Categories
Podcasts Stiinta Tehnologie

F@TC 034 – Curent electric din lumină

Cum se obține curent electric din lumină? Ce este efectul fotoelectric? Din ce materiale sunt construite celulele fotovoltaice? Ce fel de unde electromagnetice sunt folosite pentru a genera curent electric?

Despre efectul fotoelectric și cum acționează acesta aflăm de la Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brașov, Laboratorul de Fizică Aplicată și Computațională.

Efectul fotoelectric a fost descris pentru prima dată de către Albert Einstein în 1905, în lucrarea “On a Heuristic Viewpoint Concerning the Production and Transformation of Light”. În această lucrare Einstein explică faptul că lumina există și sub forma unor quante, unor unități discrete de lumină numite fotoni. Astfel se scotea în evidență caracterul dual al luminii, fiind pus în prim-plan faptul ca fotonii sunt particule de lumină.

Lucrarea explică, de altfel, și modul prin care un foton poate scoate un electron din interiorul unui metal. De acolo și până la crearea unor experimente care să obțină curent electric nu a mai fost decât un pas. Curentul electric nu este altceva decât un șir de electroni care se deplasează în mod ordonat.

Einstein a primit Premiul Nobel în 1921 pentru descoperirea efectului fotoelectric.

S-a constatat că fotonul de energie E = hν trebuie să aiba o energie minimă, numită Lucru de extracție, cu ajutorul căreia să scoată electronul din metal. Lucrul de extracție este diferit pentru metale diferite.

E = h ν
h – constanta lui Plank ( 6.62607004 × 10^-34 m^2 kg / s )
ν – frecvența fotonului ( ν = c / λ )
c – viteza luminii, aprox 300 000 km/s
λ – lungimea de undă

Metale și compuși folosiți în celulele fotovoltaice sunt siliciul, cesiul, aliaj cadmiu-telur – CdTe, film de siliciu, aliaj cupru-indiu-galiu-seleniu – CIGS, film galiu-arsenic, sodiu, aluminiu, molibden și altele.

Tabel energii minime de extracție în funcție de metalul folosit (imagine via Hyperphysics ):
work-functions

Energii minime pentru Lucrul de extracție sunt mai jos. Conversii necesare: din eV în Hz și din Hz în lungimi de undă:
1 eV -> 100 THz, IR apropiat, 3000 nm
2 eV -> 500 THz, verde, 495-570 nm
4 eV -> 900THz, violet spre UV, 300 nm
5 eV -> 1,2 PHz, UV, 250 nm

Efectul fotoelectric este folosit în celulele fotovoltaice unde lumina incidentă creează un curent electric. Lumina vizibilă poate crea curent electric dacă se folosesc fotoni de lumină verde pentru celule fotovoltaice cu cesiu sau fotoni de culoare violetă dacă se folosesc metale ca aluminiul sau cadmiul. Verifică tabelul de mai sus și folosește convertorii pentru a afla ce fel de fotoni au energia minimă în funcție de metalul de interes.

Un lucru de știut este acela că intensitatea fotonilor nu ajută la îndepărtarea electronului din metal. Cu alte cuvinte, dacă ai mulți fotoni roșii sau IR la un loc, adică dacă ai lumină mai strălucitoare în acea bandă, atunci nu vei reuși să obții curent electric. Ai nevoie ca fotonii înșiși să fie de o energie mai mare decât energia minimă de extracție.

UV și X vor genera întotdeauna curent electric datorită faptului că au energii minime foarte mari comparativ cu lumina verde sau altele de lungimi de undă mai mari.

Filmat și editat de Manuel Cheța: http://tehnocultura.ro

Filmat la Universitatea “Transilvania” Brașov, Colina Universității.

Audio podcast:
https://itunes.apple.com/ro/podcast/tehnocultura/id929951093?mt=2
——
Referințe:
– efectul fotoelectric:
https://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect#20th_century
– efectul fotoelectric video:

– efectul fotoelectric sumar:
http://effectinforme.blogspot.co.uk/2015/10/photoelectric-effect.html
– fotonii:
https://www.pa.msu.edu/courses/1997spring/PHY232/lectures/quantum/photons.html
– spectrul vizibil al luminii:
https://en.wikipedia.org/wiki/Visible_spectrum
– tabel cu lucrul de extracție a electronilor:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/tables/photoelec.html
– materiale celule fotovoltaice:
https://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell#Materials
– convertor fizica eV în Hz:
http://www.translatorscafe.com/cafe/EN/units-converter/energy/62-11/hertz-electron-volt/
– convertor fizică Hz în lungimi de undă – nm:
http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/ems1.html
– imagine tipuri de fotoni:
http://scienceblogs.com/startswithabang/2014/05/31/comments-of-the-week-13-from-writing-to-relativity/
– imagine diagrama efect fotoelectric:
https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Photoelectric_effect.svg
– imagine efect fotoelectric în semiconductor:
http://www.physicsexperiment.co.uk/content/photoelectric.html

Categories
Stiinta YouTube

Ce este lumina: undă sau particulă? [video]


Așa cum s-a mai scris pe Tehnocultura.ro, lumina este o undă electromagnetică, dar este și particulă. Despre lumină s-au scris multe articole pe acest website și mereu aflăm că ne fașcinează. Interesant de observat este și interacțiunea dintre lumină și electroni.

