ELEKTRIČNE KRESNIČKE
Pozdravljeni na valovih Radia Študent, kjer nadaljujemo sklop dveh oddaj o svetlobi. Pred dvema tednoma smo v oddaji Vid in njegova srajčica spoznali osnovne fizikalne zakonitosti svetlobe in se podučili, kako svetlobo zaznavamo ljudje in živali. V današnji oddaji pa se bomo posvetili električnim napravam, ki smo jih ljudje izumili za proizvodnjo in detekcijo svetlobe.
Ljudje in živali smo se večji del svoje zgodovine zanašali na sonce kot edini vir svetlobe, ki pa ima pomanjkljivost - osvetljuje nas namreč samo del dneva. V želji, da bi dnevne aktivnosti lahko izvajali tudi ponoči, smo ljudje zato potrebovali alternativni vir svetlobe. Le-to smo najprej, vse dokler nismo prišli do odkritja električnih svetil, našli v siju ognja, ki je prihajal bodisi iz oljnih svetilk, sveč, plinskih svetilk bodisi petrolejk.
Dolga zgodovina uporabe ognja za razsvetljevanje je pustila svoj pečat, saj še danes v mednarodnem sistemu osnovnih fizikalnih enot za opis svetilnosti uporabljamo enoto z imenom kandela.
S spoznavanjem lastnosti elektrike so se kmalu pojavila tudi prva električna svetila. V prvem desetletju devetnajstega stoletja je Sir Humphry Davy priključil ogleni elektrodi na 2000 zaporedno vezanih baterijskih celic. Zaradi visoke priključene napetosti se je med elektrodama pojavil električni oblok. Ta pojav nastane, ko je napetost med dvema telesoma tako visoka, da električni tok steče skozi zrak. Najpogosteje se to izrazi v obliki iskre ali strele, če pa je visokonapetostni vir dovolj zmogljiv, dobimo skozi zrak kontinuiran tok elektronov in pojavi se električni oblok. To je bil prvi umetni izvor svetlobe, ki ga je poganjala elektrika, poimenovali pa so ga obločnica. Kako deluje to svetilo, nam pojasni doc. dr. Marko Jankovec s Fakultete za elektrotehniko.
Kot smo slišali, so obločnice uporabljali predvsem v javni razsvetljavi, saj so oddajale zelo močno svetlobo in zato niso bile preveč primerne za uporabo v zaprtih prostorih. Prva svetila, ki so osvetljevala domove širše populacije, so bile žarnice. Kakšna je razlika med žarnicami in obločnicami, nam razloži dr. Jankovec.
Žarnice oddajajo svetlobo po principu sevanja zaradi visoke temperature žarilne nitke v njih. Vsako trdno telo zaradi svoje temperature seva elektromagnetno valovanje, ki pa je v večini primerov zaradi prenizke temperature očem nevidno. Ko telo segrejemo na dovolj visoko temperaturo, oddaja del svojega sevanja tudi v nam vidnem spektru elektromagnetnega valovanja.
V žarnicah to telo predstavlja žarilna nitka, ki jo z električnim tokom segrejemo nad 2500 stopinj Celzija. Da žarilna nitka zaradi svoje visoke temperature ne oksidira oziroma zgori, jo moramo vstaviti v vakuum oziroma kakšnega od plinov, ki so kemijsko nereaktivni in imajo nizko toplotno prevodnost. Visoke temperature žarilnih nitk predstavljajo tudi oviro pri izbiri materialov, iz katerih so lahko narejene. Najvišjo temperaturo, pri kateri lahko žarnica še deluje, omejuje temperatura tališča žarilne nitke. Tako je danes žarilna nitka v vaši žarnici najverjetneje narejena iz volframa, ki ima temperaturo tališča pri 3017 stopinjah Celzija.
Temperatura žarilne nitke opredeljuje tudi tako imenovano temperaturo svetlobe, ki jo žarnica seva. Nižje temperature svetlobe predstavljajo bolj rdečkasto svetlobo, kar označujemo z izrazom topla svetloba. Višja temperatura pa ima za posledico belo svetlobo s poudarjenimi modrimi toni in je zato pogovorno imenovana hladna svetloba. Temperatura svetlobe je še danes v splošni uporabi za opis odtenka bele svetlobe.
