X
تبلیغات
فیزیک پایه
تاريخ : پنجشنبه بیست و نهم فروردین 1392 | 18:50 | نویسنده : مدیر وبلاگ

درسنامه ی فیزیک اول دبیرستان فصل 5

دوشنبه, ۱۴ اسفند ۱۳۹۱، ۰۴:۳۹ ب.ظ

فصل 5 ، شکست نور :
5-1 – شکست نور :


اگر از کنار استخر پر از آب به کف استخر نگاه کنید و در همان حال به تدریج از کنار استخر دور شوید، احساس می کنید که کف استخر دارد بالا می آید و عمق آب کم می شود. مشاهده ی پدیده هایی از این قبیل به سبب پدیده های شکست نور.
نور در یک محیط همگن بصورت مستقیم و با سرعت ثابت حرکت می کند، هر گاه محیط تغییر یابد، سرعت نور نیز تغییر کرده و نور منحرف می گردد و در مسیر جدید بر خط راست حرکت می کند. تغییر مسیر پرتو نور به هنگام عبور از یک محیط به محیط دیگر را شکست نور گویند.

در آزمایش کنید 1 – ص 121 ، پرتوهای نور از آب به هوا وارد می شوند. پرتو AC را پرتو تابش و پرتو CB را پرتو شکست می نامیم. زاویه ی بین پرتو تابش و خط' NN (خط عمود بر سطح جدایی در محیط در نقطه ی تابش نور) را زاویه ی تابش (i) و زاویه ی بین پرتو شکست و' NNرا زاویه شکست (r) می نامیم.
در شکل (5-4) تابش نور از محیط (1) به محیط (2) (محیط غلیظ) نشان داده شده است.

 


همانگونه که می بینید هنگام تابش نور از هوا به آب ، پرتو شکست به خط عمود نزدیک می شود، زاویه ی بین امتداد پرتو تابش و پرتو شکست را زاویه ی انحراف می نامیم و آن را با D نشان می دهیم، در شکل (5-3) دیده می شود که D=r-I در شکل (5-4) و D=ir-r است.



قانون های شکست نور :


i = r = 0
D = 0


نسبت سینوس زاویه ی تابش به سینوس زاویه ی شکست، برای پرتوهایی که از یک محیط شفاف (محیط A) وارد محیط شفاف دیگری (محیط B) می شوند مقداری ثابت است. این مقدار ضریب شکست محیط B نسبت به محیط A می گویند و آن را با n نشان می دهند ضریب شکست n بستگی به جنس دو محیطی دارد که نور از یکی وارد دیگری می شود.
ضریب شکست یک محیط نسبت به خلاء( یا بطور تقریبی هوا ) را ضریب شکست مطلق آن محیط گویند . یعنی :

ضریب شکست مطلق یک محیط شفاف

 

n =

sin i (در هوا)

(1-5)->

n2 / n1


sin r (در محیط شفاف)



 

 



2 – پرتو تابش خط عمود بر سطح جدا کننده ی در محیط، در نقطه ی تابش و پرتو شکست در یک صفحه واقعند.
در رابطه اگر محیط اول هوا باشد، با توجه به اینکه ضریب شکست هوا برابر یک است، رابطه ی فوق به این صورت نوشته می شود:


N = 1 N = N SIN i / SIN r = n / 1 => SIN i = SIN r = n


5-2 – عمق ظاهری و واقعی :شکل (5-9) مکان واقعی و ظاهری یک ماهی را در آکواریوم نشان می دهد. همان طور که می بیند، گربه ماهی را بالاتر از مکان واقعی خود می بیند و ماهی نیز گربه را دورتر از مکان واقعی خود مشاهده می کند.



شما نیز احتمالاً تجربه کرده اید هنگامی که از هوا به جسمی در داخل آب نگاه می کنیم آن جسم به سطح آب نزدیک تر و وقتی که از داخل آب به جسمی در هوا نگاه می کنیم ، دورتر به نظر می رسد.

شکست نور باعث می شود تا جسم غوطه ور دو ماهی با قریب شکست بالا، نزدیک تر از محل واقعی خود ، نسبت به سطح دیده می شود. این کوتاه بینی (عمق ظاهری) به دلیل شکست نور تابیده شده از جسم در عمق XO به هنگام خارج شدن از مایع می باشد، در این شکست پرتو نور از خط عمود دور می شود و به چشم ما می رسد و به نظر می رسد که نور تابیده شده از محل تصویر مجازی که بالای جسم می باشد آمده است و ما جسم را نزدیک تر از محل واقعی خود نسبت به سطح آب مشاهده می کنیم.
با استفاده از قانون شکست نور و زاویه های تابش و شکست I,r می توانیم بنویسیم :

sin i / sin r = 1/n (2-5)

با توجه به شکل (5-10)

 



زاویه AOB برابر با زاویه تابش I و زاویه AOB برابر با زاویه ی شکست r است. در مثلث های قائم الزاویه ی AOB,AO'B با توجه به تعریف سینوس یک زاویه می توانیم بنویسیم.

در نتیجه داریم :



اگر زاویه تابش و شکست r به اندازه کافی کوچک باشندف یعنی بتوان تقریباً به سکه به طور عمودی نگاه کرد است . بنابراین خواهیم داشت:

OB≈OA , O'B ≈ O'A
: یعنی

 

عمق واقعی

= عمق ظاهری

ضریب شکست محیط شفاف

 



مثال :
عمق واقعی یک استخر 5/1 m است. اگر ضریب شکست آب برابر3/1باشد، عمق واقعی استخر را محاسبه کنید.
حل :

 

O'A = OA / N

1/5 = OA / 1.3

OA ≈ 2m

 

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }


5-3- رابطه ی شکست نور با تغییر سرعت نور در دو محیط:سرعت انتشار نور در خلاء بیشتر از سرعت انتشار نور در هر محیط شفاف دیگر است. سرعت انتشار نور در خلاء تقریباً 000/300 کیلومتر بر ثانیه است. یعنی نور در خلاء فاصله های 300000 را در مدت یک ثانیه می پیماید. سرعت نور در هوا تقریباً همین مقدار است. در محیط های شفاف مثل آب، شیشه و سرعت نور کمتر از سرعت نور در هوا است.



علت شکست نور هنگامی که به طور مایل از یک محیط شفاف به محیط شفاف دیگر گذر می کند، همین تفاوت سرعت نور در دو محیط است.
نسبت سرعت نور در هوا به سرعت نور در یک محیط شفاف همان ضریب شکست است.

 

 

سرعت نور در هوا

= ضریب شکست ماده شفاف

سرعت نور در ماده شفاف

 


اگر سرعت نور در هوا c و سرعت نور در ماده ی شفاف V باشد داریم .


n = c/v (3-5)


هر قدر ضریب شکست ماده ی شفاف بیشتر باشد، سرعت نور در آن محیط کمتر است، در نتیجه نور بیشتر شکسته می شود و زاویه ی انحراف بیشتر می شود.

مثال : با استفاده از جدول (5-2) ضریب شکست آنرا حساب کنید:



C=300,000 km/s , v=225000 km/s , n=?
n = c/v = 300 , 000 / 225000 = 300 /225
n = 4/3 ضریب شکست آب



بازتاب و زاویه حد و سراب و ...
ضریب شکست نسبی :
نسبت ضریب شکست یک محیط به ضریب شکست محیط دیگر را ضریب شکست نسبی آنها می گویند.
ضریب شکست محیط دوم به محیط اول n2,1= n2 / n1


ضریب شکست یک کمیت مقایسه ای است . با توجه به اینکه ضریب شکست هوا برابر یک است. در مقایسه ضریب شکست هوای اجسام را نسبت به هوا می سنجیم.

5-4- زاویه حد :

 


هر گاه پرتو نوری از محیط غلیظ به محیط رقیق طوری بتابد که زاویه شکست 90 باشد، و پرتو خروجی مماس بر سطح باشد، زاویه تابش را زاویه ی حد گویند. هر محیط شفافی دارای زاویه ی حد معینی است.
با استفاده از قانون شکست نور می توان زاویه ی حد را در هر محیط ضریب شکست آن بزرگتر از ضریب شکست محیطی است که با آن مرز مشترک دارد تعیین نمود،در صورتی که محیط دوم هوا باشد، با استفاده از رابطه ی (5-2) می توان نوشت :


sin i / sin r = 1/n = r = 90°
sin i / sin 90° = 1/n sin i = 1/n (الف - 5-4)


اگر زاویه حد ‌را با ic نشان دهیم (رابطه 5-3 الف) به صورت زیر نوشته می شود:
sin ic
5-5 – بازتاب کلی :هر گاه زاویه ی تابش در محیطی با ضریب شکست بیشتر، از زاویه ی حد در آن محیط بیشتر شود ( i>ic ) پرتو تابش از آن محیط خارج نمی شود و سطح جدایی در محیط نظیر یک آینه ی تخت، پرتو نور را به درون محیط اول باز می تاباند، این پدیده را بازتاب کلی می نامند.


HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }


پدیده ی سراب:پدیده ی سراب معمولاً در بیابان ها و جاده ها در روزهای گرم مشاهده می شود.


در این روز گرم لایه ای از هوا که در تماس با زمین قرار دارد، بسیار داغ و منبسط می شود، بنابراین تراکم هوا کمتر از لایه ی سردتر که در بالا قرار دارد، می گردد.


تار نوری چیست؟تار نوری میله ی شیشه ای بلندی است که ضخامت آن، بسته به نوع تار، از حدود کسری از میلی متر تا 50 میلی متر متغیر است و نور به راحتی از درون آن جلو می رود ، حتی اگر میله خمیده باشد.

نور چگونه در تار نوری پیش می رود؟پرتو نور وقتی از میله عبور می کند زاویه های تابش در درون آن بزرگتر از زاویه ی حد است و نور بازتاب کلی می یابد و از میله خارج نمی شود و درون میله پیش می رود. میله ی شیشه ای اندرون، مانند یک سطح بازتابنده کامل عمل می کند.


کاربرد تارهای نوری چیست؟کاربرد زیادی دارد. مانند آندوسکوپی برای دیدن داخلی بدن، استفاده از کابلهای نوری در صنعت مخابرات و ...
کابل های نوری چه مزیتی بر کابل های ملی دارند؟
1. ارزان ترند 2. سبک ترند 3.داده های بیشتری را با کیفیت بهتر منتقل می کنند.



