الطاقة الضوئية: الخصائص ، الأنواع ، الحصول ، الأمثلة - علم - 2025

و الطاقة الضوئية أو الضوء هي الضوء الذي يحمل الموجات الكهرومغناطيسية. إنها الطاقة التي تجعل العالم من حولنا مرئيًا ومصدرها الرئيسي هو الشمس ، وتشكل جزءًا من الطيف الكهرومغناطيسي ، إلى جانب أشكال أخرى من الإشعاع غير المرئي.

تنشئ الموجات الكهرومغناطيسية تفاعلًا مع المادة وهي قادرة على إنتاج تأثيرات مختلفة وفقًا للطاقة التي تحملها. وبالتالي ، فإن الضوء لا يسمح فقط برؤية الأشياء ، ولكنه أيضًا يولد تغييرات في المادة.

الشكل 1. الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة الضوئية على الأرض. المصدر: Pixabay.

خصائص الطاقة الضوئية

من بين الخصائص الرئيسية للطاقة الضوئية:

- له طبيعة مزدوجة: على المستوى المجهري ، يتصرف الضوء مثل الموجة ، ولكن على المستوى المجهري تظهر خصائص الجسيمات.

-يتم نقله بواسطة حزم أو "كوانتا" من الضوء تسمى الفوتونات. تفتقر الفوتونات إلى الكتلة والشحنة الكهربائية ، لكن يمكنها التفاعل مع الجسيمات الأخرى مثل الذرات أو الجزيئات أو الإلكترونات وتنقل الزخم إليها.

- لا يتطلب وسيط مادي للانتشار. يمكنك فعل ذلك في الفراغ بسرعة الضوء: ج = 3 × 10 ⁸ م / ث.

- تعتمد الطاقة الضوئية على تردد الموجة. إذا أشرنا إلى الطاقة و f كتردد مثل E ، فإن الطاقة الضوئية تعطى بواسطة E = hf حيث h هو ثابت بلانك ، وقيمته 6.625 10 ^–34 J • s. كلما زاد التردد ، زادت الطاقة.

- مثل أنواع الطاقة الأخرى ، يتم قياسها بالجول (J) في النظام الدولي للوحدات SI.

- تتراوح الأطوال الموجية للضوء المرئي بين 400 و 700 نانومتر. 1 نانومتر ، المختصر نانومتر ، يساوي 1 × ^10-9 م.

- التردد والطول الموجي λ يرتبطان بـ c = λ.f ، وبالتالي E = hc /.

أنواع الطاقة الضوئية

يمكن تصنيف الطاقة الضوئية حسب مصدرها في:

-طبيعي >> صفة

-مصطنع

الشكل 2. طيف الضوء المرئي للموجات الكهرومغناطيسية هو النطاق الملون الضيق. المصدر: F. Zapata.

طاقة الضوء الطبيعي

المصدر الطبيعي للطاقة الضوئية بامتياز هو الشمس. كونها نجمة ، يوجد في مركزها مفاعل نووي يحول الهيدروجين إلى هيليوم من خلال تفاعلات تنتج كميات هائلة من الطاقة.

هذه الطاقة تترك الشمس على شكل ضوء وحرارة وأنواع أخرى من الإشعاع ، تنبعث منها بشكل مستمر حوالي 62600 كيلوواط لكل متر مربع من السطح -1 كيلو واط ما يعادل 1000 واط ، والتي بدورها تساوي 1000 جول / ثانية.

تستخدم النباتات بعضًا من هذه الكمية الكبيرة من الطاقة لإجراء عملية التمثيل الضوئي ، وهي العملية المهمة التي تشكل أساس الحياة على الأرض. مصدر آخر للضوء الطبيعي ، ولكن مع طاقة أقل بكثير ، هو التلألؤ البيولوجي ، وهي ظاهرة تنتج فيها الكائنات الحية الضوء.

البرق والنار مصادر أخرى للطاقة الضوئية في الطبيعة ، الأولى لا يمكن السيطرة عليها والأخيرة رافقت البشرية منذ عصور ما قبل التاريخ.

طاقة ضوئية اصطناعية

أما بالنسبة للمصادر الاصطناعية للطاقة الضوئية ، فهي تتطلب تحويل أنواع أخرى من الطاقة ، مثل الكهرباء أو الكيميائية أو السعرات الحرارية ، إلى ضوء. تندرج المصابيح المتوهجة في هذه الفئة ، حيث ينبعث الضوء من خيوطها شديدة الحرارة. أو أيضًا الضوء الذي يتم الحصول عليه من خلال عمليات الاحتراق ، مثل لهب الشمعة.

