ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ. ПРЕОБРАЗОВАНИЕ. СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА СВЕТА

Свет зачастую рассматривается как нечто абсолютно обыденное, и мы обычно не задумываемся о его физической природе. В то же время эта проб­лема и интересна, и сложна. Уже в старину ученые начали иметь дело с проб­лемами использования оптических устройств, не вникая особенно в природу света.

Фундаментальные, углубленные исследования природы света начались только в 17-м столетии. В 1678 г. Кристиан Гюйгенс (1643 - 1727) представил доклад в Парижской Академии, к котором свет характеризовался как продоль­ное движение волн. Однако сэр Исаак Ньютон (1643 - 1727) описал свет как поток частиц, что привело к созданию корпускулярной теории света, домини­ровавшей вплоть до конца 18-го столетия. 19-е столетие стало периодом интен­сивного развития волновой теории, подтверждаемой экспериментами по ин­терференции и дифракции и новыми научными открытиями в области электри­чества и магнетизма.

Сегодня мы знаем, что свет формируется поперечными электромагнит­ными волнами в довольно узком диапазоне длин волн, и в то же время он про­является как поток фотонов. Отсюда следует, что обе теории применимы.

Этот уровень понимания - результат длительного развития наших знаний. Систематические исследования в области электрической энергии могли начать­ся только после изобретения в 1799 г. Александром Вольта гальванической ячейки.

В 1820 г. Ганс Христиан Эрстед (1777 - 1851) обнаружил, что электриче­ский ток создает магнитное поле вокруг проводника и что электричество и маг­нетизм так или иначе связаны. Позже Андре-Мари Ампер (1775 - 1836) пред­сказал и доказал существование силового взаимодействия электрических токов и сформулировал Закон Ампера. Майкл Фарадей (1791 - 1867) обнаружил элек­тромагнитную индукцию и сформулировал Закон Фарадея.

Все вышеизложенное подготовило, в свою очередь, базу для Джеймса Клерка Максвелла (1831 — 1879), который смог обобщить результаты предыду­щих исследований в области электричества и магнетизма в его четырех уравне­ниях и сформулировать, таким образом, общую теорию электромагнетизма [4]. Его уравнения показывают, что при изменении электрического поля индуциру­ется магнитное поле и, наоборот, изменения магнитного поля вызывают воз­никновение электрического поля. Оба поля распространяются в форме волн, со скоростью света с.

Существование электромагнитных волн, предсказанное гораздо раньше, теперь было доказано экспериментально.

Соответствие между скоростью распространения этих волн и измеренной скоростью света было настолько поразительно, что привело Максвелла к выво­ду о том, что именно эти волны иллюстрируют природу света. Он смог вывести законы физической оптики из своих уравнений и, таким образом, объединить теорию оптики с теорией электромагнитного поля.

Теория Максвелла была встречена с большим скептицизмом, существо­вавшим в течение долгого времени. Наличие электромагнитных волн не было доказано экспериментально, и их существование казалось физикам маловероят­ным. Сам Максвелл прожил недостаточно долго, чтобы увидеть триумф своей теории. Спустя девять лет после его смерти Герц Генрих Рудольф (1857 - 1894) сумел доказать существование электромагнитных волн экспериментально в опытах по изучению электрического разряда между двумя заостренными элек­тродами. Он смог обнаружить ответный сигнал в антенне, т. е. он доказал суще­ствование электромагнитных волн с длинами волн короче, чем один метр. Од­нако он не увидел возможности практического применения своего открытия. Его ключевое применение было показано Маркони, Тесла и Поповым в их изо­бретениях беспроволочной телеграфии. Сегодня мы можем видеть другие бес­численные применения этого открытия.

Электромагнитные волны перестали быть простой гипотезой и стали ча­стью интегрированной электромагнитной теории поля. Форма такой волны представлена на рис. 3.1. Как описано выше, изменение в электрическом поле во времени вызывает образование магнитного поля и наоборот. Для линейно поляризованного света векторы интенсивности электрического поля и вызван­ного магнитного поля колеблются во взаимно перпендикулярных направлени­ях, один вызывая другой. Продольное движение волны осуществляется перпен­дикулярно к обоим этим векторам.