5-6 – مسیر نور در منشور :محیط شفافی است که معمولاً مقطع آن مثلثی شکل است. زاویه ی بین دو وجه منشور را زاویه رأس می گویند. پرتو SI که به یک وجه منشور تابیده پس از شکست در نقطه ی I وارد منشور شده و با شکست مجدد از وجه دیگر خارج شده است . در شکل (5-16) قرار گرفتن منشور در مسیر نور سبب شده است که نور با انحراف نسبت به امتداد اولیه از منشور خارج شود.


پاشیدگی نور در عبور از منشور :نخستین بار نیوتون با عبور دادن نور خورشید از منشور مشاهده ی رنگ های مختلف نور، نشان داد که نور سفید ترکیبی از نورهایی با رنگ های مختلف است. تجزیه ی نور به رنگ های مختلف را به وسیله منشور، پاشیدگی نور می نامیم. علت پاشیدگی نور به وسیله منشور این است که ضریب شکست منشور برای نورهای با رنگ های مختلف متفاوت است. به عنوان مثال ضریب شکست منشور برای نور قرمز ، کمتر از ضریب شکست منشور برای نور سبز یا آبی یا بنفش است. به همین سبب زاویه ی شکست و همین طور زاویه ی انحراف این نورها، نیز هنگام تابش به منشور یکسان نیست. در نتیجه نورهایی با رنگ های متفاوت است از منشور خارج نمی شوند. در شکل ( 5-18) پاشیدگی نور سفید و رنگ های حاصل از آن نشان داده شده است.
شکل (5-18)


نورهای رنگی حاصل از پاشیدیگ نور، در عبور از منشور طیف نور آن می نامند.
عدسی ها : عدسی جسم شفافی است که معمولاً از شیشه و به اشکال مختلف ساخته شده که متداول ترین آنها به صورت محدب و یا مقعر است.
5-7 – عدسی ها :

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }

1. عدسی های همگرا :عدسی همگرا نوعی عدسی است که نور موازی را شکسته و در یک نقطه کانونی در آن سوی عدسی متمرکز می نماید، یا به عبارت دیگر پرتوهای نور را به یکدیگر نزدیک می کند.
(شکل 5-22)

 

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }



 


 

عدسی های واگرا :عدسی واگرا نوعی عدسی است که نور موازی را شکسته و آن را واگرا می نماید و یا به عبارت دیگر پرتوهای نور را از یکدیگر دور می کند.
(شکل 5-23)

 

5-8 – ویژگی های عدسی های همگرا :الف – محور اصلی، مرکز نوری :
خطی که از مرکزهای در سطح کروی، در یک عدسی می گذرد و یا از مرکز سطح خمیده گذشته و به سطح تخت عمود شود، محور اصلی نامیده می شود، نقطه ی میانی عدسی را که روی محور اصلی قرار دارد مرکز نوری عدسی می نامند.

 


کانون های عدسی ها :الف – کانون اصلی در عدسی همگرا (f) : نقطه ای که همه پرتوهای تابش موازی با محور اصلی، پس از شکست به وسیله عدسی در آن نقطه به هم می رسند، این کانون حقیقی است.
ب – کانون اصلی در عدسی واگرا (f) نقطه ای است که همه ی پرتوهای تابش موازی با محور اصلی پس از شکست به وسیله ی عدسی، ظاهراً از آن نقطه می آیند. این کانون مجازی است.
هر عدسی دارای دو کانون اصلی است زیرا نور را می توان از هر طرف عدسی عبور داد و عدسی ها را معمولاً نازک انتخاب می کنند به طوری که فاصله کانونی هر دو طرف با همه برابر باشد.

5-9 – رسم پرتوهای شکست در عدسیهای همگرا :چون خورشید در فاصله ی خیلی دور از ما قرار دارد، پرتوهایی که از آن به عدسی می تابند، با هم موازی هستند از شکل (5-26) در آزمایش 5 می توان نتیجه گرفت که اگر پرتو تابش موازی با محور اصلی به عدسی همگرا بتابد . چنان می شکند که از کانون عدسی بگذرد.
شکل (5-26)

 

 

برعکس این موضوع نیز صادق است. یعنی پرتوهایی که از کانون عدسی همگرا گذشته و به آن بتابند، پس از شکست به موازات محور اصلی از عدسی خارج می شوند.

 


5-10 – چگونگی تصویر در عدسیهای همگرا :یک شمع روشن را در مقابل عدسی همگرا، در فاصله ای بیشتر از فاصله کانونی عدسی، مطابق شکل (5-30) در نظر بگیرید.
شکل (5-30)

 



از هر نقطه شمع، مانند نقطه ی A پرتوهای زیادی به عدسی می تابد. از میان این پرتوها دو پرتوی خاص را در نظر می گیریم . یکی پرتو IA (موازی محور اصلی) و دیگری A'I (پرتوی که از مرکز نوری عدسی گذشته است) . سپس پرتوهای خارجی هر یک را به روشی که گفته شد رسم می کنیم.
پرتوهای شکست این دو پرتو یک دیگر را در نقطه' A قطع می کنند. اگر پرتوهای دیگری هم از نقطه A به عدسی بتابد پرتوهای شکت آنها از نقطه' A خواهد گذشت. به همین علت برای بدست آوردن نقطه' A ( تصویر نقطه A است) دو پرتو تابش کافی است. آزمایش نشان می دهد که تصویر یک شیء عمود بر محور اصلی است و نقطه روی محور اصلی ، تصویرش روی آن محور است.
با بدست آوردن نقطه' A (تصویر نقطه ی A) می توان تصویر یک شیء را که بر محور اصلی عمود است بدست آورد.
تصویری را که در این حالت تشکیل شده است تصویر حقیقی می نامیم. همانطور که در شکل (5-30) می بینید، این تصویر بر روی صفحه ی کاغذ یا پرده ای که در محل تصویر قرار دارد تشکیل می شود. در این حالت پرتوهای شکست خودشان همدیگر را قطع کرده اند. در واقع نقطه A' یک نقطه روشن واقعی است و اگر چشم در مسیر پرتوهایی که از' A گذشته اند قرار گیرد، نقطه ی روشن A دیده می شود.
در شکل های (5-31 الف تاج) روش رسم تصویر شیء AB در یک عدسی همگرا چند حالت نشان داده شده است.
الف) شی در فاصله خیلی دور از عدسی ، تصویر روی کانون تشکیل می شود و حقیقی و وارونه است .

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }

 


ب) شی در فاصله ای بیشتر از دوبرابر فاصله کانونی .تصویر دورتر از f و نزدیکتر از فاصله 2f ، حقیقی ، کوچکتر از جسم ، وارونه

 


پ) شی در فاصله 2f از عدسی ، تصویر در فاصله 2f به اندازه شی ، حقیقی ، وارونه

 


ت) شی در فاصله ای بیشتر از f وکمتر از فاصله 2f ، حقیقی ، بزرگتر از جسم ، وارونه و دورتر از 2f

 


ث) شی روی کانون ، تصویر در بینهایت

 


ج) شی بین کانون و عدسی ، همانطور که در شکل دیده می شود پرتوهای شکست از هم دور می شوند ، امتداد پرتوهای شکست یکدیگر را قطع می کنند ، تصویر مجازی ، بزرگتر از شی و مستقیم

 


در رسم تصویر شکل (5-32) نخست با رسم دو پرتو تابش، یکی موازی محور اصلی و دیگری پرتوی که از مرکز نوری گذشته است ، نقطه A' مشخص شده است. پرتوهای دیگری که از A به عدسی تابیده پس از گذراز عدسی از' A گذشته اند.
شکل (5-32)



 

 

 

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }


عدسی ها :
5-11 – ویژگی های عدسیهای واگرا‌:
الف – محور اصلی ، مرکز نوری :
همانگونه که در عدسیهای همگرادیده شد در این عدسیها نیز محور اصلی خطی است که مرکز دو سطح کروی عدسی را به هم وصل می کند.نقطه ی میانی عدسی را که روی محور اصلی قرار دارد مرکز نوری عدسی می نامند. در شکل (5-33) محور اصلی و مرکز نوری نشان داده شده است.

 


در عدسیهای واگرا نیز پرتوی که به مرکز نوری عدسی می تابد بدون انحراف از عدسی خارج می شود. درشکل (5-34) چنین پرتوهایی که به عدسی واگرا تابیده اند نشان داده شده است.

 


ب: کانون عدسیهای واگرا :هر گاه پرتوهایی موازی محور اصلی به عدسی واگرا بتابند پس از شکست و گذر از عدسی ، طوری از هم دور می شوند که امتداد آن ها از یک نقطه روی محور اصلی بگذرند. این نقطه را کانون عدسی واگرا می نامیم. فاصله ی کانون تا مرکز نوری را فاصله ی کانونی می نامیم و آن را با F مشخص می کنیم.
در شکل (5-35) پرتوهای تابش، موازی محور اصلی و پرتوهای شکست مربوط به آنها نشان داده شده است . در عدسیهای واگرا کانون مجازی است.

 



هر گاه پرتو نور طوری به عدسی واگرا بتابد که پس از برخورد به عدسی، امتداد آن از کانون بگذرد، پرتو شکست آن موازی محور اصلی خواهد بود.
شکل (5-36)

تصویر در عدسیهای واگرا:در این عدسیها نیز، تصویر هر شیء عمود بر محور اصلی را با رسم تصویر یک نقطه ی آن بدست می آوریم. از بین پرتوهای زیادی که از نقطه شی به عدسی می تابد دو پرتو تابش مشخص (پرتو موازی محور اصلی، پرتوی که به مرکز نوری می تابد یا پرتوی که امتداد آن از کانون می گذرد) را رسم و پرتو شکست را به ترتیبی که گفته شد رسم می کنیم تا تصویر نقطه ی مورد نظر را بدست آید.
شکل (5-37)

 


در این عدسیها با قرار گرفتن چشم در مسیر پرتوهای شکست، شیء AB در'A'B به نظر می رسد. این تصویر مجازی است. در عدسیهای واگرا شیء در هر فاصله ای مقابل عدسی قرار گرفته شود تصویر آن کوچکتر از شیء مجازی و نسبت به شیء مستقیم است و در فاصله ای کمتر از فاصله ی کانونی دیده می شود.
محاسبه ی فاصله ی تصویر تا عدسی :
برای بدست آوردن فاصله ی شی و تصویرش از عدسی، اولاً مرکز نوری عدسی را به عنوان مبدأ اندازه گیری تعیین کرده، ثانیا ً اگر کانون تصویرحقیقی باشند، فاصله ی آن ها با عدسی مثبت و اگر مجازی باشد منفی فرض می شود.
1/p + 1/q = 1/f
p فاصله شی تا عدسی
q فاصله تصویر تا عدسی
f فاصله کانونی عدسی


مثال : شیء در فاصله 18 سانتی متری یک عدسی واگرا که فاصله کانونی آن 6 سانتی متر است قرار داده شده است. فاصله ی تصویر تا عدسی چقدر می شود؟ حل : چون عدسی واگراست فاصله کانونی منفی است.


