Сер­гій Ма­ли­нич. Сві­тло у на­шій осе­лі. Ча­сти­на 4. Енер­го­о­ща­дність, еко­ло­гі­чність, ефе­ктив­ність

Ча­сти­на 4

Kolosok - - ЗМІСТ - СЕР­ГІЙ МА­ЛИ­НИЧ

НЕ ЗА­ОЩА­ДИ­МО – НЕ ВИЖИВЕМО

Змі­ню­ва­ли­ся ча­си й епо­хи, і во­дно­час змі­ню­ва­ли­ся й зро­ста­ли по­тре­би люд­ства в енер­гії та си­ро­ви­ні. Са­ме це зро­ста­н­ня й по­ста­ви­ло пе­ред на­ми на­галь­ні про­бле­ми: оща­дли­ве ви­ко­ри­ста­н­ня при­ро­дних ре­сур­сів та збе­ре­же­н­ня дов­кі­л­ля.

Але чи так ба­га­то енер­гії ви­тра­ча­є­ться на осві­тле­н­ня? Спро­буй­мо оці­ни­ти це на при­кла­ді на­шої сто­ли­ці – Ки­є­ва. За офі­цій­ни­ми да­ни­ми, у Ки­є­ві про­жи­ває по­над міль­йон сі­мей. Не­хай ко­жна сім’я що­ден­но вми­кає одну лам­пу роз­жа­ре­н­ня по­ту­жні­стю 100 Вт про­тя­гом 8 го­дин. Лам­па спо­жи­ва­ти­ме за один мі­сяць 0,1 кВт × 8 год. × 30 днів = 24 кВт•год еле­ктро­енер­гії. Мі­ся­чне спо­жи­ва­н­ня міль­йо­на та­ких ламп ста­но­ви­ти­ме 24 млн кВт•год. Во­дно­час мі­ся­чне виробництво еле­ктро­енер­гії усі­ма агре­га­та­ми Дні­про­ГЕС ста­но­вить при­бли­зно 330 млн. кВт•год. Тож ви­тра­ти на осві­тле­н­ня ли­ше у Ки­є­ві ся­га­ють де­ся­тої час­тки енер­гії Дні­про­ГЕС! На­справ­ді ко­жна сім’я ко­ри­сту­є­ться біль­ше, ніж одні­єю еле­ктро­лам­пою, а ще є лам­пи в офі­сах та шко­лах, на за­во­дах та фа­бри­ках. То­му по­шук но­вих ефе­ктив­них дже­рел сві­тла є не­об­хі­дною умо­вою подаль­шо­го існу­ва­н­ня люд­ської ци­ві­лі­за­ції. Так са­мо, як ро­зум­на еко­но­мія.

Са­ме за ви­на­хід так зва­них си­ніх сві­тло­діо­дів, що від­кри­ли шлях до ство­ре­н­ня оща­дних дже­рел сві­тла, у 2014 ро­ці бу­ло при­су­дже­но Но­бе­лів­ську пре­мію з фі­зи­ки. Пре­мію по­ді­ли­ли між со­бою три япон­ські вче­ні: Іса­мі Ака­са­кі, Хі­ро­ші Ама­но та Шу­джі На­ка­му­ра (пра­цює у США). Цьо­го ра­зу роз­мір пре­мії пе­ре­ви­щу­вав міль­йон до­ла­рів США. Да­лі ти ді­зна­є­шся, що у ці­єї істо­рії є й український слід.

ЩО ТА­КЕ НАПІВПРОВІДНИК?

За­ле­жно від зда­тно­сті про­во­ди­ти еле­ктри­чний струм усі ма­те­рі­а­ли ра­ні­ше по­ді­ля­ли на дві ве­ли­кі гру­пи: про­від­ни­ки та ді­еле­ктри­ки. Про­від­ни­ки до­бре про­во­дять еле­ктри­чний струм, а ось ді­еле­ктри­ки – ні, то­му їх ви­ко­ри­сто­ву­ють як еле­ктро­ізо­ля­цій­ні ма­те­рі­а­ли. Хо­ро­ши­ми про­від­ни­ка­ми є та­кі ме­та­ли, як зо­ло­то, срі­бло, мідь, алю­мі­ній, за­лі­зо; еле­ктро­лі­ти – роз­чи­ни со­лей, ки­слот та лу­гів, роз­пла­ви де­яких скла­дних ре­чо­вин. До ді­еле­ктри­ків на­ле­жать скло, гу­ма, де­ре­во, пла­стма­си та ба­га­то ін­ших ре­чо­вин.