Обычный свет не поляризован, то есть векторы Ё и В индивидуальных волн изменяют их ориентацию хаотично (беспорядочно). Если проекция векто­ра Е на плоскость поляризации (плоскость перпендикулярная к направлению 36

распространения) является прямой линией, мы говорим о линейно поляризо­ванном свете. В случае, когда вершина вектора описывает круг или эллипс в этой плоскости, свет является кругово или эллиптически поляризованным.

У электромагнитных волн (или электромагнитной радиации) длины волн могут находиться в очень широком диапазоне от 10"13 м (или даже короче) до значений в сотни или тысячи метров и даже еще больше. Видимая радиация (или свет) представляет собой только узкий интервал длин волн Л є (380 nm; 760 nm), в котором каждая длина волны соответствует определен­ному цвету.

С увеличением длины волны в пределах этого интервала цвет меняется от фиолетового через синий, зеленый и желтый к красному. Солнечный свет вос­принимается как белый, потому что он содержит непрерывный спектр всех цве­тов. Все, вероятно, могли видеть этот спектр, разбиваемый на отдельные цвета оптической призмой или дифракционной решеткой, и уж, несомненно, видели радугу в небе.

У ультрафиолетовой радиации длина волны короче Лє(іО'8и<;3.8х1(Г7.м), чем у видимого света, еще короче длины волн рентгеновской радиации Л є (КГ1 1 м; 10~8 juj. Самые короткие длины волны — у гамма-излучения (у) Я < КГ11 м.

У инфракрасной радиации длина волны выше, чем у видимого света Я є (7.6х10“7л<; 10"* м). Еще выше длины волн микроволновых печей Я є ((О"1 м; КГ1 m'j, и самые длинные волны относятся к радиоволнам Я > КГ’м.

Границы между этими областями длин волны строго не определены и в литературе слегка варьируются. Представляют интерес результаты работы, в которой приводится оценка параметров нанометрических полос видимой части солнечного спектра [97].

Обзор спектральных областей электромагнитных волн представлен на рис. 3.2. Все типы радиации имеют одну природу, но все они существенно от­личаются. Вот почему различные типы электромагнитной радиации применя­ются в различных областях физики и техники. Примеры их возможных приме­нений также даны на рис. 3.2.

Двойственная природа упомянутых выше электромагнитных волн являет­ся одной из самых интересных их особенностей. Электромагнитные волны ве­дут себя и как волны, и как частицы в то же самое время. Волновой характер больше проявляется в случае радиации с большей длиной волны, а корпуску­лярный характер, или характер микрочастиц, больше соответствует коротко­волновой части спектра. Энергия в электромагнитной волне не распределена непрерывно. Она сконцентрирована в кластерах, названных квантами, которые могут рассматриваться как квазичастицы, то есть частицы с нулевой массой по­коя. С этой точки зрения характер света является также и корпускулярным, и мы можем вновь говорить о двойственной природе света.

----------------- ► длина волны (м)

Вследствие двойственного характера электромагнитных волн все законы, применимые к волнам, такие как законы отражения и преломления на границе между двумя оптическими средами или эффекты интерференции в тонких сло­ях (например, на нефтяных пятнах) и дифракции на оптической решетке, отно­сятся также к электромагнитным волнам. Смещение частоты волны к красному краю видимого света из-за Доплер-эффекта известно как красное смещение в наблюдениях за отдаленными звездами и галактиками в расширяющейся все­ленной. Периодические Доплер-индуцированные изменения частоты, вызван­ные орбитальным движением звезды и массивной планеты вокруг общего цен­тра гравитации, служат косвенным доказательством существования массивных планет, движущихся вокруг некоторых звезд.