P=18cm , f=-6cm, q=?

فاصله تصویر تا عدسی

 

 

 

 

علامت منفی نشان دهنده تصویر مجازی است

 

 


5-13 – بزرگ نمایی عدسیها :در عدسیها نسبت طول تصویر ('A'B) به طول شیء (AB) را بزرگ نمایی می نامیم و آن را با M نمایش می دهیم.
m = A'B' / AB (6-5)
بزرگ نمایی نشان می دهد که طول تصویر چند برابر طول شیء است ثابت می شود که در عدسیها نیز می توان رابطه ی بزرگ نمایی را به صورت زیر نوشت :
m = A'B' / AB = |q /p| (7-5)
اگر از عدسی همگرا به عنوان ذره بین استفاده شود عدسی را نسبت به شیء مورد نظر طوری قرار می دهیم که فاصله ای شی تا عدسی کمتر از فاصله ی کانونی عدسی باشد (یعنی شیء در فاصله کانونی عدسی قرار بگیرد) در این صورت تصویر مجازی مستقیم بزرگتر از شیء دیده می شود.

مثال :اگر بخواهیم به وسیله یک ذره بین (عدسی همگرا) از یک شیء به طول 5/0 سانتی متر تصویری مستقیم و مجازی به طول 2 سانتی متر بدست آوریم، و فاصله ای شی تا عدسی 6 سانتی متر باشد. فاصله ی تصویر تا عدسی و فاصله کانونی عدسی را حساب کنید.


P=6cm , AB=0/5cm,A'B'=2Cm , q=? , f=?


 

 

فاصله تصویر تا عدسی

 

 

 

چون گفته شده است تصویر مجازی است به جای q مقدار آن را با علامت منفی در رابطه جای گذاری می کنیم.
فاصله کانون تا عدسی

 


5-14 – توان عدسیها :در شکل (5-39) الف و ب :‌دو عدسی همگرا L1 , L2 با فاصله کانونی متفاوت نشان داده شده است.



توانایی یک عدسی در همگرا بودن و یا واگرا کردن پرتوهای نور را توان عدسی گویند که مقدار آن عکس فاصله ی کانونی عدسی می باشد.
D = 1/f

D توان عدسی بر حسب دیوپتر
F فاصله ی کانونی عدسی بر حسب متر

در عدسی همگرا کانون حقیقی است، در نتیجه توان آن مثبت می باشد،
(1/f)
و در عدسی واگرا کانون مجازی است ،

در نتیجه توان آن منفی می باشد
(-1/f)


تعریف : دیوپتر: یک دیوپتر توان عدسی است که فاصله ی کانونی آن یک متر است.
D = 1/F = 1/1(m) = 1 دیوپتر


مثال :
توان عدسی همگرایی به فاصله ی کانونی 20cm چقدر است؟


F=+20cm=+0/2m و D=?
D = 1/F = 1/0.2 = 10/2
D = 5d


ساختمان چشم و نور :1 – چشم مانند یک دوربین تصویری در انتهای چشم تشکیل می دهد، ساختمان چشم به ترتیب از خارج به داخل شامل سه لایه ی صلبیه ، مشیمیه و شبکیه می باشد.
2 – چشم اندامی کروی است که لایه ی خارجی آن یعنی صلبیه نسبتاً سخت می باشد.
3 – بخش جلویی صلبیه را قرنیه می گویند که شفاف است و اولین شکست نور هنگام ورود به چشم در این محل انجام می شود.
4 – پشت قرنیه مایع شفاف زلالیه قرار دارد . ضریب شکست زلالیه تقریباً اندازه ی ضریب شکست قرنیه است و نور در مرز مشترک قرنیه و زلالیه شکست چندانی پیدا نمی کند.
5 – پشت زلالیه مردم چشم قرار دارد . قطر مردمک تغییر می کند و شدت نور عبوری را تنظیم می کند.
6 – پشت مردم عدسی قرار دارد. عدسی چشم همگراست و از ماده ی ژله مانند، انعطاف پذیر و شفاف ساخته شده است.
7- عدسی چشم به وسیله ماهیچه های مژگانی نگه داشته شده است. ماهیچه های مژگانی می تواند ضخامت عدسی را تغییر دهد. در این صورت فاصله ی کانونی عدسی چشم تغییر می کند.
8 – وقتی عدسی مژگانی در حال استراحت است، عدسی چشم بزرگ ترین فاصله ی کانونی خود را دارد.
9 – نور پس از عبور از قرنیه، زلالیه، مردمک، عدسی و زلالیه بر روی شبکیه چشم تصویری واضح تشکیل می دهد و چشم آن را احساس می کند.

 



برای اینکه همواره بر روی شبکیه تصویرواضح تشکیل شود، برای دیدن اجسام دور، ماهیچه ی مژگانی منقبض می شود و ضخامت عدسی را زیاد می کند و فاصله ی کانونی عدسی کم می شود و تصویری واضح بر روی شبکیه تشکیل می شود. تغییر ضخامت عدسی که باعث تغییر فاصله کانونی عدسی می شود تا بتواند تصویری واضح بر روی شبکیه تشکیل شود را تطابق می گویند.
گستره دید طبیعی :
چشم سالم برای فاصله های از حدود 25 سانتی متر تا بی نهایت را می تواند با عمل تطابق ببیند که به آن گسترده ی دید طبیعی یک چشم سالم می گویند.
کم ترین فاصله ی دید چشم، نزدیک ترین مکانی است که چشم می تواند یک جسم را واضح ببیند.
بیشترین فاصله ی دید چشم، دورترین مکانی است که چشم می تواند یک جسم را واضح ببیند.
میکروسکوپ:ابزاری است شامل دو عدسی همگرا که در دو انتهای یک لوله کار گذاشته شده اند. فاصله ی کانونی عدسی طرف چپ کوتاهتر بوده و عدسی شیء نامیده می شود. این عدسی دارای بزرگ نمایی بالایی بوده و از جسم مورد مطالعه تصویری حقیقی و معکوس ایجاد می نماید. تصویری بسیار بزرگ توسط عدسی چشمی تشکیل می گردد که یک تصویر نهایی و مجازی می باشد و بزرگ نمایی کل میکروسکوپ از بزرگ نمایی های عدسی مثلا با عدسی چشمی است.

 

 


دوربین نجومی :برای دیدن کره های آسمانی بکار می رود. ساختمان آن مشابه ساختمان میکروسکوپ است و از دو عدسی همگرای هم محور درست شده است. فاصله ی کانونی عدسی شیء آن حدود دو متر است و عدسی چشمی آن مانند عدسی چشمی میکروسکوپ است.
برای دوربین با جسم در بی نهایت دور قرار دارد. در شکل (5-47) طرز تشکیل تصویر در دوربین نشان داده شده است. آخرین تصویر در دوربین، مجازی، معکوس و از جسم کوچکتر است.

اولین تصویر (A 'B') در سطح کانونی عدسی شیء تشکیل می شود. معمولاً دوربین را طوری تنظیم می کنند که کانون های دو عدسی بر یکدیگر منطبق شود. در این صورت آخرین تصویر نیز در بی نهایت دور دیده می شود.

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }


واژه ها و فرمول های کلیدی فصل 5 :1 – وقتی نور از یک محیط شفاف وارد محیط شفاف دیگری می شود، شکت خورده و از مسیر خود منحرف می شود.
2 – اگر پرتو نور از محیط رقیق وارد محیط غلیظ شود، پرتو نور پس از شکست به خط عمود نزدیک می شود و اگر پرتو نور از محیط رقیق وارد محیط غلیظ شود، پرتو شکست از خط عمود دور می شود.

3 – قانون های شکست نور :الف) پرتو تابش خط عمود و پرتو شکست هر سه در یک صفحه قرار دارند.
ب) سینوس زاویه ی تابش به سینوس زاویه ی شکست برابر ضریب شکست محیط دوم به اول است.

4 – نسبت عمق واقعی به عمق ظاهری برابر ضریب شکست محیط شفاف به ضریب شکست هوا می باشد.
5 – ضریب شکست یک محیط شفاف، نسبت سرعت نور در خلاء به سرعت نور در آن محیط شفاف است.

6 – اگر زاویه تابش از محیط غلیظ به رقیق بزرگ تر از زاویه ی حد باشد، پرتو بازتابش داخلی را پیدا می کند.
7 – منشور میط شفافی است که می توان نو را به وسیله آن منحرف کرد (منشور با بازتابش کلی)

8 – عدسیها بر اساس خاصیت همگرایی و واگرایی به دو نوع همگرا و واگرا تقسیم می شوند.
9 – اگر جسمی در فاصله کانونی عدسی محدب قرارگیرد، تصویر آن بزرگتر ، مستقیم ، مجازی و دورتر از جسم نسبت به عدسی تشکیل می شود.

10 – اگر جسم خارج از فاصله های کانونی عدسی محدب قرار گیرد ، تصویر آن معکوس و حقیقی تشکیل می شود.
11 – اگر جسم مقابل عدسی مقعر قرار گیرد، تصویر آن کوچک تر، مستقیم ، مجازی و بین جسم و عدسی تشکیل می شود.

12 – نسبت فاصله ی تصویر تا عدسی به فاصله ی جسم تا عدسی را بزرگ نمایی می گویند که برابر نسبت طول تصویر به طول جسم است.
13 – عکس فاصله ی کانونی عدسی را توان عدسی می گویند.