У ХХ ст. ви­окре­ми­ли ще й тре­тій клас ре­чо­вин – на­пів­про­від­ни­ки, які про­во­дять еле­ктри­чний струм, про­те зна­чно гірше, ніж про­від­ни­ки. На­пів­про­від­ни­кам при­та­ман­ні де­я­кі ха­ра­ктер­ні осо­бли­во­сті. На­при­клад, за зро­ста­н­ня тем­пе­ра­ту­ри про­від­ність ме­та­лів змен­шу­є­ться (еле­ктри­чний опір стає біль­шим), а у на­пів­про­від­ни­ків нав­па­ки, про­від­ність зро­стає. Та­кож во­на зро­стає за осві­тле­н­ня на­пів­про­від­ни­ка. Се­кре­ти та­кої по­ве­дін­ки на­пів­про­від­ни­ків кри­ю­ться у їхній бу­до­ві.

У на­пів­про­від­ни­ках так са­мо, як у ме­та­лах, ато­ми утво­рю­ють ґра­тку. Але електрони у на­пів­про­від­ни­ках мі­цні­ше зв’яза­ні з атом­ним ядром. Щоб ві­ді­рва­ти еле­ктрон від ядра, по­трі­бно на­да­ти йо­му пев­ну енер­гію. Це мо­же бу­ти те­пло­ва енер­гія або енер­гія сві­тла, що па­дає на напівпровідник. Якщо до на­пів­про­від­ни­ка при­кла­сти на­пру­гу, то „ві­дір­ва­ні” електрони по­чнуть ру­ха­ти­ся у бік до­да­тно­го еле­ктро­да – те­че струм.

ЕЛЕКТРОНИ ТА „ДІР­КИ”

Еле­ктрон, ві­дір­ва­ний від сво­го ато­ма, мо­же пе­ре­мі­сти­ти­ся від ньо­го на зна­чну від­стань. Ра­зом з еле­ктро­ном від ато­ма „вті­кає” не­га­тив­ний еле­ктри­чний за­ряд. Згі­дно із за­ко­ном збе­ре­же­н­ня за­ря­ду це озна­чає, що на цьо­му ато­мі у кри­ста­лі­чній ґра­тці з’яв­ля­є­ться та­кий са­мий за ве­ли­чи­ною, але про­ти­ле­жний за зна­ком за­ряд. Не­зви­чай­ною є при­ро­да та­ко­го по­зи­тив­но­го за­ря­ду. Він не пов’яза­ний із кон­кре­тною ча­стин­кою, як, на­при­клад, за­ряд еле­ктро­на, а є рад­ше від­су­тні­стю не­га­тив­но­го за­ря­ду у пев­но­му мі­сці, де був еле­ктрон. До­те­пни­ки на­зва­ли цей по­зи­тив­ний за­ряд дір­кою.

У дір­ку мо­же „стри­бну­ти” еле­ктрон з ін­шо­го ато­ма, і то­ді дір­ка пе­ре­мі­сти­ться на мі­сце цьо­го еле­ктро­на. Якщо електрони ру­ха­ю­ться по кри­ста­лу до по­зи­тив­но­го по­лю­су дже­ре­ла на­пру­ги, дір­ки нав­па­ки, ру­ха­ти­му­ться до не­га­тив­но­го по­лю­су. Го­во­рять про два ти­пи стру­му: еле­ктрон­ний та дір­ко­вий.

Ви­яв­ля­є­ться, кіль­кість еле­ктро­нів та ді­рок у на­пів­про­від­ни­ку мо­жна змі­ню­ва­ти за до­по­мо­гою рі­зних до­мі­шок. Ро­з­гля­не­мо це на при­кла­ді най­по­ши­ре­ні­шо­го ма­те­рі­а­лу зем­ної ко­ри, на яко­му ба­зу­є­ться вся су­ча­сна еле­ктро­ні­ка, – крем­нію.

