انرژی نورانی: از خورشید تا لامپ
انرژی نورانی چیست و از کجا می آید؟
انرژی نورانی شکلی از انرژی است که به صورت امواج الکترومغناطیسی حرکت میکند و ما آن را به عنوان نور میبینیم. اما نور فقط چیزی که با چشم میبینیم نیست؛شامل انواع مختلفی از امواج است. برای درک بهتر، تصور کنید در یک روز آفتابی در حال شنا هستید. گرمایی که روی پوست خود احساس میکنید و نوری که همه چیز را روشن میکند، هر دو از انرژی نورانی خورشید ناشی میشوند.
منبع اصلی و غولپیکر انرژی نورانی برای زمین، خورشید است. در مرکز خورشید، واکنشهای هستهای1 عظیمی رخ میدهد که طی آن ماده به انرژی تبدیل میشود. این انرژی پس از سفر ۱۵۰ میلیون کیلومتری در فضا، تنها در مدت 8 دقیقه به زمین میرسد و سیاره ما را گرم و روشن میکند.
منابع تولید نور: از طبیعت تا دست بشر
انسانها علاوه بر استفاده از نور خورشید، یاد گرفتهاند که چگونه خودشان نور تولید کنند. این منابع را میتوان به دو دسته کلی تقسیم کرد:
منابع طبیعی: مانند خورشید، ستارگان، آتشافکنی بعضی کوهها (آتشفشان) و حتی بعضی از جانوران مانند کرمهای شبتاب و بعضی ماهیهای اعماق دریا که بدنشان از خود نور تولید میکند (بیولومینسنس2).
منابع مصنوعی: این منابع حاصل اختراع و خلاقیت انسان هستند. از اولین مشعلهای ما قبل تاریخ گرفته تا پیشرفتهترین LEDهای امروزی. جدول زیر برخی از این منابع و نحوه کارشان را نشان میدهد.
| منبع نوری | نحوه تولید نور | بازده انرژی |
|---|---|---|
| لامپ رشتهای (التهابی) | گرم کردن یک سیم تنگستن تا حد گداختن و نور دادن | ~5% (بازده بسیار پایین) هشدار |
| لامپ فلورسنت (مهتابی) | برانگیختن بخار جیوه توسط الکتریسیته برای تولید نور فرابنفش، سپس تبدیل آن به نور مرئی توسط پوشش فلورسنت | ~25% |
| دیود نورافشان (LED) | حرکت الکترونها در یک ماده نیمههادی و آزاد کردن انرژی به شکل نور | ~80% عالی |
سفر نور: بازتاب، شکست و جذب
نور همیشه در خط راست حرکت میکند تا زمانی که به چیزی برخورد کند. وقتی به یک جسم برخورد میکند، یکی از این سه اتفاق میافتد:
بازتاب (انعکاس): نور از سطح جسم برمیگردد. این دقیقاً همان چیزی است که وقتی در آینه به خودتان نگاه میکنید رخ میدهد. قانون بازتاب میگوید زاویه تابش با زاویه بازتاب برابر است. برای نشان دادن این رابطه از فرمول سادهای استفاده میشود: $ \theta_i = \theta_r $ که در آن $ \theta_i $ زاویه تابش و $ \theta_r $ زاویه بازتاب است.
شکست (انکسار): وقتی نور از یک ماده شفاف (مثلاً هوا) به ماده شفاف دیگری (مثلاً آب) وارد میشود، مسیر آن خمیده میشود. این پدیده دلیل این است که یک نی داخل لیوان آب، شکسته به نظر میرسد.
جذب: انرژی نورانی توسط جسم گرفته میشود و معمولاً به گرما تبدیل میشود. این همان دلیلی است که یک ماشین سیاه در یک روز آفتابی، بسیار داغ میشود.
تبدیل انرژی: نور چگونه به سایر شکل ها تبدیل می شود؟
انرژی نورانی میتواند به شکلهای دیگر انرژی تبدیل شود و برعکس. این تبدیلها پایه بسیاری از فناوریها هستند.
- نور به گرما: وقتی نور خورشید را با یک ذرهبین روی کاغذ متمرکز میکنید، انرژی نورانی در یک نقطه جمع شده و به انرژی گرمایی تبدیل میشود و میتواند کاغذ را آتش بزند.