Корпускулярный характер электромагнитных волн замечен по квантовым эффектам. Радиация ведет себя как поток частиц (или точнее - квазичастиц), названных фотонами. Фотон с частотой v обладает энергией Е = hv, где И — постоянная Планка, названная в честь Макса Планка (1858 -1947), одного из основателей квантовой механики. Поскольку длина волны обратно пропорцио­нальна частоте и прямо пропорциональна периоду колебаний, согласно соот­ношению Я = — = с Т? фотоны с более короткой длиной волны обладают более высокой энергией.

Диаграмма на рис. 3.3 показывает зависимость энергии фотона от длины волны. Можно заметить, что в то время как фотоны видимой части спектра об­ладают энергией в интервале Е є <1.63а6; 3.27эВ), энергия у фотонов имеет 38

порядок МэВ. С другой стороны, энергия микроволновых фотонов имеет поря­док тысячных или сотых долей эВ. Видимая радиация, т. е. то, что мы называем светом (отмечена кругом на рис. 3.3), является всего лишь небольшой частью широкого спектра электромагнитного излучения.

ю'13 ю'10 ю-7 10'4 10''

-------------- длина волны (м)

Примеры корпускулярных эффектов электромагнитной радиации - фото­электрический эффект (фотоэлектрический эффект - это взаимодействие по­ступающих фотонов с электронами в материале), Комптон-эффект, или образо­вание и аннигиляция пар «частица - античастица».

Альберт Эйнштейн (1879 - 1955), как уже упоминалось ранее, был удо­стоен Нобелевской премии за предложенную им теорию внешнего фотоэлек­трического эффекта в 1921 г. Аннигиляция частиц и античастиц, приводя к эмиссии по крайней мере двух у фотонов, использовалась для того, чтобы дока­зать взаимосвязь массы и энергии согласно известному уравнению Е = тс2. Эффект относительности - гравитационная линза, а именно, гравитационное влияние на фотоны и последующий изгиб лучей света вблизи объектов с очень большой массой.

Существование гравитационной линзы и границы эффекта были впервые подтверждены экспериментально экспедицией Артура Эддингтона во время полного солнечного затмения 1919 г.

Итак, теперь мы имеем представление о том, что такое свет. Но способ, которым мы чувствуем цвет, это область глазной физиологии и неврологии.

Глаз функционирует таким образом, что мы чувствуем фотоны опреде­ленной длины волны как определенный цвет и смесь фотонов различных длин волны как цветовые оттенки. Радужная оболочка и линза (хрусталик) создают изображение объекта на сетчатке, которая покрыта двумя типами ячеек - па­лочками сетчатки (палочковидная зрительная клетка) и колбочками (колбочко­видная зрительная клетка). Самое чувствительное пятно на сетчатке - макула (желтое пятно) — покрыто только колбочковидными клетками. С увеличением расстояния от этого пятна плотность палочковидных клеток увеличивается, а плотность колбочек уменьшается. По краям поля зрения присутствуют только палочковидные клетки. Зрение в сумерки, когда интенсивность света низка, обеспечивается посредством палочковидных клеток.

Зрение при хороших условиях освещения обеспечивается колбочками. Цвета идентифицируются только колбочковидными клетками. Следовательно, наше восприятие цвета зависит от интенсивности света, и мы едва в состоянии различать цвета в сумерки. Свет, поступающий от отдаленных звезд, планет и галактик, имеет низкую интенсивность, поэтому мы можем видеть их глазом или посредством телескопа только как черно-белое изображение. Только современ­ные телескопы на основе высоких технологий (как, например, космический теле­скоп Хабл) в состоянии при помощи специальных датчиков и электронных инст­рументов создать цветные изображения этих объектов в истинном цвете.

Клетки типа палочек и колбочек имеют различную чувствительность к фотонам различных длин волны, как это видно из рис. 3.4. Поэтому кривые для видения в дневное и ночное время несколько смещены друг относительно дру­га. Диаграммы показывают, что при хороших условиях освещения видны луч­ше желтые объекты, тогда как в сумерках зеленые объекты видны лучше всего, а красные объекты почти невидимы.

40

Это утверждение подтверждается ежедневным опытом. Из-за изменения в чувствительности зрения при хороших условиях освещения мы можем воспри­нимать один объект как более яркий, чем другой, тогда как в сумерках тот же самый объект будет восприниматься как менее яркий.