КРЕМНІЙ

Для утво­ре­н­ня зв’яз­ку з су­сі­дні­ми ато­ма­ми у кри­ста­лі ко­жен атом Си­лі­цію ви­тра­чає чо­ти­ри ва­лен­тні електрони (мал. 1а). Під впли­вом зов­ні­шніх чин­ни­ків де­я­кі електрони звіль­ня­ють зв’яз­ки, ли­ша­ю­чи за со­бою дір­ки. Уяві­мо те­пер, що мі­сце ато­ма Си­лі­цію зайня­те ато­мом Фо­сфо­ру. Ато­ми Фо­сфо­ру ма­ють п’ять еле­ктро­нів, зда­тних до утво­ре­н­ня хі­мі­чних зв’яз­ків. Про­те п’ятий еле­ктрон ви­яв­ля­є­ться зай­вим – для ньо­го не­має віль­но­го зв’яз­ку, і він блу­кає кри­ста­лом. Про­від­ність та­ко­го на­пів­про­від­ни­ка бу­де пе­ре­ва­жно еле­ктрон­ною, а ма­те­рі­ал на­зи­ва­ють на­пів­про­від­ни­ком n-ти­пу („negative” – від’єм­ний) (мал. 1б).

За­мі­ни­мо те­пер атом Си­лі­цію на атом Алю­мі­нію. Алю­мі­ній має три ва­лен­тні електрони, то­му один зі зв’яз­ків ви­яв­ля­є­ться не­за­пов­не­ним. Від­су­тність еле­ктро­на озна­чає, що у цьо­му мі­сці бу­де дір­ка. Кіль­кість ді­рок у крем­нії з до­да­ва­н­ням алю­мі­нію зна­чно пе­ре­ва­жа­ти­ме кіль­кість віль­них еле­ктро­нів. Це напівпровідник p-ти­пу („positive” – до­да­тний) (мал. 1в). Най­ці­ка­ві­ше від­бу­ва­є­ться, якщо на­пів­про­від­ни­ки n- та p-ти­пів з’єд­на­ти між со­бою. Кон­такт на­пів­про­від­ни­ків двох ти­пів на­зи­ва­ють p-n пе­ре­хо­дом.

ДІОДИ…

Одні­єю з не­зви­чай­них вла­сти­во­стей p-n пе­ре­хо­ду є йо­го зда­тність про­во­ди­ти еле­ктри­чний струм тіль­ки в одно­му на­прям­ку. Про­ти­ле­жні еле­ктри­чні за­ря­ди, як ві­до­мо, вза­єм­но при­тя­гу­ю­ться. То­му за ви­ни­кне­н­ня кон­та­кту по­зи­тив­ні дір­ки з на­пів­про­від­ни­ка p-ти­пу ру­ха­ти­му­ться у ча­сти­ну n-ти­пу і нав­па­ки, електрони з обла­сті n-ти­пу пе­ре­ті­ка­ти­муть до обла­сті p-ти­пу. В ре­зуль­та­ті з обох бо­ків по­бли­зу ме­жі роз­ді­лу двох ти­пів на­пів­про­від­ни­ків бу­дуть зби­ра­ти­ся на­дли­шко­ві за­ря­ди. У на­пів­про­від­ни­ку n-ти­пу кон­цен­тра­ція ді­рок бу­де біль­ше, а у на­пів­про­від­ни­ку p-ти­пу – нав­па­ки. Та­ким чи­ном, ме­та роз­ді­лу ви­яви­ться ото­че­ною дво­ма обла­стя­ми про­сто­ро­во­го еле­ктри­чно­го за­ря­ду про­ти­ле­жно­го зна­ку (мал. 2). За до­сить ко­ро­ткий час між за­ря­да­ми вста­нов­лю­є­ться рів­но­ва­га і струм біль­ше не про­ті­ка­ти­ме.

