Světelná energie: Kategorie, vlastnosti a důležitá použití

by

Co je to světelná energie?

Definice světelné energie:

Světlo je jediná forma energie, která je viditelná lidským okem. Světelnou energii lze definovat dvěma způsoby:

Světlo se skládá z nehmotných energetických balíčků známých jako fotony. Fotony jsou energetické balíčky, které přenášejí pevné množství světelné energie v závislosti na vlnové délce.

Světelná energie označuje rozsah elektromagnetické energie, který se skládá z paprsků gama, rentgenového záření, viditelného světla atd.
Viditelný rozsah elektromagnetického spektra je obecně známý jako světlo.

Povaha světla:

V 17. století existovaly dvě představy o povaze světla.

Částicová povaha světla

Isaac Newton věřil, že světlo je tvořeno drobnými diskrétními částicemi zvanými krvinky. Podle něj byly tyto drobné částice emitovány horkými předměty, jako je slunce nebo oheň, a cestovaly přímočarou konečnou rychlostí a měly popud. Toto začalo být známé jako Newtonova korpuskulární teorie světla.

Vlnová povaha světla

Christian Huygens tvrdil, že vyvrací Newtonovu korpuskulární teorii tím, že navrhuje vlnovou teorii světla. Podle něj bylo světlo tvořeno vlnami vibrujícími nahoru a dolů kolmo na jeho směr šíření. Toto začalo být známé jako Princip „Huygens“

Na počátku 19. století provedl anglický fyzik Thomas Young experiment, který ukázal světlo z bodového zdroje poté, co prošel dvěma štěrbinami a vytvořil interferenční obrazec na obrazovce umístěné ve vhodné vzdálenosti. Toto začalo být známé jako Youngův experiment se dvěma štěrbinami, který prosazoval vlnovou povahu světla podporující Huygensův princip.

James Clerk Maxwell položil základ moderního elektromagnetismu, který popisoval světlo jako příčnou vlnu složenou z kmitajících magnetických a elektrických polí navzájem o 90 °. Formulace světla jako příčných vln odporovala Huygensovi, který věřil, že světelná vlna je podélná.

Albert Einstein oživil teorii částic zavedením konceptu fotonů. Einsteinův experiment, známý jako fotoelektrický jev, ukázal, že světlo obsahuje diskrétní svazky nebo kvantá světelné energie, nazývané fotony

Fenomén interference a difrakce lze vysvětlit pouze tím, že se světlo považuje za vlnu. Ve srovnání s tím bylo vysvětlení fotoelektrického jevu možné pouze díky částicové povaze světla.
Toto obrovské dilema týkající se přirozenosti světla bylo vyřešeno založením kvantové mechaniky, která založila dualitu vlnových částic na povaze světla i hmoty 

Vlastnosti světla:

Interakce světla:

Světelné vlny interagují s hmotou různými způsoby:

Odraz světla

- Když se světelná vlna odrazí od povrchu materiálu do předchozího média šíření, proces se nazývá odraz. Například obraz vytvořený na klidném rybníku / jezeře.

odraz u jezera
Odraz
Zdroj obrázku: Basile Morin, Vodní odraz hor Vang Vieng s soumračnými paprsky, CC BY-SA 4.0

Absorpce světla

Když materiál absorbuje energii světelné vlny, která na něj dopadá, proces se nazývá absorpce. Například plasty ve tmě, které absorbují světlo a znovu se vydávají ve formě fosforescence.

Přenos

Když světelná vlna prochází / prochází materiálem, proces se nazývá přenos. Například světlo procházející skleněnou okenní tabulí.

Rušení

Interference se týká jevu, ve kterém dvě světelné vlny superponují na produkci výsledné vlny, která může mít nižší, vyšší nebo stejnou amplitudu. Ke konstruktivnímu a destruktivnímu rušení dochází, když jsou interagující vlny navzájem koherentní, buď proto, že sdílejí stejný zdroj, nebo proto, že mají stejnou nebo srovnatelnou frekvenci.

interference vln
Rušení vln
Zdroj obrázku: Dr. Schorsch 12:32, 19. dubna 2005 (UTC) (Dr. Schorsch, Interference, CC BY-SA 3.0

Lom světla

Lom je důležité chování demonstrované světelnými vlnami. K lomu dochází, když se světelné vlny odkloní od své původní dráhy při vstupu do nového média. Světlo vykazuje různé rychlosti v různých vysílacích materiálech. Změna rychlosti a stupně odchylky závisí na úhlu dopadajícího světla.