 

فرمول ها :

(ضریب شکست نور) n= c/v (قانون دکارت) sin i / sin r = n 2 /n1

عمق ظاهری / عمق واقعی = n 2 /n1

(زاویه حد) sin c = 1/n

(زاویه ی رأس منشور) Â = rˆ + rˆ ' (زاویه ی انحراف در منشور) Dˆ= iˆ+iˆ' – Â

(فرمول عدسیها)

1/p + 1/q = 1/f

(توان عدسی ) D = 1/f (فاصله کانونی) f = mp / m ± 1

پاسخ دهید ( فعالیت ها) فصل 5 :
1 – اگر نور از یک محیط شفاف با ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف دیگر با ضریب شکست n2 شود، به گونه ای که n2 شود. به گونه ای که n1 > n2 رابطه ی
(5-1) چگونه نوشته می شود؟
باتوجه به قانون دوم شکست نور می توان نوشت : در این حالت زاویه ی شکست
بزرگتر از زاویه تابش است و این رابطه تا زمانی بکار می رود که زاویه شکست کمتر از° 90 باشد.


sin i / sin r = n2 / n1


2 – رابطه (5-2) را برای حالتی که ناظر در محیط شفاف (1) با ضریب شکست n1 به جسمی در محیط شفاف (2) با ضریب شکست n1 می نگرد بنویسید.در این حالت زاویه ی i در محیط n2 و زاویه r در محیط n1 است پس :

sin i / sin r = n1 / n2

 

 

3 – با استفاده از جدول (5-2) :الف – نور یک بار با زاویه تابش (i) از هوا به آب و بار دیگر با همین زوایه تابش به شیشه می تابد. در کدام مورد زاویه ی انحراف بزرگتر است و پرتو شکست به خط عمود نزدیک تر می شود؟ چرا؟
پرتو نور با زاویه تابش (i) از هوا به آب و شیشه تابیده شد، مشاهده گردید که شکست پرتو نور در شیشه بیشتر از آب است و پرتو شکست در شیشه به خط عمود نزدیک تر است. زیرا شیشه محیط شفاف غلیظ تر از آب است و ضریب شکست آن بیشتر از ضریب شکست آب می باشد.


4 – اگر نوری از یک محیط شفاف با ضریب شکست n1 وارد محیط شفاف دیگر با ضریب شکست n2 شود به گونه ای که n1> n2 (رابطه 5-4- ب ) چگونه نوشته می شود؟


5- با رسم مسیر پرتو نور در منشور زاویه انحراف را نشان دهید.




6 – در شکل (5-19) مقطع منشور قائم الزاویه متساوی الساقینی نشان داده شده است. زاویه ی حد این منشور 42 است. پرتو نور تک رنگی (نوری که به وسیله ی منشور پاشیده نمی شود) عمود بر یک وجه آن تابیده است.
الف) مسیر این پرتو را تا رسیدن به وجه مقابل منشور رسم کنید.




هر گاه پرتو نور عمود بر یک سطح بتابد، بدون شکست وارد محیط می گردد. در این صورت پرتو تابش پس از ورود با زاویه تابش° 45 بر وجه دوم منشور می تابد.



ب: زاویه ی تابش در داخل منشور چقدر است؟ این زاویه را با زاویه حد منشور مقایسه کنید و مسیر پرتو نور را کامل کنید.زاویه ی تابش بر وجه دوم منشور° 45 درجه است و چون زاویه حد منشور° 42 است. پس زاویه ی تابش بزرگتر از زاویه ی حد بوده و پرتو نور ازوجه دوم به داخل منشور بازتاب می گردد و به طور عمود از وجه دوم خارج می شود.


7 – با توجه به شکل (5-32) ص 147،
1- توضیح دهید که اگر نیمه ی بالایی یا پائینی عدسی به وسیله کاغذ کدری پوشانده شود آیا تصویر تشکیل می شود؟ چرا ؟
بر روی پرده تصویر تشکیل می گردد ولی با روشنایی کم، زیرا در شرایطی که نیمی از عدسی پوشیده است، نیمی از پرتوهای نور از عدسی عبور نمی کنند ، به هر حال به دلیل عبور پرتوهای نور از عدسی تصویر بر روی پرده تشکیل می گردد.


2 – روشنایی تصویر نسبت به حالتی که نور به تمام سطح عدسی می تابد چه تفاوتی دارد؟روشنایی تصویر کم می شود زیرا با قرار دادن کاغذ کدر بر روی عدسی نیمی از پرتوهای نور از عدسی عبور نمی کنند.


8- فاصله کانونی هر یک از عدسی هایی را که شکل آن ها در جدول زیر آمده است با استفاده از اعداد داده شده و شکل عدسی ها معین کرده و جدول را کامل کنید. (عدسی ها هم جنس اند)

 

عدسی ها

فاصله کانونی

-5 cm

-15 cm

20 cm

5 cm

توان عدسی

-20

-6/66

5

20

 


9 – چرا در آب نمی توان اجسام اطراف خود را خوب دید؟ضریب شکست آن بیشتر از ضریب شکست هوا است. در این صورت وقتی از داخل آب به اشیاء نگاه می کنیم، توان عدسی چشم تغییر می کند و شکست نور هنگام عبور از عدسی متفاوت است و بر روی شبکیه تصویری واضح تشکیل نمی شود.



تاريخ : پنجشنبه بیست و نهم فروردین 1392 | 18:40 | نویسنده : مدیر وبلاگ

آموزش فصل پنجم از کتاب فیزیک اول دبیرستان رو قرار میدم


گر از كنار استخر پر از آب به كف استخر نگاه كنید و در همان حال به تدریج از كنار استخر دور شوید، احساس می كنید كه كف استخر دارد بالا می آید و عمق آب كم می شود. مشاهده ی پدیده هایی از این قبیل به سبب پدیده اگر از كنار استخر پر از آب به كف استخر نگاه كنید و در همان حال به تدریج از كنار استخر دور شوید، احساس می كنید كه كف استخر دارد بالا می آید و عمق آب كم می شود. مشاهده ی پدیده هایی از این قبیل به سبب پدیده های شكست نور.
نور در یك محیط همگن بصورت مستقیم و با سرعت ثابت حركت می كند، هر گاه محیط تغییر یابد، سرعت نور نیز تغییر كرده و نور منحرف می گردد و در مسیر جدید بر خط راست حركت می كند. تغییر مسیر پرتو نور به هنگام عبور از یك محیط به محیط دیگر را شكست نور گویند.
در آزمایش كنید 1 – ص 121 ، پرتوهای نور از آب به هوا وارد می شوند. پرتو AC را پرتو تابش و پرتو CB را پرتو شكست می نامیم. زاویه ی بین پرتو تابش و خط' NN (خط عمود بر سطح جدایی در محیط در نقطه ی تابش نور) را زاویه ی تابش (i) و زاویه ی بین پرتو شكست و' NNرا زاویه شكست (r) می نامیم.
در شكل (5-4) تابش نور از محیط (1) به محیط (2) (محیط غلیظ) نشان داده شده است.


همانگونه كه می بینید هنگام تابش نور از هوا به آب ، پرتو شكست به خط عمود نزدیك می شود، زاویه ی بین امتداد پرتو تابش و پرتو شكست را زاویه ی انحراف می نامیم و آن را با D نشان می دهیم، در شكل (5-3) دیده می شود كه D=r-I در شكل (5-4) و D=ir-r است.



تاريخ : پنجشنبه بیست و نهم فروردین 1392 | 18:37 | نویسنده : مدیر وبلاگ

تعریف

. انرژی جنبشی یکی از صورتهای مختلف انرژی است که باعث حرکت یک جسم می‌شود انرژی جنبشی یک جسم با جرم جسم و مجذور سرعت رابطه مستقیم دارد.

فرمول

انرژی جنبشی یک جسم در حال حرکت با جرم آن جسم و مجذور سرعتش متناسب است. انرژی جنبشی برابر است با حاصل ضرب نصف جرم در مجذور سرعت آن جسم. اگر جرم جسم را با m و سرعت آن را با v نشان دهیم، در این صورت انرژی جنبشی که با K نمایش داده می‌شود، به صورت زیر است:

E_{v} = \frac{1}{2} m v^2

یکا

انرژی جنشی بک کمیت نرده‌ای است و واحد آن مانند دیگر انرژی‌ها ژول است. در انجام محاسبات، جرم جسم را بر حسب کیلوگرم و سرعت آن را با متر بر ثانیه در نظر می‌گیرند

انرژی جنبشی جسم صلب

معمولا در مورد حرکت جسم صلب به عنوان سیستمی از ذرات، دو نوع انرژی جنبشی می‌توانیم تعریف کنیم. این دو نوع انرژی که بواسطه نوع حرکت به دو صورت متفاوت می‌تواند وجود داشته باشد.

انرژی جنبشی انتقالی

از آنجا که انرژی کمیتی نرده‌ای است. بنابراین در مورد یک سیستم متشکل از چند ذره، انرژی جنبشی کل برابر با مجموع انرژی جنبشی تک تک ذرات خواهد بود. اما در مورد یک جسم صلب که تعداد ذرات خیلی زیاد است، نقطه‌ای به عنوان مرکز جرم تعریف می‌شود که نماینده کل جسم صلب است. بنابراین انرژی جنبشی انتقالی نیز به صورت نصف حاصلضرب جرم جسم صلب در مجذور سرعت مرکز جرم تعریف می‌شود.

انرژی جنبشی دورانی

جسم صلبی را در نظر بگیرید که با سرعت زاویه‌ای ω حول محوری که نسبت به یک چارچوب لخت خاص ثابت است، می‌چرخد. هر ذره این جسم در حال دوران مقدار معینی انرژی جنبشی دارد. چون تعداد این ذرات در جسم صلب زیاد است، لذا کمیتی به نام لختی دورانی تعریف می‌شود. لختی دورانی به صورت مجموع جملاتی تعریف می‌شود که هر جمله با حاصل ضرب جرم یک ذره از جسم صلب در مجذور فاصله عمودی ذره از محور دوران برابر است. بنابراین انرژ ی جنبشی دورانی جسم صلب که بخاطر دوران حاصل می‌شود، برابر است با نصف حاصل ضرب لختی دورانی جسم صلب در مجذور سرعت زاویه‌ای.

