Энергия һәрвакыт кешелек җәмгыятен үзгәртеп коруда һәм алгарышында төп фактор булып торды. Бу әһәмият, аеруча, ике сәнәгать революциясеннән соң ачыкланды, бу кешеләрне энергия үсешенең мөһим ролен тагын да ныграк аңларга этәрде.
Бүгенге тиз алгарышлы җәмгыятьтә казылма ягулыклар (күмер, нефть һ.б.) кебек традицион энергия чыганаклары озак регенерация цикллары, запасларның кимүе һәм сыйфатның кимүе аркасында зур кыенлыклар белән очраша. Бу проблемалар энергиягә булган ихтыяҗны канәгатьләндерүне катлауландыра, яңа энергия чыганакларын эшләүне һәм куллануны алгы планга чыгара.
Фотосинтездан илһам алу: Кояш энергиясен куллану
Белгәнебезчә, Җирдәге барлык кулланыла торган энергия диярлек үсемлекләрдәге фотосинтез нәтиҗәсендә барлыкка килә.
Фотосинтез - үсемлекләр кояш нурлары астында углекислый газ һәм су кулланып шикәр синтезлый торган биологик процесс. Бу шикәрләр метаболизм вакытында энергия бүлеп чыгарганлыктан, кояш энергиясе шулай саклана.
Ләкин бу энергия җиңел кулланыла алмый һәм гадәттә без гадәттә куллана торган электр энергиясенә әйләндерүне таләп итә. Физика буенча, энергияне әйләндерү һәрвакыт кайбер югалтуларны таләп итә. Шуңа күрә кояш энергиясен турыдан-туры электр энергиясенә әйләндерү тикшеренүләрнең мөһим өлкәсенә әйләнде.
Кояш энергиясен турыдан-туры электр энергиясенә әйләндереп буламы? Һәм бу процесска нинди факторлар йогынты ясый? Бу сораулар XIX гасыр башында галимнәр өчен тирән мәгънәле иде. Бәхеткә, XIX гасыр ахырында зур ачыш булды.
Фотоэлектрик эффектның ачылышы
1887 елда танылган физик Генрих Герц (аның исеме хәзер ешлык берәмлеге буларак кулланыла) билгеле бер материал өслекләренә бәрелгән яктылык аларның электр үзлекләрен үзгәртә алуын очраклы рәвештә ачкан. Соңрак үткәрелгән тикшеренүләр бу күренешнең электрон агымы аркасында килеп чыгуын ачыклаган, соңрак ул фотоэлектрик эффект дип аталган.
Ул вакытта Ньютон нигез салган классик физика фәнни фикердә өстенлек иткән. Ул яктылыкның эфир дип аталган мохит аша хәрәкәт итүче дулкын булуын фаразлаган (буа буйлап таралган дулкыннарга охшаган). Бу теория буенча, дулкын энергиясе аның амплитудасына (яктылык интенсивлыгына) бәйле булган.
Бу аңлатма интуитив тоелды. Мәсәлән, кояш нуры кышын җылы тоела, ләкин җәйнең көчле эсселегендә кояшта пешү китереп чыгарырга мөмкин. Шуңа күрә, классик физикада фотоэлектрик эффект яктылык интенсивлыгына бәйле дип саналган. Ләкин экспериментлар киресен күрсәтте.
Тикшеренүләр күрсәткәнчә, билгеле бер материал өчен яктылыкның кайбер төсләре интенсивлыкка карамастан фотоэлектрик эффект китереп чыгара алмый, ә кайберләре хәтта түбән интенсивлыкта да электр энергиясе җитештерә ала. Бу ачышлар классик физикага каршы килә, аны кризиска дучар итә һәм фәнни революциягә этәргеч бирә.
Эйнштейн серне ача
Бу фәнни давыл вакытында Альберт Эйнштейн фотоэлектрик эффект өчен новатор аңлатма бирде.
Эйнштейн яктылыкның фотоннардан тора дип фаразлаган, аларның һәрберсе дискрет энергия пакетын тәшкил итә. Фотонның энергиясе аның интенсивлыгына түгел, ә ешлыгына (секунд эчендәге тирбәнешләр санына) бәйле. Шулай итеп, материалның электроннар тудыра алу-алмавы тулысынча фотонның энергиясенә бәйле, фотоннар санына түгел.
Эйнштейнның революцион карашы аңа 1921 елда физика буенча Нобель премиясен китерде, чөнки ул классик физика аңлата алмаган мөһим мәсьәләне хәл итте.
Кояш батареялары: яктылыкны электр энергиясенә әйләндерү
Фотоэлектрик эффектның ачылуы кояш батареялары кебек гамәли кулланылышларга юл ачты.
Кояш элементы сэндвичка охшаган, яктылыкка сизгер актив катлам электрон ташучы катлам һәм тишек ташучы катлам арасына урнаштырылган. Структураның ике очы электрод материаллары, еш кына металл һәм индий калай оксиды (ITO).
Актив катлам фотоннарны сеңдергәндә, аның электроннары югарырак энергия дәрәҗәләренә күтәрелә. Бу күтәрелгән электроннар электрон ташучы катламга күчерелә, ә "тишекләр" (электроннар булмаган өлкәләр) тишек ташучы катлам тарафыннан үткәрелә. Бу тәртип ток агымын тәэмин итүче схема булдыра.
Мондый җайланма структурасын кулланып, кояш энергиясен турыдан-туры электр энергиясенә әйләндереп була, бу безгә нәтиҗәле һәм чиста энергия чыганагы бирә.
Фәнни тикшеренүләргә хөрмәт
Кояш батареялары принцибы фәнни тикшеренүләрнең тормышыбызны ничек нык яхшыртканын күрсәтә. Күпсанлы галимнәрнең фидакарьлеге һәм аларның алдынгы ачышлары аркасында кешелек якты киләчәк өчен табигать көчен куллануын дәвам итә. Әйдәгез, аларның гаҗәеп өлешләренә хөрмәт белән карыйк!