Difrakce

Difrakce je definována jako ohýbání světelných vln kolem rohů clony do její geometrické oblasti stínu. Difrakční překážka nebo clona se stává sekundárním zdrojem šířící se světelné vlny. Jedním z nejběžnějších příkladů difrakce je tvorba duhových vzorů na CD nebo DVD. Úzce rozmístěné stopy na DVD nebo CD slouží jako difrakční mřížky a vytvářejí vzory, když na něj dopadá světlo.

difrakce světla
Difrakce světla
zdroj obrázku: Lazord00d, Argonový laserový paprsek a difrakční zrcadlo, CC BY-SA 3.0

Dispersion

Rozptyl světla označuje fenomén štěpení bílého světla na jeho základní barevné spektrum (.ie VIBGYOR) při průchodu skleněným hranolem nebo podobnými předměty. Například tvorba duhy v důsledku difrakce slunečního světla kapkami deště podobnými hranolu.

Druhy světla

  • Světlo jako celek označuje elektromagnetické záření každé vlnové délky.
  • Elektromagnetické záření lze klasifikovat z hlediska vlnových délek jako
  • Rádiové vlny ~ [105 - 10-1 m]
  • Mikrovlnná trouba ~ [10-1 - 10-3 m]
  • Infračervená vlna ~ [10-3 - 0.7 x 10-6m]
  • Viditelná oblast (vnímáme jako světlo) ~ [0.7 x 10-6 - 0.4 x 10-6 m]
  • Ultrafialové vlny ~ [0.4 x 10-6 - 10-8 m]
  • Rentgenové záření ~ [10-8 - 10-11 m]
  • Gama paprsky ~ [10-11 - 10-13 m]
  • Fungování elektromagnetického záření je založeno na jeho vlnové délce.

Frekvence a vlnová délka světla

Měřítko vlnové délky

zdarma 1
Zdroj obrázku: Inductiveload, NASA, CC BY-SA 3.0 http://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/prostřednictvím Wikimedia Commons

Frekvence světla

Rádiové vlny :

Rádiová vlna je elektromagnetická vlna s frekvencí mezi 20 kHz a přibližně 300 GHz a je známá pro své použití v komunikačních technologiích, jako jsou mobilní telefony, televize a rádio. Tato zařízení přijímají rádiové vlny a transformují je na mechanické vibrace, které vytvářejí zvukové vlny.

Mikrovlnná trouba:

Mikrovlnná trouba je elektromagnetické záření o frekvenci mezi 300 MHz a 300 GHz. Mikrovlny mají řadu aplikací, včetně radaru, komunikace a vaření.

Infračervené vlny:

Infračervená vlna je elektromagnetické záření mající frekvenci mezi 300 GHz a 400 THz.
Infračervené vlny nacházejí uplatnění při ohřívání dálkových ovladačů potravin a televizí, kabelů z optických vláken, termovizních kamer atd.

Viditelné světlo :

Viditelné světlo je elektromagnetické záření s frekvencí mezi 4 × 1014 do 8 × 1014 hertz (Hz). Důvodem, proč lidské oko vidí pouze určitý rozsah frekvencí světla, je to, že tyto určité frekvence stimulují sítnici v lidském oku.

Ultrafialové paprsky :

Ultrafialové světlo je elektromagnetické záření s frekvencí mezi 8 × 1014 a 3 × 1016 hertz (Hz). Ultrafialové záření se používá k vynulování mikrobů, sterilizaci lékařského vybavení, léčbě kožních problémů atd.

Rentgenové paprsky:

Rentgenové záření je elektromagnetické záření s frekvencí mezi 3 × 1019 a 3 × 1016 Hz. Rentgenové paprsky se používají k anulování rakovinných buněk, v rentgenových přístrojích atd.

Gama paprsky:

Gama paprsky jsou elektromagnetické záření s frekvencemi vyššími než 1019 hertz (Hz). Gama paprsky jsou zvyklé anulovat mikroby, sterilizujte lékařské vybavení a jídlo.