Якщо до p-n пе­ре­хо­ду ззов­ні при­кла­сти на­пру­гу так, щоб ство­ре­не нею еле­ктри­чне по­ле спів­па­да­ло за на­прям­ком з по­лем між за­ря­дже­ни­ми обла­стя­ми, то область про­сто­ро­во­го за­ря­ду роз­ши­ри­ться. Струм у цьо­му ви­пад­ку че­рез p-n пе­ре­хід не по­те­че. Якщо ж зов­ні­шнє еле­ктри­чне по­ле на­прям­ле­не у про­ти­ле­жно­му на­прям­ку, то рів­но­ва­га

по­ру­шу­є­ться і крізь кон­такт на­пів­про­від­ни­ків двох ти­пів про­ті­ка­ти­ме струм, ве­ли­чи­на яко­го зро­ста­ти­ме зі збіль­ше­н­ням на­пру­ги. При­стрій, що про­пу­скає струм ли­ше в одно­му на­прям­ку, на­зи­ва­ють діо­дом. Але до чо­го тут дже­ре­ла ви­про­мі­ню­ва­н­ня? За­раз са­ме час від­по­ві­сти на це пи­та­н­ня.

…сві­тло­діо­ди

Ми щой­но з’ясу­ва­ли, що струм крізь діод про­ті­ка­ти­ме, ко­ли від’єм­ний по­люс дже­ре­ла на­пру­ги при­єд­на­ти до на­пів­про­від­ни­ка n-ти­пу, а до­да­тний – до ча­сти­ни p-ти­пу. Це озна­чає, що електрони з обла­сті n-ти­пу ру­ха­ти­му­ться вглиб на­пів­про­від­ни­ка p-ти­пу, а дір­ки – у про­ти­ле­жно­му на­прям­ку. Від­бу­ва­є­ться зба­га­че­н­ня „дір­ко­во­го” на­пів­про­від­ни­ка еле­ктро­на­ми та „еле­ктрон­но­го” – дір­ка­ми. Від­по­від­но, зро­стає ймо­вір­ність зі­ткне­н­ня еле­ктро­нів із дір­ка­ми. А що ста­не­ться, ко­ли еле­ктрон та дір­ка об’єднаються? Зга­да­є­мо, що для утво­ре­н­ня па­ри еле­ктрон–дір­ка по­трі­бно за­тра­ти­ти пев­ну енер­гію. Ця енер­гія ні­ку­ди не зни­кає, во­на роз­по­ді­ля­є­ться між еле­ктро­ном та дір­кою. Під час зі­ткне­н­ня еле­ктро­на та дір­ки (ре­ком­бі­на­ції) за­па­се­на енер­гія ви­віль­ня­є­ться. Та най­ва­жли­ві­ше, що за пев­них умов енер­гія мо­же ви­віль­ни­ти­ся у ви­гля­ді еле­ктро­ма­гні­тно­го ви­про­мі­ню­ва­н­ня – сві­тла. На мал. 3 по­ка­за­но p-n пе­ре­хід, крізь який те­че струм. Де­я­кі електрони та дір­ки ре­ком­бі­ну­ють, ви­про­мі­ню­ю­чи сві­тло.

От­же, діоди, ви­го­тов­ле­ні з пев­них на­пів­про­від­ни­ків, зда­тні ви­про­мі­ню­ва­ти сві­тло за про­ті­ка­н­ня стру­му крізь них. Та­кі діоди й на­зи­ва­ють сві­тло­діо­да­ми. Най­ефе­ктив­ні­ші діо­дні ви­про­мі­ню­ва­чі ви­го­тов­ля­ють не з крем­нію, а зі спо­лу­ки ґа­лію з миш’яком.

ДЕ­ЩО З ІСТО­РІЇ

Ви­про­мі­ню­ва­н­ня сві­тла ре­чо­ви­ною за про­хо­дже­н­ня крізь неї еле­ктри­чно­го стру­му на­зи­ва­ють еле­ктро­лю­мі­не­сцен­ці­єю. Впер­ше це яви­ще

від­крив 1907 ро­ку бри­тан­ський вче­ний та ви­на­хі­дник Ген­рі Дж. Ра­унд, який пра­цю­вав на той час на ком­па­нію Мар­ко­ні. Зго­дом, у 1927 ро­ці, ро­сій­ський вче­ний О. В. Лосєв опи­сав еле­ктро­лю­мі­не­сцен­цію кремній кар­бі­ду. Ре­зуль­та­ти йо­го до­слі­джень бу­ли на­дру­ко­ва­ні у ро­сій­ських, ні­ме­цьких та бри­тан­ських на­у­ко­вих жур­на­лах, про­те ви­на­хід так і не отри­мав пра­кти­чно­го ви­ко­ри­ста­н­ня.