Kot izumitelj žarnice nam je bil mnogim predstavljen Thomas Edison, kar pa je neresnica. Princip žarnice je namreč že leta 1802 prvi predstavil Humphry Davy. Kasneje je še vsaj 22 izumiteljev pred Edisonom izdelalo svoje variacije žarnic, vendar je šele njegova izvedba žarnice povzročila revolucijo v razsvetljavi. Edisonova je namreč uporabljala žarilni element, izdelan iz oglja, ki je bil sposoben dlje časa zdržati visoke temperature – to je bila prva žarnica, ki je imela življenjsko dobo nad 1000 ur. Žarnice so tako v splošno uporabo začele prihajati po letu 1880.
Vendar pa se je oddajanje svetlobe na principu sevanja izkazalo za energetsko neučinkovito, saj je večina oddane energije žarnice v spektru, ki ga človeško oko ne zazna. Tako imajo najučinkovitejše žarnice le okoli 5 % izkoristek. Prav zaradi tega so znanstveniki proti koncu devetnajstega stoletja izumili tako imenovane fluorescentne sijalke. Princip delovanja takih svetil nam obrazloži dr. Jankovec.
Kot smo slišali, pri fluorescentnih sijalkah za doseganje višjega izkoristka izkoriščamo pretvorbo visokoenergijskega UV sevanja v nam vidno svetlobo. Za pretvorbo valovne dolžine poskrbi tako imenovana fluorescenca. To je lastnost, ki jo izkazujejo nekatere snovi, ki pri vzbujanju z visokoenergijskimi delci zasvetijo v nam vidni svetlobi. Pri sijalkah za doseganje tega pojava uporabljamo mešanice redkih zemelj in fosforjevih soli. Izkoristek pretvorbe električne energije v svetlobo se pri sijalkah običajno giblje okoli 20 % /odstotkov/, kar je štirikrat več kot pri žarnicah. Zaradi tega je Evropska unija leta 2009 sprejela direktivo, ki omejuje prodajo klasičnih žarnic, do konca leta 2012 bi tako morali vse žarnice zamenjali z energetsko varčnejšimi sijalkami oziroma svetlečimi diodami.
A kot po navadi, ni vse tako rožnato, kot se zdi na prvi pogled. Za izdelavo sijalk namreč potrebujemo kar nekaj človeku nevarnih snovi, med katerimi izstopa živo srebro, zato sijalke le počasi zamenjujemo s svetlečimi diodami, splošno poznanimi pod imenom LEDice. O njih nam nekaj pove dr. Jankovec:
LED diode, kot jih poznamo danes in srečamo v večini elektronskih naprav, so narejene iz različnih polprevodniških materialov. Ti so združeni v plastno strukturo, ki jo tvorita dva sloja polprevodnika z različnimi koncentracijami elektronov. V eni plasti imamo višjo prisotnost elektronov, druga pa ima primanjkljaj koncentracije elektronov, kar pomeni, da stik takšnih plasti tvori električno polje, ki ustvarja razliko napetostnega potenciala.
To razliko imenujemo potencialna bariera, ki preprečuje prehajanje delcev iz ene plasti v drugo. Če na takšno diodo na pravo stran priključimo enosmerno napetost, ta zmanjšuje potencialno bariero spoja. Prehajanje elektronov preko spoja se tako poveča in električni tok skozi led diode narašča eksponentno. Pri prehajanju med plastema polprevodnika se elektroni srečujejo s praznimi mesti, ki jih lahko zapolnijo in pri tem preidejo v orbitalo z nižjo energijo. S tem preskokom elektron odda svojo energijo v obliki osnovnega svetlobnega delca - fotona.
Rekombinacije več delcev torej vodijo do oddajanja fotonov, ki tvorijo svetlobo pri točno določeni valovni dolžini. Tovrstno oddajanje svetlobe v polprevodnikih imenujemo “spontana emisija”. Z uporabo različnih polprevodniških materialov dobimo različne valovne dolžine svetlobe in posledično različne barve.