مصدر مثير للاهتمام للغاية للطاقة الضوئية هو الليزر. لها العديد من التطبيقات في مختلف المجالات بما في ذلك الطب والاتصالات والأمن والحوسبة وتكنولوجيا الفضاء وغيرها.

الشكل 3. آلة القطع تستخدم الليزر لعمل قطع صناعي عالي الدقة. المصدر: Pixabay.

استخدامات الطاقة الضوئية

تساعدنا الطاقة الضوئية على التواصل مع العالم من حولنا ، حيث تعمل كناقل ومرسل للبيانات وإبلاغنا بالظروف البيئية. استخدم الإغريق القدماء بالفعل المرايا لإرسال إشارات بطريقة بدائية عبر مسافات طويلة.

عندما نشاهد التلفاز ، على سبيل المثال ، تصل البيانات التي يبثها ، على شكل صور ، إلى دماغنا من خلال حاسة البصر ، الأمر الذي يتطلب طاقة ضوئية لترك بصمة على العصب البصري.

بالمناسبة ، بالنسبة للاتصالات الهاتفية ، تعد الطاقة الضوئية مهمة أيضًا ، من خلال ما يسمى بالألياف الضوئية التي توصل الطاقة الضوئية ، مما يقلل الخسائر.

كل ما نعرفه عن الأجسام البعيدة هو المعلومات التي يتم تلقيها من خلال الضوء المنبعث منها ، ويتم تحليلها باستخدام أدوات مختلفة: التلسكوبات وأجهزة قياس الطيف ومقاييس التداخل.

تساعد الأولى في جمع شكل الأشياء ، وسطوعها - إذا وصلت العديد من الفوتونات إلى أعيننا فهي عبارة عن جسم لامع - ولونها الذي يعتمد على الطول الموجي.

كما أنه يعطي فكرة عن حركته ، لأن طاقة الفوتونات التي يكتشفها المراقب تختلف عندما يكون المصدر الذي ينبعث منها في حالة حركة. وهذا ما يسمى بتأثير دوبلر.

تجمع مخططات الطيف الطريقة التي يتم بها توزيع هذا الضوء - الطيف - وتحللها للحصول على فكرة عن تكوين الكائن. وباستخدام مقياس التداخل ، يمكنك تمييز الضوء من مصدرين ، حتى لو لم يكن التلسكوب لديه دقة كافية للتمييز بين الاثنين.

التأثير الكهروضوئي

يمكن تحويل الطاقة الضوئية المنبعثة من الشمس إلى كهرباء بفضل التأثير الكهروضوئي ، الذي اكتشفه عام 1839 العالم الفرنسي ألكسندر بيكريل (1820-1891) ، والد هنري بيكريل ، الذي اكتشف النشاط الإشعاعي.

يعتمد هذا على حقيقة أن الضوء قادر على إنتاج تيار كهربائي ، عن طريق إضاءة مركبات السيليكون شبه الموصلة التي تحتوي على شوائب من عناصر أخرى. يحدث أنه عندما يضيء الضوء المادة ، فإنه ينقل الطاقة التي تزيد من حركة إلكترونات التكافؤ ، وبالتالي تزيد من توصيلها الكهربائي.

الحصول

منذ نشأتها ، سعت البشرية إلى التحكم في جميع أشكال الطاقة ، بما في ذلك الطاقة الضوئية. على الرغم من حقيقة أن الشمس توفر مصدرًا لا ينضب تقريبًا في ساعات النهار ، كان من الضروري دائمًا إنتاج الضوء بطريقة ما لحماية نفسها من الحيوانات المفترسة والاستمرار في تنفيذ المهام التي بدأت خلال النهار.

من الممكن الحصول على الطاقة الضوئية من خلال بعض العمليات التي يمكن التحكم فيها بطريقة ما:

- الاحتراق ، عند حرق مادة ما ، فإنه يتأكسد وينبعث منه حرارة وغالباً ما يكون خفيفاً أثناء العملية.

- الإبهار عند تسخين خيوط التنجستن على سبيل المثال مثل المصابيح الكهربائية.

الشكل 4. تعمل المصابيح المتوهجة عن طريق تمرير تيار كهربائي عبر خيوط التنغستن. عند تسخينها ، تنبعث منها الحرارة والضوء. المصدر: Pixabay.

- اللمعان ، في هذا التأثير ينتج الضوء عن طريق إثارة بعض المواد بطريقة ما. تنتج بعض الحشرات والطحالب الضوء ، وهو ما يسمى بالإضاءة الحيوية.

- اللمعان الكهربي ، هناك مواد تنبعث منها الضوء عندما يتم تحفيزها بواسطة تيار كهربائي.