Пі­зні­ше, у 1955 ро­ці, аме­ри­ка­нець Р. Бра­ун­штайн отри­мав не­ви­ди­ме для люд­сько­го ока ін­фра­чер­во­не ви­про­мі­ню­ва­н­ня, що ви­хо­ди­ло з на­пів­про­від­ни­ка на осно­ві га­лій ар­се­ні­ду. У 1962 ро­ці аме­ри­кан­ці Дж. Ба­ярд та Г. Пі­тман отри­ма­ли па­тент на ви­на­хід ін­фра­чер­во­но­го ви­про­мі­ню­ва­ча, пі­сля чо­го ін­фра­чер­во­ні ви­про­мі­ню­валь­ні діоди по­ча­ли ви­ро­бля­ти у про­ми­сло­вих мас­шта­бах.

Пер­ший сві­тло­діод, що ви­про­мі­ню­вав ви­ди­ме для ока сві­тло (чер­во­не) ви­го­то­вив пра­ців­ник аме­ри­кан­ської фір­ми„General Electric” Нік (Ми­ко­ла) Го­ло­няк (мал. 5). Ста­т­тя з опи­сом йо­го ро­бо­ти бу­ла на­дру­ко­ва­на у жур­на­лі з при­кла­дної фі­зи­ки 1 гру­дня 1962 ро­ку. Від­то­ді Го­ло­ня­ка на­зи­ва­ють ба­тьком сві­тло­ви­про­мі­ню­валь­них діо­дів.

Ці­ка­ва до­ля ці­єї не­пе­ре­сі­чної лю­ди­ни. Ба­тьки йо­го – укра­їн­ці, що емі­гру­ва­ли до Аме­ри­ки із За­кар­па­т­тя. Ро­ди­на жи­ла бі­дно, ба­тько Миколи пра­цю­вав на ву­гіль­ній ша­хті. Ми­ко­ла пер­ший у ро­ди­ні отри­мав шкіль­ну осві­ту. Під час ка­ні­кул хло­пчик пра­цю­вав на за­лі­зни­ці, щоб під­три­ма­ти сім’ю. А нав­ча­ю­чись в Іл­лі­ной­сько­му уні­вер­си­те­ті він брав­ся за ре­монт да­хів та пра­цю­вав на ста­ле­ли­вар­них за­во­дах. Зго­дом Го­ло­няк став аспі­ран­том дві­чі Но­бе­лів­сько­го ла­у­ре­а­та Дж. Бар­ді­на.

За жи­т­тя Ми­ко­ла Го­ло­няк отри­мав 41 па­тент на ви­на­хо­ди. Йо­го ста­т­тя, при­свя­че­на сві­тло­діо­дам, бу­ла ви­зна­на Аме­ри­кан­ським ін­сти­ту­том фі­зи­ки одні­єю з п’яти най­ви­зна­чні­ших пу­блі­ка­цій за 75-рі­чну істо­рію всіх жур­на­лів цьо­го ін­сти­ту­ту. Ро­бо­ти Го­ло­ня­ка з крем­ні­є­ви­ми на­пів­про­від­ни­ка­ми фа­кти­чно да­ли по­штовх ство­рен­ню зна­ме­ни­тої Си­лі­ко­но­вої До­ли­ни – ба­тьків­щи­ни комп’юте­рів, еле­ктро­ні­ки та су­ча­сних ін­фор­ма­цій­них те­хно­ло­гій.

За свої ро­бо­ти Го­ло­няк отри­мав на­го­ро­ди від пре­зи­ден­тів США, ім­пе­ра­то­ра Японії, отри­мав На­ціо­наль­ну ме­даль з те­хно­ло­гії та ме­даль Опти­чно­го То­ва­ри­ства Аме­ри­ки. Су­ма гро­шо­вих пре­мій пе­ре­ви­щу­ва­ла міль­йон до­ла­рів США. Ко­ле­ги про­ро­ку­ва­ли йо­му Но­бе­лів­ську пре­мію, та з пев­них при­чин Ми­ко­ла Го­ло­няк не отри­мав її. На це він від­ре­а­гу­вав із вла­сти­вою йо­му му­дрі­стю та спо­ко­єм: „Це смі­шно ду­ма­ти, що хтось нам щось ви­нен. Ми ща­сли­ві від то­го, що жи­ве­мо”.