این رابطه شبیه انرژی جنبشی انتقالی جسم است. یعنی سرعت زاویه‌ای مانسته سرعت خطی است و لختی دورانی مانسته جرم لختی یا جرم انتقالی است. هر چند جرم یک جسم به محل آن بستگی ندارد، ولی لختی دورانی به محوری که جسم حول آن می‌چرخد، بستگی دارد. در واقع می‌توان گفت که انرژی جنبشی دورانی همان انرژی جنبشی انتقالی معمولی تمام اجزای جسم است و نوع جدیدی از انرژی نیست. انرژی جنبشی دورانی در واقع راه مناسبی برای بیان انرژی جنبشی هر جسم صلب در حال دوران است. انرژی جنبشی دورانی جسمی که با سرعت زاویه‌ای معین می‌چرخد، نه تنها به جرم جسم بستگی دارد، بلکه به چگونگی توزیع جرم آن نسبت به محور دوران نیز وابسته است.

انرژی مکانیکی مجموع انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی در هر سیستم مکانیکی است.

E = K + U

قانون بقای انرژی مکانیکی بیان می‌کند تحت شرایط خاصی، مقدار کل انرژی مکانیکی جسم ثابت است، یعنی:

\Delta K = W = -\Delta U

یا:

\Delta(K+U)=0

این قضیه نشان دهندهٔ این است که مجموع مقادیر انرژی ثابت است و آن انرژی نه خود به خود به وجود می‌آید و نه خود به خود از بین می‌رود.

انرژی خورشیدی

انرژی خورشیدی نور و گرمای تولید شده توسط خورشید است. انرژی ستاره خورشید یکی از منابع عمده انرژی در منظومه شمسی می‌باشد. طبق آخرین برآوردهای رسمی اعلام شده عمر این انرژی بیش از ۱۴ میلیارد سال می‌باشد. در هر ثانیه ۲/۴ میلیون تن از جرم خورشید به انرژی تبدیل می‌شود. با توجه به وزن خورشید که حدود ۳۳۳ هزار برابر وزن زمین است. این کره نورانی را می‌توان به‌عنوان منبع عظیم انرژی تا ۵ میلیارد سال آینده به حساب آورد.

خورشید از گازهایی نظیر هیدروژن (۸/۸۶ درصد) هلیوم (۳ درصد) و ۶۳ عنصر دیگر که مهم‌ترین آنها اکسیژن، کربن، نئون و نیتروژن است تشکیل شده‌است.

میزان دما در مرکز خورشید حدود ۱۰ تا ۱۴ میلیون درجه سانتیگراد می‌باشد که از سطح آن با حرارتی نزدیک به ۵۶۰۰ درجه و به صورت امواج الکترو مغناطیسی در فضا منتشر می‌شود.

زمین در فاصله ۱۵۰ میلیون کیلومتری خورشید واقع است و ۸ دقیقه و ۱۸ ثانیه طول می‌کشد تا نور خورشید به زمین برسد. بنابراین سهم زمین در دریافت انرژی از خورشید میزان کمی از کل انرژی تابشی آن می‌باشد. سرمنشاء تمام اشکال مختلف انرژیهای شناخته شده تاکنون شامل (سوختهای فسیلی ذخیره شده درزمین، انرژی های بادی، آبشارها، امواج دریاها و...) موجود در کره زمین از خورشید می‌باشد.

انرژی خورشید همانند سایر انرژی ها بطور مستقیم یا غیر مستقیم می‌تواند به دیگر اشکال انرژی تبدیل شود، همانند گرما و الکتریسیته و.... ولیکن موانعی شامل (ضعف علمی و تکنیکی در تبدیل بعلت کمبود دانش و تجربه میدانی - متغیر و متناوب بودن مقدار انرژی به دلیل تغییرات جوی و فصول سال و جهت تابش - محدوده توزیع بسیار وسیع) موجب گردیده تا استفاده کمی از این انرژی

استفاده ازمنابع عظیم انرژی خورشید برای تولید انرژی الکتریسته، استفاده دینامیکی، ایجاد گرمایش محوطه‌ها و ساختمانها، خشک کردن تولیدات کشاورزی و تغییرات شیمیایی و..... اخیرا شروع گردیده‌است.

محتویات

تاریخچه

شناخت انرژی خورشیدی و استفاده از آن برای منظورهای مختلف به زمان ماقبل تاریخ باز می‌گردد. شاید به دوران سفالگری، در آن هنگام روحانیون معابد به کمک جام‌های بزرگ طلائی صیقل داده شده و اشعه خورشید، آتشدان‌های محرابها را روشن می‌کردند. یکی از فراعنه مصر معبدی ساخته بود که با طلوع خورشید درب آن باز و با غروب خورشید درب بسته می‌شد.

ولی مهم‌ترین روایتی که درباره استفاده از خورشید بیان شده داستان ارشمیدس دانشمند و مخترع بزرگ یونان قدیم می‌باشد که ناوگان روم را با استفاده از انرژی حرارتی خورشید به آتش کشید گفته می‌شود که ارشمیدس با نصب تعداد زیادی آئینه‌های کوچک مربعی شکل در کنار یکدیگر که روی یک پایه متحرک قرار داشته‌است اشعه خورشید را از راه دور روی کشتی‌های رومیان متمرکز ساخته و به این ترتیب آنها را به آتش کشیده‌است. در ایران نیز معماری سنتی ایرانیان باستان نشان دهنده توجه خاص آنان در استفاده صحیح و مؤثر از انرژی خورشید در زمان‌های قدیم بوده‌است.

با وجود آنکه انرژی خورشید و مزایای آن در قرون گذشته به خوبی شناخته شده بود ولی بالا بودن هزینه اولیه چنین سیستم‌هایی از یک طرف و عرضه نفت و گاز ارزان از طرف دیگر سد راه پیشرفت این سیستم‌ها شده بود تا اینکه افزایش قیمت نفت در سال ۱۹۷۳ باعث شد که کشورهای پیشرفته صنعتی مجبور شدند به مسئله تولید انرژی از راه‌های دیگر (غیر از استفاده سوختهای فسیلی) توجه جدی‌تری نمایند.

کاربردهای الکتریکی فتو ولتایک‌ ها را آزمایش می‌کنند یک فرایند که توسط آن انرژی نور خورشید به طور مستقیم به الکتریسیته تبدیل می‌شود. الکتریسیته می‌تواند به طور مستقیم از انرژی خورشید تولید شود و ابزارهای فتوولتایک استفاده کند یا به طور غیر مستقیم از ژنراتورهای بخار ذخایر حرارتی خورشیدی را برای گرما بخشیدن به یک سیال کاربردی مورد استفاده قرار می‌دهند.

انرژی فتو ولتائیک

انرژی فتو ولتایک تبدیل نور خورشید به الکتریسیته از طریق یک سلول فتو ولتاتیک (pvs) می‌باشد، که بطور معمول یک سلول خورشیدی نامیده می‌شود. سلول خورشیدی یک ابزار غیر مکانیکی است که معمولاً از آلیاژ سیلیکون می‏شود.

نور خورشید از فوتونها یا ذرات انرژی خورشیدی ساخته شده‌است. این فوتونها که مقادیر متغیر انرژی را شامل می‌شوند، درست مشابه با طول موجهای متفاوت طیفهای نوری هستند.

وقتی فوتونها به یک سلول فتو ولتاتیک بر خورد می‌کنند، ممکن است منعکس شوند، مستقیم از میان آن عبور کنند و یا جذب شوند. فقط فوتونهای جذب شده انرژی را برای تولید الکتریسیته فراهم می‌کنند. وقتی که نور خورشید کافی یا انرژی توسط جسم نیمه رسانا جذب شود، الکترونها از اتم‌های جسم جدا می‌شوند. (به دلیل اینکه آخرین الکترون یک اتم با گرفتن انرزی فوتون به لایه بالاتر رفته و می‌تواند از میدان پروتون خلاص شده و آزادانه در نیمه رسانا حرکت کند.)

رفتار خاص سطح جسم در طول ساختن باعث می‌شود سطح جلویی سلول که برای الکترون‌های آزاد بیشتر پذیرش یابد. بنا براین الکترون‌ها بطور طبیعی به سطح مهاجرت می‌کنند.

زمانی که الکترون‌ها موقعیت n را ترک می‌کنند، سوراخ‌هایی شکل می‌گیرد. تعداد الکترونها زیاد بوده و هر کدام یک بار منفی را حمل می‌کنند و به طرف جلو سطح سلول پیش می‌روند، در نتیجه عدم توازون بار بین سلولهای جلویی وسطوح عقبی یک پتانسیل ولتاژ شبیه قطب‌های مثبت ومنفی یک باطری ایجاد می‌شود.

وقتی که دو سطح از میان یک راه داخلی مرتبط می‌شود، الکتریسیته جریان می‌یابد.

سلول فتو ولتاتیک قاعده بلوک ساختمان یک سیستم PV است.

سلولهای انفرادی می‌توانند در اندازه‌هایی از حدود cm 1 تا cm۱۰ از این سو به آن سو متغیر باشند.

با این وجود، توان ۱یا ۲ وات تولید می‌کند، که برای بیشتر کار بردها این مقدار از انرژی کافی نیست. برای اینکه بازده انرژی را افزایش دهیم، سلولها بطور الکتریکی به داخل هوای بسته یک مدول سخت مرتبط می‌شود.

مدولها می‌توانند بیشتر برای شکل گیری یک آرایش مرتبط شوند.

اصطلاح آرایش به کل صفحه انرژی اشاره می‌کند، اگر چه آن از یک یا چند هزار مدول ساخته شده باشد، آن تعداد مدولهای مورد نیاز می‌توانند بهم مرتبط شوند برای اینکه اندازه آرایش مورد نیاز (تولید انرژی) را تشکیل دهند. اجرای یک آرایش فتو ولتاتیک به انرژی خورشید وابسته‌است.

شرایط آب وهوایی (همانند ابر و مه)تاثیر مهمی روی انرزی خورشیدی دریافت شده توسط یک آرایش pv و در عوض، اجرایی آن دارد. بیشتر تکنولوژی مدول‌های فتو ولتاتیک در حدود ۱۰ درصد موثر هستند در تبدیل انرژیخورشید با تحقیق بیشتر مرتبط شوند برای اینکه این کار را به ۲۰ درصدافزایش دهند.