Za izum LED diode je bilo ključno odkritje elektroluminiscence - pojav, ki ga je prvič opazil Anglež Henry Joseph Round leta 1907. Ugotovil je, da polprevodniški kristal silicijevega karbida pod napetostjo seva rumeno svetlobo. LED dioda je sicer prvič nastala pod rokami Rusa Olega Loseva leta 1927, njegovo odkritje pa praktične uporabe ni našlo še nekaj desetletij. Rdeče LED diode so se pojavile šele konec petdesetih let, ko so jih denimo začeli vgrajevati v ure in kalkulatorje ter ostale naprave. Da bi ustvarili močno belo svetlobo, kakršne smo vajeni iz razsvetljave in sonca, so ugotovili, da najprej potrebujemo modre LED diode.
Za izdelavo prvih modrih LED diod na osnovi indijevega galijevega nitrida in metod dopiranja so raziskovalci Nakamura, Akasaki in Amano lansko leto prejeli tudi Nobelovo nagrado.
Svetilo, ki je za marsikatere ljudi in domače živali bolj zanimivo kot LEDice in ki ga srečate v skoraj vsakem znanstvenofantastičnem filmu, pa so laserji.
Pri LED diodah smo spoznali spontano emisijo, ki nastane zaradi prehoda elektrona v stanje nizke energije, pri čemer odda svetlobni delec v obliki fotona. Ta prehod elektronov lahko povzroči zunanja dovedena napetost. V laserju pa poleg spontane emisije poteka tudi stimulirana emisija, kar nam pove že kratica LASER, ki pomeni "light amplification by stimulated emission of radiation", se pravi ojačenje svetlobe s stimulirano emisijo sevanja.
Prvi korak pri generiranju laserske svetlobe je, da aktivni laserski material osvetlimo z drugim virom svetlobe. To je po navadi bliskovna luč, ki v aktivni material dovede fotone. Prispeli fotoni v aktivnem materialu vzbudijo delce in povzročijo, da ti oddajo še dodatne fotone. Na ta način se generira veliko število fotonov z enako fazo in valovno dolžino in zato lahko govorimo o ojačanju svetlobe oziroma stimulirani emisiji. Emisija je tako večja kot absorbcija vpadle svetlobe.
Struktura laserja je osnovana tako, da je aktivni material nameščen med dve reflektivni površini ali zrcali, od katerih je eno polprepustno. Generirani in vpadli fotoni se odbijejo od zrcal in uidejo skozi polprepustno zrcalo ter oblikujejo laserski snop. Ponovno dr. Jankovec s Fakultete za elektrotehniko:
Laserje srečamo v vsakdanjem življenju predvsem pri Powerpoint predstavitvah in v Youtube videih, v katerih ljudje dražijo svoje mačke. A prava uporabnost laserjev se kaže v proizvodnih ali raziskovalnih panogah. O uporabi laserjev smo povprašali prof. dr. Dragana Mihailovića, vodjo odseka za kompleksne snovi na Institutu Jožef Stefan:
Laserje pogosto najdemo tudi v različnih laboratorijih. Kako se ti uporabljajo v znanstvene namene?
Z napredkom proizvajanja svetlobe iz elektrike za namene osvetljevanja smo začeli iskati nove možnosti uporabe omenjenih tehnologij. Kmalu smo spoznali, da lahko s svetlobo ustvarjamo tudi različne svetleče napise in slike. Te slike so bile sprva statične, saj se je pred izvor svetlobe namestilo različne šablone in zaslonke, in dobili smo osvetljene panoje. Uporaba različnih oblik sijalk pa je nadalje omogočala tudi ustvarjanje različnih napisov.
Z izumom katodne cevi v začetku dvajsetega stoletja so statične slike prvič zaživele. V začetku tridesetih let dvajsetega stoletja pa smo že dobili prve komercialne televizorje. Tako je leta 1936 angleški BBC že redno oddajal črno-beli televizijski program v visoki kakovosti. V petdesetih letih prejšnjega stoletja so v komercialno uporabo prišle tudi barvne katodne cevi, ki so prevladovale vse do pojava LCD tehnologije.