- نور به الکتریسیته:سلولهای خورشیدی (پانلهای خورشیدی) این کار را انجام میدهند. آنها فوتونهای3 نور را جذب میکنند و باعث میشوند الکترونها به حرکت درآیند که این حرکت همان جریان الکتریکی است. فرمول سادهشدۀ بازده یک سلول خورشیدی: $ \eta = \dfrac{P_{\text{out}}}{P_{\text{in}}} \times 100\% $ که در آن $ P_{\text{in}} $ توان نور ورودی و $ P_{\text{out}} $ توان الکتریکی خروجی است.
- الکتریسیته به نور: این همان کاری است که یک لامپ ساده انجام میدهد. انرژی الکتریکی را میگیرد و آن را به انرژی نورانی و گرمایی تبدیل میکند.
- نور به انرژی شیمیایی: این مهمترین تبدیل انرژی برای زندگی روی زمین است! گیاهان در فرآیندی به نام فتوسنتز، انرژی نورانی خورشید را گرفته و آن را در قندها ذخیره میکنند (انرژی شیمیایی). معادله سادهشدۀ فتوسنتز: $ 6CO_2 + 6H_2O \xrightarrow{\text{نور}} C_6H_{12}O_6 + 6O_2 $
کاربردهای شگفت انگیز انرژی نورانی در دنیای واقعی
نور فقط برای دیدن اطرافمان نیست. کاربردهای آن بسیار گستردهتر است:
فیبر نوری: این تارهای نازک شیشهای، نور را از خود عبور میدهند و به دلیل پدیده «بازتاب داخلی کلی»، نور درون آنها به دام میافتد و میتواند مسافتهای بسیار طولانی را با سرعت بالا (سرعت نور!) طی کند. از فیبر نوری برای انتقال دادههای اینترنت، تلفن و سیگنالهای تلویزیونی استفاده میشود.
لیزر: لیزرها پرتوهای نور بسیار متمرکز و منظمی هستند. از آنها در زمینههای بسیار مختلفی استفاده میشود: از جراحیهای دقیق پزشکی و برش فلزات در صنعت، تا چاپگرها و دستگاههای خوانش بارکد در فروشگاهها.
پزشکی و سلامت: از نور برای تشخیص و درمان بیماریها استفاده میشود. برای مثال، نوردرمانی برای درمان افسردگی فصلی یا بیماری زردی در نوزادان به کار میرود.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. چشمان انسان فقط قادر به دیدن بخش کوچکی از طیف کامل امواج الکترومغناطیسی است که به آن «نور مرئی» میگوییم. امواج رادیویی، مایکروویو، مادون قرمز، فرابنفش، اشعه ایکس و اشعه گاما همگی اشکال انرژی الکترومغناطیسی هستند اما برای ما قابل دیدن نیستند.
پاسخ: فوتونها (ذرات تشکیلدهنده نور) جرم ساکن ندارند. اما چون انرژی دارند، تحت تأثیر گرانش قرار میگیرند. به همین دلیل است که نور ستارگان وقتی از کنار یک سیاره بسیار بزرگ میگذرد، مسیرش خمیده میشود.
پاسخ: نور خورشید هنگام ورود به جو زمین با مولکولهای گاز و ذرات ریز برخورد میکند. نور آبی (با طول موج کوتاهتر) بیشتر از نور قرمز (با طول موج بلندتر) پراکنده میشود. این پراکندگی باعث میشود که وقتی به آسمان نگاه میکنیم، آن را آبی ببینیم.
پاورقی
1واکنش هستهای (Nuclear Reaction): واکنشی که در هسته اتم ها رخ می دهد و طی آن مقادیر عظیمی انرژی آزاد می شود.
2بیولومینسنس (Bioluminescence): تولید و انتشار نور توسط یک موجود زنده که در نتیجه یک واکنش شیمیایی در بدنش رخ میدهد.
3فوتون (Photon): یک ذره بنیادی کوانتومی است که (بسته پایه) نور و همه سایر اشکال تابش الکترومغناطیسی محسوب میشود.