سلولهای pv که در سال ۱۹۵۴ توسط تحقیقات تلفنی بل bell کشف شد حساسیت یک آب سیلیکونی حاضر به خورشید را به طور خاصی آزمایش کرد. ابتدا در گذشته در دهه ۱۹۵۰،pvs برای تامین انرژی قمرهای فضا در یک مورد استفاده قرار گرفتند.

موفقیت pvs در فضا کار بردهای تجاری برای تکنو لوژی pvs تولید کرد. ساده‌ترین سیستم‌های فتو ولتاتیک انرژی تعداد زیادی از ماشین حساب‌های کوچک و ساعتهای مچی که روزانه مورد استفاده قرار می‌گیرد را تأمین می‌کند.

بیشتر سیستم‌های پیچیده الکتریسیته را برای پمپاژ آب، انرژی ابزارهای ارتباطی، وحتی فراهم کردن الکتریسیته برای خانه هایمان فراهم می‌کنند.

تبدیل فتو ولتاتیک به چندین دلیل مفید است. تبدیل نور خورشیدبه الکتریسیته مستقیم است، بنابراین سیستم‌های تولید کننده مکانیکی به حجم زیادی لازم نیستند. خصوصیت مدولی انرژی فتو ولتاتیک اجازه می‌دهد به طور سریع آرایش‌ها در هر اندازه مورد نیاز یا اجازه داده شده نصب شوند.

همچنین، تاثیر محیطی یک سیستم فتو ولتاتیک حد اقل است، آب را برای سیستم نیاز ندارد پختن و تولید محصول فرعی نیست. سلولهای فتوولتاتیک، همانند باتریها، جریان مستقیم (dc)را تولید می‌کنند که به طور عمومی برای برای راههای کوچکی مورد استفاده‌است (ابزار الکترونیک). وقتی که جریان مستقیم از سلولهای فتوولتاتیک برای کاربردهای تجاری یا لحیم کردن کار بردهای الکتریکی استفاده می‌شود. راندمان سلولهای فتوولتایک در سال ۲۰۱۰ حدود ۱۷% می‌باشد و توان آن در تابش مستقیم آفتاب (۱۰۰۰ وات بر متر مربع) به ازای هر متر مربع حدود ۱۷۰ وات است.

شبکه‌های الکتریکی بایستی به جریان متناوب (AC)برای استفاده تبدیل کننده‌ها تبدیل شوند، Inverterها ابزارهایی هستند که جریان مستقیم را به جریان متناوب تبدیل می‌کنند. به طور تاریخی PVS در جاهای دور برای تولید الکتریسیته بکار گرفته شده‌است. با این وجود یک بازار برای تولید از PVS را توزیع کنند ممکن است با بی نظمی قیمتهای تبدیل و توزیع همزمان با بی نظمی الکتریکی توسعه داده شود.

جایگزین ژنراتوهای کوچک مقیاس عددی در تغذیه کنندهای الکتریکی می‌توانند اقتصاد واعتبار سیستم توزیع را بهبود بخشد.

کاربردهای انرژی خورشید

در عصر حاضر از انرژی خورشیدی توسط سیستم‌های مختلف استفاده می‌شود که عبارت‌اند از:

  1. استفاده از انرژی حرارتی خورشید برای مصارف خانگی، صنعتی و نیروگاهی.
  2. تبدیل مستقیم پرتوهای خورشید به الکتریسیته بوسیله تجهیزاتی به نام فتوولتائیک.

استفاده از انرژی حرارتی خورشید

این بخش از کاربردهای انرژی خورشید شامل دو گروه نیروگاهی و غیر نیروگاهی می‌باشد.

کاربردهای نیروگاهی

تأسیساتی که با استفاده از آنها انرژی جذب شده حرارتی خورشید به الکتریسیته تبدیل می‌شود نیروگاه حرارتی خورشیدی نامیده می‌شود این تأسیسات بر اساس انواع متمرکز کننده‌های موجود و بر حسب اشکال هندسی متمرکز کننده‌ها به سه دسته تقسیم می‌شوند:

  • نیروگاههایی که گیرنده آنها آینه‌های سهموی ناودانی هستند
  • نیروگاه‌هایی که گیرنده آنها در یک برج قرار دارد و نور خورشید توسط آینه‌های بزرگی به نام هلیوستات به آن منعکس می‌شود. (دریافت کننده مرکزی)
  • نیروگاه‌هایی که گیرنده آنها بشقابی سهموی (دیش) می‌باشد

قبل از توضیح در خصوص نیروگاه خورشیدی بهتر است شرح مختصری از نحوه کارکرد نیروگاه‌های تولید الکتریسیته داده شود. بهتر است بدانیم در هر نیروگاهی اعم از نیروگاههای آبی، نیروگاههای بخاری و نیروگاههای گازی برای تولید برق از ژنراتورهای الکتریکی استفاده می‌شود که با چرخیدن این ژنراتورها برق تولید می‌شود. این ژنراتورهای الکتریکی انرژی دورانی خود را از دستگاهی بنام توربین تأمین می‌کنند. بدین ترتیب می‌توان گفت که ژنراتورها انرژی جنبشی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. تأمین کننده انرژی جنبشی ژنراتورها، توربین‌ها هستند توربینها انواع مختلف دارند در نیروگاههای بخاری توربینهایی وجود دارند که بخار با فشار و دمای بسیار بالا وارد آنها شده و موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین می‌گردد. در نیروگاه‌های آبی که روی سدها نصب می‌شوند انرژی پتانسیل موجود در آب موجب به گردش در آمدن پره‌های توربین می‌شود.

بدین ترتیب می‌توان گفت در نیروگاههای آبی انرژی پتانسیل آب به انرژی جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود، در نیروگاههای حرارتی بر اثر سوختن سوختهای فسیلی مانند مازوت، آب موجود در سیستم بسته نیروگاه داخل دیگ بخار (بویلر) به بخار تبدیل می‌شود و بدین ترتیب انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود در نیروگاههای گازی توربینهایی وجود دارد که بطور مستقیم بر اثر سوختن گاز به حرکت درآمده و ژنراتور را می‌گرداند و انرژی حرارتی به جنبشی و سپس به الکتریکی تبدیل می‌شود. و اما در نیروگاههای حرارتی خورشیدی وظیفه اصلی بخش‌های خورشیدی تولید بخار مورد نیاز برای تغذیه توربینها است یا به عبارت دیگر می‌توان گفت که این نوع نیروگاهها شامل دو قسمت هستند:

  • سیستم خورشیدی که پرتوهای خورشید را جذب کرده و با استفاده از حرارت جذب شده تولید بخار می‌نماید.
  • سیستمی موسوم به سیستم سنتی که همانند دیگر نیروگاههای حرارتی بخار تولید شده را توسط توربین و ژنراتور به الکتریسیته تبدیل می‌کند.

نیروگاههای حرارتی خورشید از نوع سهموی خطی

در این نیروگاهها، از منعکس کننده‌هایی که به صورت سهموی - خطی می‌باشند جهت تمرکز پرتوهای خورشید در خط کانونی آنها استفاده می‌شود و گیرنده به صورت لوله‌ای در خط کانونی منعکس کننده‌ها قرار دارد. در داخل این لوله روغن مخصوصی در جریان است که بر اثر حرارت پرتوهای خورشید گرم و داغ می‌گردد.

روغن داغ از مبدل حرارتی عبور کرده و آب را به بخار به مدارهای مرسوم در نیروگاههای حرارتی انتقال داده می‌شود تا به کمک توربین بخار و ژنراتور به توان الکتریکی تبدیل گردد.

برای بهره‌گیری بیشتر و افزایش بازدهی لوله دریافت کننده سطح آن را با اکسید فلزی که ضریب بالایی دارد پوشش می‌دهند و همچنین در محیط اطراف آن لوله شیشه‌ای به صورت لفاف پوشیده می‌شود تا از تلفات گرمایی و افت تشعشعی جلوگیری گردد و نیز از لوله دریافت کننده محافظت بعمل آید.

ضمناً بین این دو لوله خلاء بوجود می‌آوردند برای آنکه پرتوهای تابشی خورشید در تمام طول روز به صورت مستقیم به لوله دریافت کننده برسد.

در این نیروگاهها یک سیستم ردیاب خورشید نیز وجود دارد که بوسیله آن آینه‌های شلجمی دائماً خورشید را دنبال می‌کنند و پرتوهای آن را روی لوله دریافت کننده متمرکز می‌نمایند.

تغییرات تابش خورشید در این نیروگاهها توسط منبع ذخیره و گرمکن سوخت فسیلی جبران می‌شوند. در چند کشور نظیر ایالات متحده آمریکا – اسپانیا – مصر – مکزیک – هند و مراکش از نیروگاه‌های سهموی خطی استفاده شده‌است که این نیروگاهها یا در مرحله ساخت و یا در مرحله بهره‌برداری قرار دارند. در ایران نیز تحقیقات و مطالعاتی در زمینه این نیروگاهها انجام شده و پروژه یک نیروگاه تحقیقاتی با ظرفیت ۳۵۰ کیلووات توسط سازمان انرژیهای نو ایران در شیراز در حال انجام می‌باشد و انتظار می‌رود تا پایان سال ۸۳ به بهره‌برداری برسد.

کلیه مراحل مطالعاتی، طراحی و ساخت این نیروگاه به طور کامل توسط مختصصین و مهندسان ایرانی انجام می‌پذیرد.

بدیهی است که با افزایش ظرفیت فنی و علمی که در اثر اجرای پروژه نیروگاه خورشیدی شیراز عابد محققین مجرب ایرانی می‌شود ایران در زمره محدود کشورهای سازنده نیروگاه‌های خورشید از نو ع متمرکز کننده‌های سهموی خطی قرار خواهند گرفت.

نیروگاههای حرارتی از نوع دریافت کننده مرکزی

در این نیروگاه‌ها پرتوهای خورشیدی توسط مزرعه‌ای متشکل از تعداد زیادی آینه منعکس کننده بنام هلیوستات بر روی یک دریافت کننده که در بالای برج نسبتاً بلندی استقرار یافته‌است متمرکز می‌گردد. در نتیجه روی محل تمرکز پرتوها انرژی گرمایی زیادی بدست می‌آید که این انرژی بوسیله سیال عامل که داخل دریافت کننده در حرکت است، جذب می‌شود و بوسیله مبدل حرارتی به سیستم آب و بخار مرسوم در نیروگاه‌های سنتی منتقل شده و بخار فوق گرم در فشار و دمای طراحی شده برای استفاده در توربین ژنراتور تولید می‌گردد.