Příklady světelné energie

Světelné zdroje

Světelné zdroje lze rozdělit do dvou základních typů: luminiscence a žárovka.

Žhavení:

Žhavení zahrnuje vibrace všech přítomných atomů. Když se atomy zahřívají na velmi vysokou optimální teplotu, výsledné tepelné vibrace se uvolňují jako elektromagnetické záření. Žárovka nebo „záření černého tělesa“ vzniká, když světlo vychází z ohřáté pevné látky. Uvolněné fotony se na základě teploty materiálu liší svou barvou a energií. Při nízkých teplotách materiály produkují infračervené záření.

U záření černého tělesa se při zvyšování teploty vrchol posouvá směrem ke kratším vlnovým délkám, protože se pohybuje směrem k ultrafialovému rozsahu spektra, generuje červenou, potom bílou a nakonec modrobílou barvu.
Nejčastěji používaným světlem je žárovkové světlo. Skládá se ze slunce, žárovek a ohně.
Požáry zahrnují chemické reakce, které uvolňují teplo, což způsobuje, že se materiály dotýkají vysokých teplot a nakonec vedou plyny a materiály k žhavení. Na druhou stranu žárovky produkují teplo v důsledku průchodu elektrického proudu kabelem. Žárovky vyzařují přibližně 90% své energie jako infračervené záření a zbytek jako viditelné světlo.

Luminescence

Luminiscence zahrnuje pouze elektrony a obvykle se odehrává při nižších teplotách, ve srovnání s klasickým světlem.
Luminiscenční světlo vzniká, když elektron vydává část své energie jako elektromagnetické záření. Když elektron skočí dolů na nižší energetickou hladinu, uvolní se určité množství světelné energie ve formě světel určité barvy. Obecně platí, že pro udržení kontinuální luminiscence potřebují elektrony neustálý tlak k dosažení vyšších úrovní energie, aby proces pokračoval.
Například neonová světla produkují světlo elektroluminiscencí, která zahrnuje vysoké napětí {push}, které vzrušuje plynné částice a nakonec vede k emisi světla.

Jak funguje cestování světlem?

Světlo se prakticky pohybuje jako vlna. I když podle geometrické optiky je světlo modelováno tak, aby cestovalo paprsky. K přenosu světla ze zdroje do bodu může dojít třemi způsoby:

  • Může cestovat přímo vakuem nebo prázdným prostorem. Například světlo cestující ze Slunce na Zemi.
  • Může cestovat různými médii, jako je vzduch, sklo atd.
  • Může se pohybovat po odrazu, například zrcadlem nebo nehybným jezerem.

Světelná energie vs. elektronová energie

Elektronová energieSvětelná energie
• Elektrony mají klidovou hmotu, tj. Energii odpovídající její hmotnosti v klidu. Zbytek energie elektronu lze vypočítat pomocí Einsteinovy ​​rovnice E = MC2.

• Když elektron mění své energetické úrovně přechodem z vyšší energetické do nižší energetické hladiny, emituje fotony.

• Světelná energie je ve formě malých bezhmotných energetických balíčků nazývaných fotony. Množství energie ve fotonu závisí na vlnové délce světla. E = hc / λ

• Když fotony s přiměřeným množstvím světelné energie dopadnou na materiál, elektrony energii absorbují a uniknou z materiálu.

Použití světelné energie.

Světlo má své aplikace v každém aspektu života. Bez světelné energie by bylo nemožné přežít.
Zde je několik základních aplikací světelné energie v našem životě:

  • Světlo umožňuje vidění. Specifický rozsah vlnových délek světla poskytuje dokonalé množství energie potřebné ke stimulaci chemických reakcí v naší sítnici k podpoře vidění.
  • Světelná energie umožňuje rostlinám produkovat jídlo procesem fotosyntézy.
  • Světelná energie se používá jako zdroj energie v satelitních a vesmírných technologiích.
  • Solární energie se používá pro různé domácí a průmyslové činnosti.
  • Světelná energie (elektromagnetické záření) se používá v telekomunikačním průmyslu.
  • Světelná energie se také používá pro několik lékařských ošetření.

Také čtení:

     

Zanechat komentář