Katodna cev za prikaz slike se v svojem bistvu ne razlikuje močno od fluorescentnih sijalk, ki smo jih spoznali v prvem delu oddaje. Fluorescentni premaz, nanesen na vidnem delu, z elektronskim snopom točkovno vzbujamo tako, da zasveti. To storimo tako, da elektronskemu snopu, ki izvira iz zadnjega dela vakuumske katodne cevi, z močnimi magneti spremenimo smer, tako da zadane točno določeno točko na sprednjem delu zaslona, kjer je nanesen fluorescentni premaz. Da celotni zaslon zapolnimo s sliko, mora elektronski snop prepotovati celotni zaslon, kar dosežemo z zelo hitrim usmerjanjem magneta. Ko snop zaključi svojo pot v spodnjem desnem kotu zaslona, se vrne na začetek in izriše se naslednja slika. Ker človeško oko zazna okoli trideset različnih slik na sekundo, potrebujemo za tekoči prikaz video posnetka izris slike vsaj okoli petindvajsetkrat na sekundo.
Različne sivine na zaslonu dosežemo z nadzorom intenzitete elektronskega snopa v določeni točki. Tako za prikaz bele barve potrebujemo največ energije, medtem ko za prikaz črne barve elektronski snop samo ugasnemo.
Z opisanim postopkom lahko ustvarimo monokromatsko sliko, če pa želimo dodati informacijo o barvi, potrebujemo tri izvore elektronskega snopa. Vsak od teh izvorov osvetljuje samo določene točke, ki so premazane z različnimi materiali in ob vzbujanju oddajajo rdečo, modro in zeleno svetlobo. Nadaljnji proces prikaza barvne slike je popolnoma enak monokromatskim zaslonom. Posamezni elektronski snop usmerimo v točno določene točke na zaslonu, ki zasvetijo v rdeči, modri in zeleni svetlobi, skupaj pa tvorijo barvno sliko, ki jo zazna človeško oko.
Z naglim razvojem potrošniške elektronike v drugi polovici prejšnjega stoletja se je pojavila potreba po cenenih, majhnih zaslonih, ki so prikazovali različne informacije o delovanju naprave, kot je na primer ura ali na katero postajo imate nastavljen radijski sprejemnik. Katodni zasloni zaradi svoje konstrukcije niso bili kos tej nalogi, zato so to nalogo prevzeli tako imenovani VFD - vakuumski fluorescentni zasloni.
Pri teh zaslonih majhne segmente, premazane s fluorescentnim materialom, obstrelimo z elektroni, ki izhajajo iz z električnim tokom segrete volframove katode. Elektrone na poti s fosforjem premaznih segmentov usmeri tanka mrežica, ki deluje tudi kot anoda. Ko na posamezen segment priključimo pozitivno napetost, ta privlači elektrone, ki ob trku z njim zasvetijo. Z uporabo različnih premazov lahko dosežemo različne barve posameznih segmentov.
Slaba stran teh zaslonov je, da imajo posamezni segmenti vnaprej določeno obliko in zato na njih ne moremo prikazovati poljubnih slik oziroma video posnetka. Kot nam pove dr. Jankovec:
LCD ali “liquid crystal display” oziroma zasloni s tekočim kristalom so zaradi nizke porabe moči in manjših dimenzij okoli leta 2007 izpodrinili katodne zaslone. A kaj pravzaprav so tekoči kristali? Kristalov smo vajeni v trdnih oblikah, kot je na primer kvarc ali zrno soli, strukturah s fiksno orientacijo molekul, ki se ne premikajo. Tekočine pa imajo prosto sukajoče in premikajoče se molekule.
Leta 1888 pa so odkrili snov, ki izkazuje lastnosti obeh omenjenih snovi, in jo poimenovali tekoči kristali. Molekule v tej snovi se namreč lahko prosto gibljejo kot v tekočini, hkrati pa zadržujejo svojo orientacijo.