این سیال عامل در مبدلهای حرارتی در کنار آب قرار گرفته و موجب تبدیل آن به بخار با فشار و حرارت بالا می‌گردد. در برخی از سیستم‌ها سیال عامل آب است و مستقیماً در داخل دریافت کننده به بخار تبدیل می‌شود.

برای استفاده دائمی از این نوع نیروگاه در زمانی که تابش خورشید وجود ندارد مثلاً ساعات ابری یا شبها از سیستم‌های ذخیره کننده حرارت و یا احیاناً از تجهیزات پشتیبانی که ممکن است از سوخت فسیلی استفاده کنند جهت ایجاد بخار برای تولید برق کمک گرفته می‌شود.

مطالعات و تحقیقات در زمینه فناوری و سیستمهای این نیروگاه‌ها ادامه دارد و آزمایشگاهها و مؤسسات متعددی در سراسر دنیا در این زمینه فعالیت می‌کنند.

مطالعات ساخت اولین نیروگاه خورشیدی ایران از نوع دریافت کننده مرکزی توسط سازمان انرژیهای نو ایران و با کمک شرکتهای مشاور و سازنده داخلی با ظرفیت یک مگاوات و سیال عامل آب و بخار در طالقان جریان دارد. کلیه مطالعات اولیه و پتانسیل سنجی و طراحی نیروگاه به انجام رسیده و یک نمونه هلیوستات نیز ساخته شده‌است.

نیروگاه‌های حرارتی از نوع بشقابی

در این نیروگاهها از منعکس کننده‌هایی که به صورت شلجمی بشقابی می‌باشد جهت تمرکز نقطه‌ای پرتوهای خورشیدی استفاده می‌گردد و گیرنده‌هایی که در کانون شلجمی قرار می‌گیرند به کمک سیال جاری در آن انرژی گرمایی را جذب نموده و به کمک یک ماشین حرارتی و ژنراتور آن را به نوع مکانیکی و الکتریکی تبدیل می‌نماید.

دودکش‌های خورشیدی

روش دیگر برای تولید الکتریسیته از انرژی خورشید استفاده از برج نیرو یا دودکش‌های خورشیدی می‌باشد در این سیستم از خاصیت دودکش‌ها استفاده می‌شود به این صورت که با استفاده از یک برج بلند به ارتفاع حدود ۲۰۰ متر و تعداد زیادی گرم خانه‌های خورشیدی که در اطراف آن است هوای گرمی که بوسیله انرژی خورشیدی در یک گرمخانه تولید می‌شود و به طرف دودکش یا برج که در مرکز گلخانه‌ها قرار دارد، هدایت می‌شود.

این هوای گرم بعلت ارتفاع زیاد برج با سرعت زیاد صعود کرده و با عث چرخیدن پروانه و ژنراتوری که در پایین برج نصب شده‌است می‌گردد و بوسیله این ژنراتور برق تولید می‌شود هم اکنون یک نمونه از این سیستم در ۱۶۰ کیلومتری جنوب مادرید احداث گردیده که ارتفاع برج آن به ۲۰۰ متر می‌رسد.

مزایای نیروگاههای خورشیدی

نیروگاه‌های خورشیدی که انرژی خورشید را به برق تبدیل می‌کنند امید است در آینده با مزایای قاطعی که در برابر نیروگاه‌های فسیلی و اتمی دارند به خصوص اینکه سازگار با محیط زیست می‌باشند، مشکل برق بخصوص در دوران اتمام ذخائر نفت و گاز را حل نمایند. تأسیس و بکارگیری نیروگاه‌های خورشیدی آینده‌ای پر ثمر و زمینه‌ای گسترده را برای کمک به خودکفایی و قطع وابستگی کشور به صادرات نفت فراهم خواهد کرد. اکنون شایسته‌است که به ذکر چند مورد از مزایای این نیروگاه‌ها بپردازیم.

الف) تولید برق بدون مصرف سوخت

نیروگاه‌های خورشیدی نیاز به سوخت ندارند و برخلاف نیروگاه‌های فسیلی که قیمت برق تولیدی آنها تابع قیمت نفت بوده و همیشه در حال تغییر می‌باشد. در نیروگاه‌های خورشیدی این نوسان وجود نداشته و می‌توان بهای برق مصرفی را برای مدت طولانی ثابت نگهداشت.

ب) عدم احتیاج به آب زیاد

نیروگاه‌های خورشیدی بخصوص دودکشهای خورشیدی با هوای گرم احتیاج به آب ندارند لذا برای مناطق خشک مثل ایران بسیار حائز اهمیت می‌باشند. (نیروگاه‌های حرارتی سنتی هنگام فعالیت نیاز به آب مصرفی زیادی دارند).

ت) امکان تأمین شبکه‌های کوچک و ناحیه‌ای

نیروگاه‌های خورشیدی می‌توانند با تولید برق به شبکه سراسری برق نیرو برسانند و در عین امکان تأمین شبکه‌های کوچک ناحیه‌ای، احتیاج به تأسیس خطوط فشار قوی طولانی جهت انتقال برق ندارند و نیاز به هزینه زیاد احداث شبکه‌های انتقال نمی‌باشد.

ث) استهلاک کم و عمر زیاد

نیروگاه‌های خورشیدی بدلایل فنی و نداشتن استهلاک زیاد دارای عمر طولانی می‌باشند در حالی که عمر نیروگاه‌های فسیلی بین ۱۵ تا ۳۰ سال محاسبه شده‌است.

ج) عدم احتیاج به متخصص

نیروگاه‌های خورشیدی احتیاج به متخصص عالی ندارند و می‌توان آنها را بطور اتوماتیک بکار انداخت، در صورتی که در نیروگاه‌های اتمی وجود متخصصین در سطح عالی ضروری بوده و این دستگاهها احتیاج به مراقبتهای دائمی و ویژه دارند.

کاربردهای غیر نیروگاهی

کابردهای غیر نیروگاهی از انرژی حرارتی خورشید شامل موارد متعددی می‌باشد که اهم آنها عبارت‌اند از: آبگرمکن و حمام خورشیدی – سرمایش و گرمایش خورشیدی – آب شیرین کن خورشیدی – خشک کن خورشیدی – اجاق خورشیدی – کوره‌های خورشیدی و خانه‌های خورشیدی.

الف – آبگرمکن‌های خورشیدی و حمام خورشیدی

تولید آب گرم تهیه آب گرم بهداشتی در منازل و اماکن عمومی به خصوص در مکانهایی که مشکل سوخت رسانی وجود دارد استفاده کرد. چنانچه ظرفیت این سیستمها افزایش یابد می‌توان از آنها در حمامهای خورشیدی نیز استفاده نمود. تاکنون با توجه به موقعیت جغرافیایی ایران تعداد زیادی آب گرمکن خورشیدی و چندین دستگاه حمام خورشیدی در نقاط مختلف کشور از جمله استان‌های خراسان، سیستان و بلوچستان، یزد و کرمان نصب و راه اندازی شده‌است.

ب – گرمایش و سرمایش ساختمان و تهویه مطبوع خورشیدی

[[اولین خانه خورشیدی در سال ۱۹۳۹ساخته شد که در آن از مخزن گرمای فصلی برای بکارگیری گرمای آن در طول سال استفاده شده‌است.]] گرمایش و سرمایش ساختمانها با استفاده از انرژی خورشید، ایده تازه‌ای بود که در سالهای ۱۹۳۰ مطرح شد و در کمتر از یک دهه به پیشرفتهای قابل توجهی رسید. با افزودن سیستمی معروف به سیستم تبرید جذبی به سیستم‌های خورشیدی می‌توان علاوه بر آب گرم مصرفی و گرمایش از این سیستم‌ها در فصول گرما برای سرمایش ساختمان نیز استفاده کرد.

پ – آب شیرین کن خورشیدی

هنگامی که حرارت دریافت شده از خورشید با درجه حرارت کم روی آب شور اثر کند تنها آب تبخیر شده و املاح باقی می‌ماند.

سپس با استفاده از روشهای مختلف می‌توان آب تبخیر شده را تنظیم کرده و به این ترتیب آب شیرین تهیه کرد. با این روش می‌توان آب بهداشتی مورد نیاز در نقاطی که دسترسی به آب شیرین ندارند مانند جزایر را تأمین کرد.

آب شیرین کن خورشیدی در دو اندازه خانگی و صنعتی ساخته می‌شوند. در نوع صنعتی با حجم بالا می‌توان برای استفاده شهرها آب شیرین تولید کرد.

ت – خشک کن خورشیدی

خشک کردن مواد غذایی برای نگهداری آنها از زمانهای بسیار قدیم مرسوم بوده و انسان‌های نخستین خشک کردن را یک هنر می‌دانستند.

خشک کردن عبارت است از گرفتن قسمتی از آب موجود در مواد غذایی و سایر محصولات که باعث افزایش عمر انباری محصول و جلوگیری از رشد باکتریها می‌باشد. در خشک کن‌های خورشیدی بطور مستقیم و یا غیر مستقیم از انرژی خورشیدی جهت خشک نمودن مواد استفاده می‌شود و هوا نیز به صورت طبیعی یا اجباری جریان یافته و باعث تسریع عمل خشک شدن محصول می‌گردد. خشک کن‌های خورشیدی در اندازه‌ها و طرحهای مختلف و برای محصولات و مصارف گوناگون طراحی و ساخته می‌شوند.

ث – اجاقهای خورشیدی

دستگاههای خوراک پز خورشیدی اولین بار بوسیله شخصی بنام نیکلاس ساخته شد. اجاق او شامل یک جعبه عایق بندی شده با صفحه سیاهرنگی بود که قطعات شیشه‌ای درپوش آنرا تشکیل می‌داد اشعه خورشید با عبور از میان این شیشه‌ها وارد جعبه شده و بوسیله سطح سیاه جذب می‌شد سپس درجه حرارت داخل جعبه را به ۸۸ درجه افزایش می‌داد. اصول کار اجاق خورشیدی جمع آوری پرتوهای مستقیم خورشید در یک نقطه کانونی و افزایش دما در آن نقطه می‌باشد. امروزه طرحهای متنوعی از این سیستم‌ها وجود دارد که این طرحها در مکانهای مختلفی از جمله آفریقای جنوبی آزمایش شده و به نتایج خوبی نیز رسیده‌اند. استفاده از این اجاقها به ویژه در مناطق شرقی کشور ایران که با مشکل کمبود سوخت مواجه می‌باشند بسیار مفید خواهد بود....