Поверхность Земли главным образом освещена излучением видимой части спектра, значит, это вовсе не совпадение, что человек видящий чувствителен именно к этому диапазону длин волны, с максимальной чувствительностью, соот­ветствующей максимальной интенсивности солнечного излучения, которое дости­гает поверхности Земли. Животные, живущие в других условиях, оптимизировали свое зрение в соответствии с условиями существования, т. е. несколько смещен­ным к инфракрасной или ультрафиолетовой границам видимого диапазона.

Как уже упоминалось выше, фотоны воспринимаются человеческим гла­зом как определенный цвет, но и смесь фотонов различных длин волн может интерпретироваться как тот же самый цвет. Такой эффект может иметь место для различных комбинаций цветов. Без сложных инструментов мы не можем определить линии спектра и относительную интенсивность, вкладываемую в формирование получающегося цвета. У объектов есть определенный цвет, по­тому что они имеют заданную отражательную способность для фотонов опре­деленных длин волны. Спектр отраженного света приходит к нам как опреде­ленный оттенок цвета. Если бы объект был освещен светом различного спек­трального состава, то у отраженного света также был бы различный спектраль­ный состав, и мы бы субъективно видели тот же самый объект как сочетание различных цветов. То же самое верно для света, проходящего через окружаю­щую среду, прозрачность которой зависит от длины волны. Мы можем создать большинство возможных цветовых оттенков линейной комбинацией трех эле­ментарных цветов (обычно красный R, зеленый G и синий В). Цвет А образует­ся вследствие смешивания А= r]R + g, G + b, В, где гь gb b| - интенсивности индивидуальных компонентов.

Некоторые оттенки невозможно получить при положительных значениях Г), gi, b|. Например, трудно создать некоторые оттенки коричневого цвета. Но если мы не в состоянии создать оттенок X = r2R + g2G + Ь2В, мы можем решить проблему, добавляя компонент, например r3R, к обеим сторонам уравнения, и мы получаем несколько отличный оттенок X + r, R = (r2 + r3) R + g2G + Ь2В. До­пуская возможность того, что все, что бы мы ни добавили, может быть вычте­но, мы можем расширить набор коэффициентов g, г, Ь, чтобы включать отрица­тельные значения. Теперь любой оттенок цвета, видимого человеческим гла­зом, может быть создан. Невозможно найти три элементарных цвета, комбина­ция которых создает все возможные оттенки цветов, при использовании только положительных значений коэффициентов g, г, Ь.

Мы можем видеть математически, что цвет может интерпретироваться как вектор с координатными направлениями R, G, В.

Умножение коэффициентов rl, gl, Ы, соответственно, представляет только изменение в интенсивности для каждого цвета, смешивание цветов представляет сумму векторов. Если бы мы ограничивали себя заданной интен­сивностью света, точки конца векторов всех возможных цветов лежали бы

на поверхности сферы, радиус которой должен соответствовать данной интен­сивности света. В сферических полярных координатах двух переменных доста­точно, чтобы описать эту систему, а именно углы j и и. Третья координата, ра­диальная длина, является постоянной. Это означает, что все цвета могут быть представлены как точки в двухмерной плоскости. Эти преобразования, пред­ставленные на рис. 3.5, известны как цветовая (хроматическая) диаграмма, или как колориметрический треугольник [5].

Хроматическая диаграмма использует х - у координаты и представляет собой нерегулярную плоскость, ограниченную сверху кривой, точки на которой соответствуют цветам монохроматического света, то есть соответствуют фото­нам определенных длин волны. Снизу плоскость ограничена линией, соеди­няющей две экстремальные точки (красный и фиолетовый), соответствующей фиолетовому цвету. Точки внутри области соответствуют оттенкам цвета, яв­ляющегося результатом смешения фотонов различных длин волны. К центру все оттенки постепенно переходят в белый цвет, соответствующий непрерыв­ному спектру излучения «черного тела» при температуре Т = 5800 К (темпера­тура поверхности Солнца), то есть к дневному свету. X - у координаты - без­размерные величины, обычно называемые цветовыми координатами. Кривая, представляющая температурную зависимость сплошного спектра «черного те­ла», видна также на рис. 3.5 и 18.4.