Večina uporabnih tekočih kristalov ima molekule urejene v zavito vijačno strukturo, ki se pod vplivom električnega polja izravna. Prav to lastnost izrabljajo LCD zasloni, pri katerih je tekoči kristal vstavljen med plasti horizontalno in vertikalno polariziranih stekel. Če je svetloba linearno polarizirana, govorimo o usmerjenosti nihanj elektromagnetnega valovanja, pravokotno na smer širjenja svetlobe.
Če nepolarizirano svetlobo dovedemo v steklo z vertikalno polarizacijo, bo električna komponenta elektromagnetnega valovanja nihala v navpični smeri. Taka svetloba pa ne bo prehajala skozi vodoravno polarizirano steklo. Svetloba v to LCD strukturo vstopa bodisi iz fluorescentne luči, vgrajene za zaslonom, ali pa je to le svetloba iz okolice zaslona, ki se odbije od zrcala za strukturo. Ko skozi eno od polariziranih stekel vstopi žarek, se ta polarizira in preko zavite vijačnice molekul v tekočem kristalu preide do polarizatorja na drugi strani strukture. Od tam preko zaščitnega stekla potuje do našega očesa.
V primeru, ko je z zunanjim električnim poljem vijačnice v tekočem kristalu izravnana, pa se svetloba z vertikalno polarizacijo ne zasuče več po tirnici vijačnice in zaradi različne orientiranosti ne prehaja skozi vodoravni polarizator. Na zaslonu takrat vidimo temni obris, katerega oblika je odvisna od oblike elektrode. Te so pri manjših LCD zaslonih oblikovane v segmente, s katerimi lahko z različnimi kombinacijami izrišemo črke in številke.
Pri zaslonih, kakršne srečamo v računalniških displayih in televizorjih, so strukture s tekočim kristalom oblikovane v majhne točke ali piksle oziroma trojice pikslov z rdečim, zelenim in modrim filtrom. Tranzistorji za vsakim barvnim pikslom skrbijo, da se prižigajo prave kombinacije barv na pravih mestih. Pri tipičnih prenosnih računalnikih z resolucijo 1024x768 to znese skoraj 2,4 milijona tranzistorjev. Če katerikoli od teh tranzistorjev preneha delovati, na zaslonu vidimo samo še temo - torej črn piksel.
Na vaših novejših pametnih telefonih pa ni LCD zaslonov, temveč tehnologija, ki omogoča svetlejšo sliko in večjo ostrino. O tem več pove dr. Jankovec:
Zaradi odprave dodatne zadnje osvetlitve so OLED zasloni lahko mnogo tanjši, razvoj pa gre tudi v smeri upogibajočih se tankoplastnih OLED struktur. Kmalu bomo dobili fleksibilne, upogibljive zaslone, ki bodo najverjetneje najprej v uporabi pri prenosni elektroniki. OLED zaslone bomo kmalu dočakali pri novih računalnikih, pojavili pa se bodo tudi pri televizorjih.
Dobrodošli nazaj v oddaji znanstvene redakcije, katere današnja tema je tehnologija za oddajanje in sprejemanje svetlobe.
Po pregledu tehnologij, ki smo jih ljudje razvili, da smo električno energijo spremenili v svetlobo in kasneje v slike, bomo spoznali še obratni proces. Če želimo svetlobo pretvoriti v električno energijo bodisi za namene preučevanja fizikalnih lastnosti ali pa fotografiranje oziroma snemanje videa, potrebujemo naprave, ki pod vplivom svetlobe proizvajajo električno napetost.
Kot je znano, prve naprave za zajem slik svetlobe niso pretvarjale v elektriko, temveč so pod vplivom vpadne svetlobe spremenile kemične lastnosti nanesenih premazov. Sprva so bile to s srebrovimi solmi premazane bakrene plošče, ki so jih kasneje z razvojem fotografije zamenjali na svetlobo občutljivi filmi.
