Текст уведомления здесь

Электричество из света

К 180-летию Александра Столетова

10 августа 1839 года, 180 лет назад, родился Александр Столетов. Работы ученого подтолкнули Эйнштейна к созданию своей «нобелевской» теории, сделали возможным телевидение и зеленую революцию в энергетике: он экспериментально изучил фотоэффект и описал его основные закономерности.
Добавить в закладки
Комментарии

Столетов родился в купеческой семье во Владимире. Его мать сама учила всех шестерых детей чтению, письму и счету еще до школы. Закончив гимназию, Александр поступил на физико-математический факультет Императорского Московского университета (ныне МГУ), и в 21 год перспективный студент был оставлен руководством там для дальнейшей научной работы. Съездив на зарубежную стажировку с 1862 по 1866 год, ученый поработал с ведущими физиками своего времени, включая Германа Кирхгофа и Вильгема-Эдуарда Вебера (в честь последнего в 1930 году была названа единица измерения магнитного потока).

В 1888 году уже 49-летний Столетов, заведующий кафедрой опытной физики в Императорском Московском университете, берется выяснить, как влияет  свет на электрический ток. Для этого он взял мощный дуговой фонарь, направил его свет на одну из двух параллельных металлических пластинок — и между пластинками, невзирая на то, что зазор между ними был больше 10 сантиметров, потек электрический ток. Ученый довольно долго проводил различные измерения, менял условия эксперимента и в 1889 году опубликовал работу «Актино-электрические исследования». 

Сегодня мы знаем, что извлеченный Столетовым при помощи обыкновенного света ток возникает потому, что фотоны, т.е. кванты света,  выбивают из поверхности металла электроны. Во время экспериментов Столетова ни о каких электронах физики не знали, да и о квантах Макс Планк еще даже не задумался. Теперь мы знаем, что для фотоэффекта квант должен иметь определенную энергию, а она напрямую связана с частотой света, поэтому в опытах Столетова ток регистрировался только при освещении пластинок фонарем с электрической дугой — свет от нее содержит довольно много ультрафиолета.

Теоретическое объяснение найденных Столетовым закономерностей дал в 1905 году Альберт Эйнштейн, который для этого использовал концепцию квантов, придуманную Максом Планком. Кстати, именно за объяснение фотоэффекта, а вовсе не за теорию относительности Эйнштейна наградили Нобелевской премией по физике. 

Но Столетов, который наверняка бы поделил эту премию с Эйнштейном (потому что премии, как правило, дают и экспериментатору, и теоретику),  не дожил даже до открытия электрона в 1897 году, скончавшись годом ранее от воспаления легких в возрасте всего 56 лет. А фотоэффект стал не просто физическим феноменом, позволившим ученым выявить несколько ранее неизвестных законов природы. 

Эффект фотоэффекта

Без фотоэффекта телевидения просто бы не существовало, так как процесс превращения картинки в электрический сигнал по определению требует превратить энергию света в электрическую. Свет, попадавший в объективы первых телекамер, падал на микроскопические крупинки серебра и выбивал из них электроны — лишенные отрицательно заряженных частиц крупинки становились положительно заряженными. Этот заряд затем можно было измерить и определить, насколько ярко освещался конкретный участок посеребренной пластины. Так работали устройства, разработанные в 1910-х годах Борисом Розингом и Владимиром Зворыкиным. В 1931 году уехавший к тому моменту в США Зворыкин получил патент на «иконоскоп», и это стало важнейшим шагом на пути к телевидению. 

Причем зворыкинский иконоскоп — равно как и детище советского инженера Семена Катаева, который независимо работал над телевидением в те же тридцатые годы (а еще можно отметить венгерского инженера Кальмана Тиханьи), — использовал т.н. внешний фотоэффект, называемый так потому, что свет выбивает электроны за пределы вещества; наряду со внешним фотоэффектом есть и внутренний, при котором электроны покидают свои атомы, но не вылетают в окружающую среду. 