Despre lumină ne povestește domnul Conf. Dr. Nicolae Crețu, de la Universitatea “Transilvania” Brasov, Laboratorul Fizică Aplicată și Computațională.

Conf. Dr. Nicolae Crețu ne explică de ce lumina este o undă electromagnetică. Cele cinci elemente principale pentru care considerăm lumina undă sunt notate mai jos iar acestea sunt specifice undelor:
1. interferența
2. polarizarea
3. difracția
4. dispersia
5. difuzia

Unda de lumină are o lungime de undă, o frecveță, o amplitudine, fază. Unda este, de fapt, compusă din două cămpuri, electric și magnetic, care se propagă prin spațiu cu viteza luminii. E = cB este formula ce definește relația dintre cămpul electric și cel magnetic ce intră în componența luminii.

Motivele pentru care considerăm lumina o particulă căreia îi dăm numele de foton sunt notate mai jos:
1. efectul foto-electric
2. efectul Compton
3. dezintegrarea razelor gamma în perechi electron-pozitron în cazul descompunerii radioactive

Primul care a făcut experimente care să demonstreze caracterul ondulatoriu, de undă, al luminii a fost Thomas Young, în 1801.

Efectul Compton, efect prin care se determină caracterul de corpuscul al luminii, a fost explicat de către Arthur Compton în 1923 și explica modul în care razele X, atunci când interacționează cu atomii, sunt difuzate sub un anumit unghi cu schimbare de lungime de undă.

Bonus: despre modul în care doi electroni comunică unul cu altul cu ajutorul luminii.
—————–
Surse:
– experimentul cu interferență al lui Young – http://en.wikipedia.org/wiki/Young%27s_interference_experiment
– fotonul – http://en.wikipedia.org/wiki/Photon
– difuzie Compton – http://en.wikipedia.org/wiki/Compton_scattering
– ce este lumina – http://tehnocultura.ro/2014/03/20/ce-este-lumina/
– adevărul despre lumină și electroni – http://tehnocultura.ro/2013/07/16/adevarul-despre-lumina-si-electroni-stiinta/

thumb-lumina (Medium)

Categories
Stiinta

Ce este lumina?


Lumina este radiație electromagnetică ori, altfel spus, o vibrație a câmpului electromagnetic, nu are masă de repaus și se deplasează cu aproximativ 300 000 km/s. Lumina se comportă ca o particulă sau ca o undă, în funcție de modul în care interacționezi cu ea.

Dacă trimiți un foton, unitatea de bază a luminii sau a radiației electromagnetice, către un perete cu două găuri în el, vei vedea că a trecut prim ambele găuri, precum trece un val de apă când întâlnește un zid cu două găuri în el. Astfel demonstrezi calitatea de undă a luminii.

Dacă trimiți lumina către o celulă fotovoltaică, vei vedea că anumiți electroni sunt aruncați de pe straturile superioare ale atomilor și generează curent electric. În acest caz demonstrezi că lumina se comportă ca o particulă.

Un alt lucru interesant este acela că electronii pot absorbi sau emite fotoni, lumină în anumite situații. Aici mă refer la lumină ca radiație electromagnetică, nu doar la spectrul vizibil, lumina ce o pot observa oamenii.

Am aflat mai demult ce este lumina, apoi despre modul în care lumina interacționează cu electronii, apoi despre faptul că suntem în stare să filmăm lumina în zbor cu femtocamera.

Află mai multe despre lumină, cum functionează, polarizarea ei, cum calculăm diferitele caracteristici ale luminii și cum aflăm ce temperatură are lumina de o anumită lungime de undă. Cursul de mai jos este oferit de Universitatea din California, Berkeley:

Categories
Stiinta

Adevărul despre lumină și electroni [știință]


Veritasium explică, pe înțelesul tuturor, ce sunt electronii și fotonii și cum interactionează aceștia între ei. Există o legătură mult mai strânsă între electroni și lumină decât am vrea să recunoaștem, deși becurile incandeșcente sunt la fel de cunoscute pe cum este apa de la robinet.

Categories
Tehnologie

Hai să înțelegem lumina. Pe bune!

lumina-radiatia-electromagnetica-imagineMolly, de la Rocketboom ne face din nou o mică lecție despre Universul în care trăim. Mai precis, drăguța prezentatoare ne explică foarte clar ce este radiația electromagnetică și ce este lumina.

Ca și idee, lumina este doar o parte mică din radiația electromagnetică. La stânga spectrului electromagnetic (ce complicat sună un lucru atât de simplu) se afla microundele și undele radio. Ambele știm ce fac. La dreapta se află razele X și Gamma. Stelele neutronice (găurile negre) sunt detectate datorită radiației Gamma emisă de obiectele care se distrug la contactul cu steaua. Mi-nu-nat!

Iată o imagine mai jos legată de mândrul spectru:
reprezentare-spectru-electromagnetic-lungimi-unda-energii

Urmărește un mini-documetar foarte interesant.

Cum ți se pare acum lumina?