باستخدام أي من هذه الطرق ، يتم الحصول على الضوء مباشرةً ، والذي دائمًا ما يحتوي على طاقة ضوئية. الآن ، إنتاج الطاقة الضوئية بكميات كبيرة شيء آخر.

مميزات

- للطاقة الخفيفة دور مهم بشكل خاص في نقل المعلومات.

- إن استخدام الطاقة الضوئية من الشمس مجاني ، كما أنه مصدر لا ينضب تقريبًا ، كما قلنا.

- الطاقة الخفيفة في حد ذاتها ليست ملوثة (ولكن يمكن أن تكون بعض العمليات للحصول عليها).

- في الأماكن التي يكثر فيها ضوء الشمس على مدار العام ، من الممكن توليد الكهرباء بتأثير الخلايا الكهروضوئية وبالتالي تقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري.

- من السهل صيانة المرافق التي تستخدم الطاقة الضوئية للشمس.

- التعرض القصير لأشعة الشمس ضروري لجسم الإنسان لتكوين فيتامين د الضروري لصحة العظام.

- بدون الطاقة الضوئية ، لا تستطيع النباتات القيام بعملية التمثيل الضوئي ، التي هي أساس الحياة على الأرض.

سلبيات

- غير قابل للتخزين بخلاف أنواع الطاقة الأخرى. لكن يمكن دعم الخلايا الكهروضوئية بواسطة البطاريات لتوسيع نطاق استخدامها.

- من حيث المبدأ ، تعتبر المرافق التي تستخدم الطاقة الضوئية باهظة الثمن وتتطلب أيضًا مساحة ، على الرغم من انخفاض التكاليف مع مرور الوقت والتحسينات. يتم حاليًا اختبار المواد الجديدة والخلايا الكهروضوئية المرنة لتحسين استخدام الفضاء.

- يؤدي التعرض الطويل أو المباشر لأشعة الشمس إلى تلف الجلد والبصر ، ولكن بشكل أساسي بسبب الأشعة فوق البنفسجية التي لا يمكننا رؤيتها.

أمثلة على الطاقة الضوئية

ذكرنا في الأقسام السابقة العديد من الأمثلة على الطاقة الضوئية: ضوء الشمس والشموع والليزر. على وجه الخصوص ، هناك بعض الأمثلة الشيقة جدًا للطاقة الضوئية ، نظرًا لبعض التأثيرات المذكورة أعلاه:

ضوء LED

الشكل 5. أضواء LED أكثر كفاءة من المصابيح المتوهجة ، لأنها تنبعث منها حرارة أقل وتنبعث منها طاقة ضوئية لفترة أطول. المصدر: Pixabay.

يُشتق اسم مصباح LED من الصمام الثنائي الباعث للضوء الإنجليزي ويتم إنتاجه عن طريق تمرير تيار كهربائي منخفض الكثافة عبر مادة شبه موصلة ، والتي تنبعث منها ضوءًا مكثفًا وعالي الأداء.

تدوم مصابيح LED لفترة أطول بكثير من المصابيح المتوهجة التقليدية وهي أكثر كفاءة من المصابيح المتوهجة التقليدية ، حيث تتحول كل الطاقة تقريبًا إلى حرارة بدلاً من ضوء. هذا هو السبب في أن مصابيح LED أقل تلويثًا ، على الرغم من أن تكلفتها أعلى من تكلفة المصابيح المتوهجة.

تلألؤ بيولوجي

العديد من الكائنات الحية قادرة على تحويل الطاقة الكيميائية إلى طاقة ضوئية ، من خلال تفاعل كيميائي حيوي بداخلها. الحشرات والأسماك والبكتيريا ، من بين أمور أخرى ، قادرة على إنتاج الضوء الخاص بها.

وهم يفعلون ذلك لأسباب مختلفة: الحماية ، وجذب رفيقة ، كمصدر للقبض على الفريسة ، للتواصل ، ومن الواضح ، لإضاءة الطريق.

المراجع

1. بلير ، ب. أساسيات الضوء. تم الاسترجاع من: blair.pha.jhu.edu
2. طاقة شمسية. التأثير الكهروضوئي. تم الاسترجاع من: solar-energia.net.
3. تيليري ، ب. 2013. دمج العلوم 6. الإصدار. ماكجرو هيل.
4. الكون اليوم. ما هي الطاقة الضوئية. تم الاسترجاع من: universetoday.com.
5. فيدانتو. الطاقة الضوئية. تم الاسترجاع من: vedantu.com.
6. ويكيبيديا. الطاقة الضوئية. تم الاسترجاع من: es.wikipedia.org.