Сонячна інженерія є одним з напрямків, над яким працюють вчені. Складається вона в створенні структур і процесів, що дозволяють вловлювати сонячну енергію, а потім використовувати її для потреб людської цивілізації. Сонячна енергія - це енергія, яку випромінює світилом, навколо якого обертається наша Земля. Сьогодні ми дізнаємося про властивості видимою і невидимою сонячної радіації і навіть навчимося «заварювати» чай з її допомогою.
Випромінюється енергію називають також радіацією. Це енергія, яка переміщається в формі електромагнітних хвиль через космічний простір. Енергія всіх інших видів здатна переміщатися тільки через матеріали. Радіацією також називають і сам спосіб переміщення енергії випромінювання.
Зримий і незримий світло
Енергія випромінювання постає в різних формах, що залежать від енергії її електромагнітних хвиль. Всі типи енергії випромінювання в залежності від порядку, який визначається своїм енергетичним рівнем, формують електромагнітний спектр. Сонячна енергія містить всі типи енергії випромінювання. Але коли різні типи енергії випромінювання проходять через атмосферу Землі, деякі з них відображаються - тобто «відскакують» від поверхні повітряного покриву нашої планети. Деякі абсорбуються (всмоктуються) різними газами, що входять до складу повітря.
Поверхні Землі досягає переважно інфрачервона та ультрафіолетова радіація, а також видиме світло. Інфрачервона радіація є невидимою для людини енергією випромінювання, яку шкіра людини відчуває як тепло. Її часто називають тепловими хвилями. Ультрафіолетова радіація теж невидима людині. Шкіра загоряє під впливом цієї енергії, але її надлишок може бути шкідливий.
Видиме світло - це єдиний тип енергії випромінювання, який здатний розрізнити людське око. Різні типи видимого світла розташовуються в порядку, визначеному своїм енергетичним рівнем, формують видимий спектр. Кольори видимого спектру розташовуються в порядку від самого слабкого до найсильнішого: червоний, оранжевий, жовтий, зелений, синій, індиго і фіолетовий.
Енергія випромінювання може вбиратися матеріалами, відбиватися від них або проходити через них в залежності від того, чи є матеріал прозорим, напівпрозорим або непрозорим.
Крізь прозорий матеріал, наприклад, крізь скельця окулярів, видиме світло проходить легко. Матеріал, що дозволяє енергії випромінювання проходити через нього, але розсіює його в різних напрямках, називають напівпрозорим. Прикладом такого матеріалу може служити покрите памороззю скло. Якщо дивитися крізь нього, то всі предмети будуть розмитими.
Через непрозорі матеріали енергія випромінювання проходити не може. Втім, той чи інший матеріал є «непрозорим» лише для певного типу енергії випромінювання, тому дане визначення досить відносно. Наприклад, ви не можете бачити крізь книгу. Це означає, що книга непрозора для видимого світла.
Предмети можуть бути прозорими для одного типу енергії випромінювання і непрозорими для іншого. Наприклад, скло прозоро для видимого і ультрафіолетового світла, але не прозоро для інфрачервоної радіації.
Через чисте віконне скло надходить більше світла. Всотали в матеріал видиме світло змушує частинки рухатися швидше і тим самим підвищує температуру матеріалу. Працюючі над сонячними технологіями інженери вивчають особливості реакції тих чи інших матеріалів на сонячну радіацію, щоб потім використовувати відповідні завданням матеріали в структурах, які вловлюють сонячну енергію і дозволяють її в подальшому використовувати для обігріву та вироблення електрики.
А тепер пора перейти від сухої теорії до цікавої практиці і провести невеликий експеримент. Відома письменниця і популяризатор науки Дженіс Вінкля в своїй книзі «Engineering for Every Kid» для юних інженерів пропонує цікавий спосіб перевірити обігрівальні властивості сонячної енергії на практиці.
Устаткування і матеріали
1 мірний 250-мілілітрові стакан; холодна вода з-під крана; 2 однакові скляні літрові банки з кришками; 2 чайних пакетика; алюмінієва фольга.
хід експерименту
Влийте по 250 мілілітрів холодної води в кожну з банок. Помістіть в кожну з них по чайному пакетику. Закрийте обидві банки кришками. Оберніть одну з банок алюмінієвою фольгою, залишивши необернутой тільки кришку. Обидві банки поставте під пряме сонячне світло. Через 15 хвилин обережно струсіть кожну банку для того, щоб зробити їх вміст однорідним. Зніміть з банок кришки. Звільніть обгорнуту банку від алюмінієвої фольги. А тепер порівняйте колір «заварки».
«Чай» в оберненої фольгою банку буде лише злегка коричневим. У банку, яка залишалася прозорою і відкритою сонячним променям, колір «заварки» буде значно темніше.
Чому так сталося?
У пакетиках містяться невеликі шматочки чайних листів, що містять коричневі частки, які швидше розчиняються в теплій воді, ніж у холодній. Чим більше цих частинок розчинилося, тим темніше «заварка».
Скло непрозоро для інфрачервоної радіації (теплових хвиль), але прозоро для видимого світла. Вода нагрівається, вбираючи проходить через неї видиме світло. Чим тепліше вода, тим швидше коричневі частки розчиняться в ній. Алюмінієва фольга непрозора для видимого світла і, отже, він не проникає в обгорнуту нею банку. Вода в цій банці холодніше і частки розчиняються в ній повільно. В результаті колір «заварки» світліше.
Чай особливо актуальний в світлі того, що кава, улюблений напій мільйонів, може стати рідкістю.
Зрозуміло, експеримент можна доповнити вимірами температури води в обох банках спеціальним кулінарним термометром або градусником для води і підтвердити цифрами спостережуваний ефект.
# Фізика | Видима і невидима енергія Сонця Олег Довбня