В солнечных элементах происходит преобразование солнечного излуче­ния в электрический ток. Солнечная радиация, достигающая поверхности Зем­ли, характеризуется рядом параметров и проявляется весьма многообразно.

Для лучшего понимания процессов взаимодействия солнечного излуче­ния с объектами на Земле необходимо иметь четкое понимание всех аспектов, характеризующих солнечную радиацию. Для этого ниже приводится описание ряда основных терминов и понятий, используемых для характеристики солнеч­ного излучения во всем его многообразии.

Альбедо - отношение количества радиации, отраженной от поверхности к количеству радиации, падающей на эту поверхность. Различают альбедо по­верхности Земли, альбедо атмосферы, выражается в процентах или долях.

Альбедо Земли - отражательная способность Земли в целом.

Видимая радиация - видимый солнечный свет с длиной воли от 0,40 до 0.75 мкм - составляет примерно 46 % от солнечной радиации, поступающей на Землю.

Длинноволновая радиация - радиация с длиной волн от 4 до 100 120 мк,

менее 1 % всей солнечной радиации.

Земное излучение - тепловое длинноволновое (инфракрасное) излучение земной поверхности. Зависит от температуры поверхности. Интенсивность из­лучения можно рассчитать по формуле Стефана-Больцмана: Es = оТ. 104, где а - постоянная, равная 8,2 11 кал/см2.

Инфракрасная радиация (излучение) - невидимая радиация с длиной волн более 0.75 мк, 47% от всей радиации.

Оранжерейный (парниковый) эффект - способность атмосферы пропус­кать коротковолновое излучение Солнца (прямую и рассеянную радиацию) и задерживать длинноволновое тепловое излучение Земли. Географическое зна­чение: благодаря парниковому эффекту средняя температура земной поверхно­сти +15°С, при отсутствии атмосферы она была бы на 20 - 35°С ниже.

Отраженная радиация - часть радиации, отраженная от поверхности. За­висит от отражательной способности поверхности (альбедо).

Поглощенная радиация - часть радиации, поглощенная поверхностью. Зависит от отражательной способности поверхности (альбедо).

Прямая радиация - радиация, приходящая к земной поверхности непо­средственно от солнечного диска в виде пучка параллельных лучей. В связи со значительной удаленностью источника принимается как поток параллельных лучей. Зависит от угла падения на земную поверхность.

Радиационный баланс - остаточная радиация (разность между приходом и расходом солнечной радиации).

Рассеянная радиация - часть солнечной радиации, рассеиваемая атмо­сферой.

Суммарная радиация - сумма прямой и рассеянной солнечной радиации, поступающей на земную поверхность.

Тепловой баланс атмосферы — соотношение всех приходов и расходов те­пла в атмосфере - выражается формулой:

Ru LE + Р “ 0,

где Ra - радиационный баланс атмосферы (расходная часть); приходная часть: LE - тепло, выделяемое при конденсации; Р - тепло, поступающее от поверх­ности за счет турбулентности. В среднем в течение многолетнего периода равен нулю.

Тепловой баланс земной поверхности - соотношение прихода и расхода тепла на земной поверхности - выражается уравнением:

Rn+ LE + Р + В — 0,

где R,, - радиационный баланс (приходная часть баланса); расходная часть: LE - затраты тепла на испарение (L - скрытая теплота парообразования. Е - ис­парение); Р - потери тепла через турбулентный обмен между поверхностью и атмосферой; В — потери тепла через теплообмен между поверхностью и поч­вогрунтами. Среднее многолетнее значение равно 0.

Эффективное излучение земной поверхности - потеря тепла земной по­верхностью, равная разности между излучением земной поверхности и встреч­ным излучением атмосферы: Ес = Es - Еа. Измеряется ночью специальным при­бором - пиргеометром.