Z raziskovanjem lastnosti polprevodniških materialov so znanstveniki kmalu odkrili, da ti izkazujejo fotovoltaični efekt. Za obrazložitev tega pojava, pri katerem svetloba s svojo energijo povzroči pojav električnega naboja v določenih materialih, sta bili podeljeni dve Nobelovi nagradi. Prvo je prejel Albert Einstein leta 1921, drugo pa Robert Millikan dve leti kasneje. Tako smo v petdesetih letih prejšnjega stoletja dobili prve fotodiode in fototranzistorje. Kako deluje fotodioda, nam obrazloži doc. dr. Marko Jankovec.
Fotodiode so glede na snovi, iz katerih so narejene, občutljive na različna spektralna območja in so tako primerne za zaznavanje od kratkovalovne UV svetlobe do dolgovalovne IR /infrardeče/ svetlobe. Ker so majhne, mehansko obstojne in poceni, se je hitro pojavila masovna proizvodnja.
Sončne celice, ki jih uporabljajo za proizvodnjo električne energije, v osnovi delujejo na enakem principu kot fotodiode. Njihova površina je zaradi funkcije, ki jo opravljajo, mnogo večja od površine fotodiod, ki jih v večini primerov uporabljamo za detekcijo svetlobnih signalov.
Ker pa je fotodioda diskretni element, lahko zaznamo svetlobo samo v eni točki. Če želimo zaznati intenzivnost svetlobe v več točkah, je treba fotodiode postaviti v matriko. Prav iz osnovne matrike fotodiod so se kasneje razvili CCD senzorji.
CCD ali “charge-coupled device” in CMOS “complementary metal-oxide semiconductor” tehnologiji sta prisotni za zaznavanje slike v digitalnih fotoaparatih, kamerah, skenerjih in mnogih drugih napravah. Delujeta na podobnem principu zaznavanja svetlobe kot sončne celice in fotodiode, kar nam pove dr. Jankovec:
Razlika je torej predvsem v številu elementov, ki pri teh tehnologijah tvorijo večmilijonsko dvodimenzionalno mrežo celic. Vsaka od teh celic zajema le določen delček slike in to svetlobo pretvarja v generirane proste elektrone. Nato je treba ta naboj zaznati oziroma prebrati, kar je v CCD in CMOS senzorjih izvedeno na različne načine. CCD elementi naboj posamezne celice prenesejo na rob mreže, od koder se z analogno-digitalnim pretvornikom pretvori v digitalno obliko. CMOS tehnologija pa ima za vsako posamezno celico še več tranzistorjev, ki pri vsaki celici signal ojačajo in nato prenesejo do procesorja.
Kvaliteta slike je zaradi zrelosti tehnologije pri CCD senzorjih nekoliko boljša, manjši pa je tudi šum pri njenem generiranju. A v primerjavi s CMOS senzorji, CCD lahko porabijo do 100-krat več energije. CMOS senzorji so cenejši, saj jih lahko izdelujejo na standardnih silicijevih proizvodnih linijah. Zaradi tega se pojavljajo v kamerah mobilnih telefonov in digitalnih fotoaparatih.
Vse naprave za pretvorbo svetlobne energije v električno pa nam omogočajo le zaznavanje intenzitete vpadne svetlobe, ne pa tudi njenega spektra. Za zaznavanje te pomembne lastnosti znanstveniki uporabljajo tako imenovane spektrofotometre, ki svetlobo najprej razdelijo na posamezne ozke spektralne segmente in nato izmerijo njeno intenziteto. Na ta način dobimo informacijo o natančni spektralni porazdelitvi svetlobe.
Ker je sestava takih naprav zelo kompleksna, te še niso prišle v potrošniško elektroniko, vendar bodo najnovejša odkritja s tega področja to morda kmalu spremenila. Tako bomo dobili novo orodje, ki bo odprlo neskončno novih metod zaznavanja, kot je na primer zdravje rastlin, zaznavanje nevarnih snovi v ozračju, nam nevidnih razpok v zidu, nove smeri fotografske in filmske umetnosti in tako dalje.
Uredniški izbor
Napovedi
Prikaži Komentarje
Komentiraj