергияға деген сұранысты қанағаттандыруды қиындатады, жаңа энергия көздерін дамыту мен пайдалануды алдыңғы қатарға шығарады.
Фотосинтезден шабыт алу: Күн энергиясын пайдалану
Бізге белгілі, Жердегі барлық дерлік энергия өсімдіктердегі фотосинтезден пайда болады.
Фотосинтез - өсімдіктер күн сәулесінің әсерінен көмірқышқыл газы мен суды пайдаланып қанттарды синтездейтін биологиялық процесс. Бұл қанттар метаболизм кезінде энергия бөлетіндіктен, күн энергиясы осылайша сақталады.
Дегенмен, бұл энергия оңай пайдалануға жарамсыз және әдетте біз жиі қолданатын электр энергиясына түрлендіруді қажет етеді. Физикаға сәйкес, энергияны түрлендіру әрқашан белгілі бір шығындарды қажет етеді. Демек, күн энергиясын тікелей электр энергиясына түрлендіру зерттеудің маңызды саласына айналды.
Күн энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыруға бола ма? Бұл процеске қандай факторлар әсер етеді? Бұл 19 ғасырдың басындағы ғалымдар үшін терең сұрақтар болды. Бақытымызға орай, 19 ғасырдың соңында үлкен серпіліс жасалды.
Фотоэлектрлік эффектінің ашылуы
1887 жылы әйгілі физик Генрих Герц (оның аты қазір жиілік бірлігі ретінде қолданылады) кездейсоқ белгілі бір материал беттеріне түсетін жарық олардың электрлік қасиеттерін өзгерте алатынын анықтады. Кейінгі зерттеулер бұл құбылыстың кейінірек фотоэлектрлік эффект деп аталатын электрон ағынынан туындағанын анықтады.
Сол кезде Ньютон негізін қалаған классикалық физика ғылыми ойға үстемдік етті. Ол жарықтың эфир деп аталатын орта арқылы өтетін толқын екенін (тоған арқылы таралатын толқындарға ұқсас) алға тартты. Бұл теорияға сәйкес, толқынның энергиясы оның амплитудасына (жарықтың қарқындылығына) байланысты болды.
Бұл түсініктеме интуитивті болып көрінді. Мысалы, күн сәулесі қыста жағымды жылылық сезінеді, бірақ жаздың қатты ыстығында күнге күйік тудыруы мүмкін. Сондықтан, классикалық физикада фотоэлектрлік эффект жарықтың қарқындылығына байланысты деп есептелді. Дегенмен, тәжірибелер керісінше көрсетті.
Зерттеулер көрсеткендей, белгілі бір материал үшін жарықтың белгілі бір түстері қарқындылығына қарамастан фотоэлектрлік эффект тудыра алмайды, ал басқалары тіпті төмен қарқындылықта да электр энергиясын өндіре алады. Бұл тұжырымдар классикалық физикаға қайшы келіп, оны дағдарысқа ұшыратып, ғылыми төңкерісті тудырды.
Эйнштейн жұмбақты ашады
Осы ғылыми дауылдың ортасында Альберт Эйнштейн фотоэлектрлік эффект үшін жаңа түсініктеме берді.
Эйнштейн жарықтың әрқайсысы дискретті энергия пакетін білдіретін фотондардан тұратынын ұсынды. Фотонның энергиясы оның қарқындылығына емес, жиілігіне (секундына тербелістер санына) байланысты. Осылайша, материалдың электрондарды тудыра алуы фотондар санына емес, толығымен фотонның энергиясына байланысты.
Эйнштейннің революциялық түсінігі оған 1921 жылы физика бойынша Нобель сыйлығын әкелді, себебі ол классикалық физика түсіндіре алмаған маңызды мәселені шешті.
Күн батареялары: жарықты электр энергиясына айналдыру
Фотоэлектрлік эффектінің ашылуы күн батареялары сияқты практикалық қолданыстарға жол ашты.
Күн батареясы электронды тасымалдау қабаты мен тесік тасымалдау қабатының арасына орналастырылған жарыққа сезімтал белсенді қабаты бар сэндвичке ұқсайды. Құрылымның екі ұшы электрод материалдары, көбінесе металл және индий қалайы оксиді (ITO) болып табылады.
Белсенді қабат фотондарды жұтқан кезде, оның электрондары жоғары энергия деңгейлеріне дейін қоздырылады. Бұл қозған электрондар электрон тасымалдау қабатына ауысады, ал «тесіктер» (электрондар жетіспейтін аймақтар) тесік тасымалдау қабатымен өткізіледі. Бұл орналасу ток ағынын қамтамасыз ететін тізбек жасайды.
Мұндай құрылғы құрылымын пайдалану арқылы күн энергиясын тікелей электр энергиясына айналдыруға болады, бұл бізге тиімді және таза энергия көзін береді.
Ғылыми зерттеулерге құрмет
Күн батареяларының принципі ғылыми зерттеулердің біздің өмірімізді қалай түбегейлі жақсартқанын көрсетеді. Сансыз ғалымдардың адалдығы мен олардың жаңашыл жаңалықтарының арқасында адамзат жарқын болашақ үшін табиғаттың күшін пайдалануды жалғастыруда. Олардың ерекше үлестеріне құрмет көрсетейік!