БУ­ДО­ВА СВІ­ТЛО­ДІО­ДНИХ ЛАМП

Осно­вою будь-яко­го сві­тло­діо­да є p-n пе­ре­хід. Най­біль­шо­го по­ши­ре­н­ня для ви­го­тов­ле­н­ня сві­тло­діо­дів на­бу­ли на­пів­про­від­ни­ки га­лій ар­се­ні­ду. Щоб отри­ма­ти весь спектр ко­льо­рів сві­че­н­ня, до основ­но­го на­пів­про­від­ни­ка вно­сять до­мі­шки ін­дію, алю­мі­нію та фо­сфо­ру. Си­нє сві­че­н­ня отри­му­ють від цинк се­ле­ні­ду, а не­ви­ди­ме уль­тра­фі­о­ле­то­ве ви­про­мі­ню­ва­н­ня – від діо­дів на осно­ві бор ні­три­ду та алю­мі­ній ні­три­ду. Бі­ле сві­тло від сві­тло­діо­дів отри­му­ють у та­кий са­мий спо­сіб, як і у ви­пад­ку га­зо­ро­зря­дних лю­мі­не­сцен­тних ламп, ви­ко­ри­сто­ву­ю­чи лю­мі­но­фор­не по­кри­т­тя. За осві­тле­н­ня уль­тра­фі­о­ле­том лю­мі­но­фор ви­про­мі­нює сві­тло, близь­ке за скла­дом до ден­но­го.

За­ле­жно від при­зна­че­н­ня сві­тло­діо­дів їхня кон­стру­кція мо­же де­що від­рі­зня­ти­ся. Ти­по­ва сві­тло­діо­дна лам­па, що ви­ко­ри­сто­ву­є­ться для осві­тле­н­ня (мал. 4), скла­да­є­ться з: 1) цо­ко­ля, як і у зви­чай­ної лам­пи роз­жа­ре­н­ня, при­зна­че­но­го для за­кру­чу­ва­н­ня лам­пи у па­трон; 2) еле­ктри­чно­го ізо­ля­то­ра; 3) спе­ці­аль­но­го еле­ктрон­но­го при­строю, що пе­ре­тво­рює змін­ну на­пру­гу 220 В у по­стій­ний струм – драй­ве­ра; 4) алю­мі­ні­є­во­го ра­ді­а­то­ра для від­ве­де­н­ня те­пла від кри­ста­лів на­пів­про­від­ни­ка; 5) алю­мі­ні­є­вої пла­ти зі сві­тло­діо­да­ми, що крі­пи­ться до ра­ді­а­то­ра; 6) ма­то­во­го ков­па­ка-роз­сі­ю­ва­ча, яким сві­тло­діо­ди на­кри­ва­ють звер­ху для отри­ма­н­ня рів­но­мір­но­го осві­тле­н­ня. По­ту­жність та сві­тло­вий по­тік від лам­пи за­ле­жать від кіль­ко­сті сві­тло­діо­дів на пла­ті.

Сві­тло­діо­ди ви­ко­ри­сто­ву­ють для осві­тле­н­ня при­мі­щень та ву­лиць, для під­сві­чу­ва­н­ня екра­нів те­ле­ві­зо­рів та комп’юте­рів, в ав­то­мо­біль­них фа­рах та як ін­ди­ка­то­ри. За одна­ко­вих зна­чень сві­тло­во­го по­то­ку сві­тло­діо­дні лам­пи спо­жи­ва­ють при­бли­зно вп’яте­ро мен­ше еле­ктро­енер­гії, ніж лам­пи роз­жа­ре­н­ня та у пів­то­ра ра­зи мен­ше, ніж лю­мі­не­сцен­тні лам­пи. До то­го ж, на від­мі­ну від остан­ніх, сві­тло­діо­ди не мі­стять рту­ті та не ста­нов­лять за­гро­зи дов­кі­л­лю. Чи не єди­ним не­до­лі­ком цих ламп є їхня ви­со­ка вар­тість, але зав­дя­ки роз­ви­тку те­хно­ло­гій ця ва­да бу­де усу­не­на.

Newspapers in Ukrainian

Newspapers from Ukraine

© PressReader. All rights reserved.