ج – کوره خورشیدی

در قرن هجدهم نوتورا اولین کوره خورشیدی را در فرانسه ساخت و بوسیله آن یک تل چوبی را در فاصله ۶۰ متری آتش زد.

بسمر پدر فولاد جهان نیز حرارت مورد نیاز کوره خود را از انرژی خورشیدی تأمین می‌کرد. متداولترین سیستم یک کوره خورشیدی متشکل از دو آینه یکی تخت و دیگری کروی می‌باشد. نور خورشید به آینه تخت رسیده و توسط این آینه به آینه کروی بازتابیده می‌شود. طبق قوانین اپتیک هر گاه دسته پرتوی موازی محور آینه با آن برخورد نماید در محل کانون متمرکز می‌شوند به این ترتیب انرژی حرارتی گسترده خورشید در یک نقطه جمع می‌شود که این نقطه به دماهای بالایی می‌رسد. امروزه پروژه‌های متعددی در زمینه کوره‌های خورشید در سراسر جهان در حال طراحی و اجراء می‌باشد.

چ – خانه‌های خورشیدی

ایرانیان باستان از انرژی خورشیدی برای کاهش مصرف چوب در گرم کردن خانه‌های خود در زمستان استفاده می‌کردند. آنان ساختمانها را به ترتیبی بنا می‌کردند که در زمستان نور خورشید به داخل اتاقهای نشیمن می‌تابید ولی در روزهای گرم تابستان فضای اتاق در سایه قرار داشت. در اغلب فرهنگ‌های دیگر دنیا نیز می‌توان نمونه‌هایی از این قبیل طرحها را مشاهده نمود. در سالهای بین دو جنگ جهانی در اروپا و ایالات متحده طرحهای فراوانی در زمینه خانه‌های خورشیدی مطرح و آزمایش شد. از آن زمان به بعد تحول خاصی در این زمینه صورت نگرفت. حدود چند سالی است که معماران بطور جدی ساخت خانه‌های خورشیدی را آغاز کرده‌اند و به دنبال تحول و پیشرفت این تکنولوژی به نتایج مفیدی نیز دست یافته‌اند مثلاً در ایالات متحده در سال ۱۸۹۰ به تنهایی حدود ۱۰ تا ۲۰ هزار خانه خورشیدی ساخته شده‌است. در این گونه خانه‌ها سعی می‌شود از انرژی خورشید برای روشنایی – تهیه آب گرم بهداشتی – سرمایش و گرمایش ساختمان استفاده شود و با بکار بردن مصالح ساختمانی مفید از اتلاف گرما و انرژی جلوگیری شود.

در ایران نیز پروژه ساخت اولین ساختمان خورشیدی واقع در ضلع شمالی دانشگاه علم و صنعت و به منظور مطالعه و پژوهش در خصوص بهینه سازی مصرف انرژی و امکان بررسی روشهای استفاده از انواع انرژیهای تجدیدپذیر به ویژه انرژی خورشیدی اجرا گردیده‌است.

سیستمهای فتوولتاییک

به پدیده‌ای که در اثر تابش نور بدون استفاه از مکانیزم‌های محرک، الکتریسیته تولید کند پدیده فتوولتائیک و به هر سیستمی که از این پدیده‌ها استفاده کند سیستم فتوولتائیک گویند. سیستم‌های فتوولتائیک یکی از پر مصرف‌ترین کاربرد انرژی‌های نو می‌باشند و تاکنون سیستم‌های گوناگونی با ظرفیت‌های مختلف (۵/۰ وات تا چند مگاوات) در سراسر جهان نصب و راه اندازی شده‌است و با توجه به قابلیت اطمینان و عملکرد این سیستم‌ها هر روزه بر تعداد متقاضیان آنها افزوده می‌شود. از سری و موازی کردن سلولهای آفتابی می‌توان به جریان و ولتاژ قابل قبولی دست یافت. در نتیجه به یک مجموعه از سلولهای سری و موازی شده پنل (Panel) فتوولتائیک می‌گویند. امروزه اینگونه سلولها عموماً از ماده سیلیسیم تهیه می‌شود و سیلیسیم مورد نیاز از شن و ماسه تهیه می‌شود که در مناطق کویری کشور، به فراوانی یافت می‌گردد. بنابراین از نظر تأمین ماده اولیه این سلولها هیچگونه کمبودی در ایران وجود ندارد. سیستمهای فتوولتائیک را می‌توان بطور کلی به دو بخش اصلی تقسیم نمود که بطور خلاصه به توضیح آنها می‌پردازیم.

۱ – پنلهای خورشیدی

این بخش در واقع مبدل انرژی تابشی خورشید به انرژی الکتریکی بدون واسطه مکانیکی می‌باشد. این بخش در واقع کلیه مشخصات سیستم را کنترل کرده وتوان ورودی پنلها را طبق طراحی انجام شده و نیاز مصرف کننده به بار یا باتری تزریق و کنترل می‌کند. لازم به ذکر است که در این بخش مشخصات و عناصر تشکیل دهنده با توجه به نیازهای بار الکتریکی و مصرف کننده و نیز شرایط آب و هوایی محلی تغییر می‌کند.

۲ – مصرف کننده یا بار الکتریکی

با توجه به خروجی DC پنلهای فتوولتائیک، مصرف کننده می‌تواند دو نوع DC یا AC باشد، همچنین با آرایشهای مختلف پنلهای فتوولتائیک می‌توان نیاز مصرف کنندگان مختلف را با توانهای متفاوت تأمین نمود. با توجه به کاهش روز افزون ذخائر سوخت فسیلی و خطرات ناشی از بکارگیری نیروگاههای اتمی، گمان قوی وجود دارد که در آینده‌ای نه چندان دور سلولهای خورشیدی به انرژی برق به‌عنوان جایگزین مناسب و بی خطر برای سوختهای فسیلی و نیروگاههای اتمی توسط بشر بکار گرفته شود.

مصارف و کاربردهای فتوولتائیک

  • مصارف فضانوردی و تأمین انرژی مورد نیاز ماهواره‌ها جهت ارسال پیام
  • روشنایی خورشیدی:

در حال حاضر روشنایی خورشیدی بالاترین میزان کاربرد سیستم‌های فتوولتائیک را در سراسر جهان دارد و سالانه دهها هزار نمونه از این سیستم در سراسر جهان نصب و راه اندازی می‌گردد، مانند برق جاده‌ها و تونلها بخصوص در مناطقی که به شبکه برق دسترسی ندارند، تأمین برق پاسگاههای مرزی که دور از شبکه برق هستند، تأمین برق مناطقی شکاربانی و مناطق حفاظت شده نظیر جزیره‌های دور افتاده که جنبه نظامی دارند.

  • سیستم تغذیه کننده یک واحد مسکونی:

انرژی مورد نیاز کلیه لوازم برقی منازل (شهری و روستایی) و مراکز تجاری را می‌توان با استفاده از پنلهای فتوولتائیک و سیستمهای ذخیره کننده و کنترل نسبتاً ساده، تأمین نمود.

  • سیستم پمپاژ خورشیدی:

سیستم پمپهای فتوولتائیک قابلیت استحصال آب از چاهها، قنوات، چشمه‌ها، رودخانه‌ها و ….. را جهت مصارف متنوعی دارا می‌باشد.

  • سیستم تغذیه کننده ایستگاههای مخابراتی و زلزله نگاری:

اغلب ایستگاههای مخابراتی و یا زلزله نگاری در مکانهای فاقد شبکه سراسری و سخت‌گذر و یا در محلی که احداث پست فشار قوی به فشار ضعیف و تأمین توان الکتریکی ایستگاه مذکور صرفه اقتصادی و حفاظت الکتریکی ندارد نصب شده‌اند.

  • ماشین حساب، ساعت، رادیو، ضبط صوت و وسایل بازی کودکانه یا هر نوع وسیله‌ای که تاکنون با باطری خشک کار می‌کرده‌است یکی دیگر از کاربردهای این سیستم می‌باشد.

مثلاً ژاپن در سال ۱۹۸۳ حدود ۳۰ میلیون ماشین حساب خورشیدی تولید کرده‌است که سلولهای خورشیدی بکار گرفته در آنها مساحتی حدود ۰۰۰/۲۰ متر مربع و توان الکتریکی معادل ۵۰۰ کیلووات داشته‌اند.

  • نیروگاههای فتوولتائیک:

هم‌زمان با استفاده از سیستم‌های فتوولتائیک در بخش انرژی الکتریکی مورد نیاز ساختمانها اطلاعات و تجربیات کافی جهت احداث واحدهای بزرگ‌تر حاصل گردید و همه اکنون در بسیاری از کشورهای جهان نیروگاه فتوولتائیک در واحدهای کوچک و بزرگ و به صورت اتصال به شبکه و یا مستقل از شبکه نصب و راه اندازی شده‌است ولی این تأسیسات دارای هزینه ساخت، راه اندازی و نگهداری بالایی می‌باشند که فعلاً مقرون به صرفه و اقتصادی نیست.

  • یخچالهای خورشیدی:

از یخچالهای خورشیدی جهت سرویس دهی و ارائه خدمات بهداشتی و تغذیه‌ای در مناطق دور افتاده و سخت‌گذر استفاده می‌گردد. عملکرد مناسب یخچالهای خورشیدی تا حدی بوده‌است که در طی ۵ سال گذشته بیش از ۱۰۰۰۰ یخچال خورشیدی برای کاربردهای بهداشتی و درمانی در سراسر آفریقا راه اندازی شده‌است.

  • سیستم تغذیه کننده پرتابل یا قابل حمل:

قابلیت حمل و نقل و سهولت در نصب و راه اندازی از جمله مزایای این سیستم‌ها می‌باشد بازده توان این سیستم‌ها از ۱۰۰ وات الی یک کیلو وات تعریف شده‌است. از جمله کاربردهای آن می‌توان به تأمین برق اضطراری در مواقع بروز حوادث غیر مترقبه، سیستم تغذیه کننده یک چادر عشایری و کمپ‌های جنگلی اشاره نمود.



  • پی اس پی
  • بک لینک انبوه