Цифровые камеры

Внутреннему эффекту нашли применение позже. Важнейшей его специальностью можно назвать работу в приборах с зарядовой связью. Под этим названием скрывается пиксель на матрице цифрового фотоаппарата. Там свет выбивает электроны из полупроводникового материала, и далее эти электроны создают электрический ток, сила которого отражает интенсивность упавшего на материал света. В 1969 году американцы создали первый подобный прибор, в 1971 был получен первый патент, а несколько лет спустя первые полупроводниковые матрицы для телекамер пошли в производство. В 1980-х работающие на внутреннем фотоэффекте камеры полностью вытеснили из телестудий технику, использующую фотоэффект внешний, а в нулевые годы ПЗС-матрицы покончили с фотопленкой как в профессиональной, так и в любительской съемке. Сегодня цифровые камеры стоят в абсолютном большинстве мобильных телефонов: изобретение микросхем позволило массово и по умеренной цене печатать сложнейшие электронные устройства.

Солнечная энергетика

Появление заряда внутри освещенного полупроводникового материала также позволяет работать солнечным батареям. В 1990-х они применялись разве что в калькуляторах, для питания каких-нибудь метеорологических станций в удаленных районах и на космических аппаратах. Но в 2018 году солнечные батареи по всему миру выдали 700 тераватт-часов электричества, больше всех российских теплоэлектростанций вместе взятых. В 2019 году, по оценкам аналитиков Bloomberg, в мире введут в строй солнечных панелей суммарной мощностью от 120 до 140 гигаватт. В пиковом режиме только смонтированные в этом году панели будут выдавать энергии, как половина всех российских электростанций. Это немало, если учесть, что Россия занимает четвертое место по производству электричества. 

С нулевых годов солнечная энергетика прибавляет каждый год по 25% своей общей мощности, то есть растет в геометрической прогрессии. В 2050-м, по оценкам Международного энергетического агентства, фотоэффект даст человечеству одну шестую всей электроэнергии и станет одним из основных источников электричества.

Безопасные станки, лифты и борьба с безбилетниками

Сам Столетов вряд ли мог предсказать появление, скажем, Instagram или массовый переход человечества на фотовольтаику. Однако одно из устройств, с которым жители крупных городов сталкиваются ежедневно, ученый все же разработал. Это фотоэлемент, самый простой преобразователь световой энергии в электрическую. Одного фотоэлемента недостаточно ни для электропитания чего-либо, ни для построения картинки, однако он «чувствует» падающий на него свет. Следовательно, из источника света и фотоэлемента можно сделать, например, сигнализацию: при пересечении луча электронная схема почувствует пропажу тока и включит сигнал тревоги. Или заблокирует работу механизма, который оказался в опасной близости от подошедшего к нему человека. 

Фотоэлементы применяются в турникетах метро и на платформах пригородных поездов, а еще они часто следят за тем, чтобы никого не прижало закрывающимися дверями в лифте. Сравнительно громоздкие устройства на внешнем фотоэффекте — со стеклянными колбами и металлическими пластинками внутри — сегодня вытеснены компактными полупроводниковыми аналогами, которые используют внутренний фотоэффект, однако выведенные Столетовым законы работают и в этом случае. 

Не только фотоэффект

Экспериментальное изучение фотоэффекта вписало имя Александра Столетова в учебники по физике. Однако к 1889 году его знали как состоявшегося физика благодаря многим другим работам. Например, исследователь провел серию опытов по намагничиванию железа и разобрался с тем, как намагниченность материала меняется в зависимости от магнитного поля, в которое этот материал помещают. В конце XIX века это имело немалую практическую ценность: из железа и его сплавов делали (и делают сегодня) электрические генераторы, трансформаторы переменного тока, электромоторы и электромагниты. 

Кроме того, в последние годы ученый занимался не только электромагнетизмом, но и термодинамикой. Он изучал вещество в критическом состоянии, сдавливая его и нагревая до состояния, при котором четкая граница между паром и жидкостью исчезала. Для воды такое состояние наступает при 374 градусах Цельсия и давлении более двухсот атмосфер, однако сегодня с таким паром (или уже не совсем паром) работают многие турбины на теплоэлектростанциях: подкритический пар делает их работу эффективнее и повышает мощность.

Добавить в закладки
Комментарии
Вам понравилась публикация?
Расскажите, что вы думаете, и мы подберем подходящие материалы