Этот блог посвящен солнечной энергетике. Как выбрать инвертор и солнечные батареи, как все рассчитать. В основе работы солнечной батареи лежат сложные процессы, связанные с поглощением света веществом и превращением электромагнитных волн – фотонов в упорядоченное движение электронов, которые создают электрический ток. Вы можете почитать более подробно про процессы, происходящие в солнечном элементе здесь www.pv-sys.ru. Если попытаться понять, как все происходит, то это движение к истине будет напоминать матрешку наоборот. Мы начнем с маленькой матрешки и будем двигаться все к большим и большим вопросам.
Фотон сначала хорошо описывается волновым электромагнитным пакетом какой-то частоты и какой-то длины.
Падая на вещество, этот электромагнитный волновой пакет (фотон) заставляет колебаться атомы вещества. Эти колебания атомов являются источниками вторичных волн. Мы видим, как свет отражается и преломляется благодаря вторичным волнам. Почему атомы реагируют на электромагнитную волну? По определению атом электронейтрален. Но вспомним, что атом — это неоднородный объект, вокруг массивного положительно заряженного ядра по орбитам движутся отрицательно заряженные легкие электроны. Именно они, по большей мере, реагируют на переменное электромагнитное поле. Все вроде бы объяснимо. Но каков механизм взаимодействия электрона и волнового электромагнитного пакета фотона? На этот вопрос дает ответ квантовая механика. Электрон вещества поглощает только те фотоны, которые дают ему энергию для перехода на другие уровни. Причем эти уровни расположены не хаотично, а имеют строго определенное значение. Говорят, что они, уровни энергии, квантуются. В Википедии Квант (от лат. quantum — «сколько») — неделимая часть какой-либо величины в физике, например энергии. На рисунке схематически показан процесс поглощения и испускания фотона электроном при изменении его орбиты. Радиус орбиты связан с энергией, и эта энергия может принимать только строго определенные значения для данного атома. Ядро также поглощает и испускает частицы, но там все сложнее.
Так как поглощаются и испускаются только те фотоны, которые позволяют перейти электрону атома на другую орбиту, то все остальные фотоны проходят сквозь вещество. Из-за этого стекло или кварц пропускает видимый свет, а кремний пропускает инфракрасное излучение и не пропускает видимый свет.
Но наука не может оперировать, просто описывая те или иные явления и объясняя на пальцах, как это происходит. Требуется численный результат, полученный в теории, и проверка его в экспериментах. Требуются предсказание поведения частиц и последующее экспериментальное подтверждение. Существует ли теория, которая способна сделать это?
Поведение частиц подчиняется законам квантовой механики и уравнение их движения было выведено Шредингером в 1925 году.
Здесь Ψ – волновая функция, квадрат модуля которой есть вероятность обнаружить искомую величину в том или ином диапазоне. Иными словами, если решить уравнение Шредингера для наших заданных условий, то результатом будет искомая функция Ψ. Квадрат модуля которой покажет вероятность нахождения нашей частицы в точке с координатами x, y, z. Можно определить вероятность импульса, энергии данной частицы. Не будем подробно углубляться в уравнение Шредингера про него можно прочитать здесь Как работает солнечный элемент, он же ФЭП | Солнечные электростанции (pv-sys.ru) или любой другой литературе, посвященной основам квантовой механики. Важно понимать, что мы отказались от идеи построить мир с конкретными значениями параметров и перешли к вероятности их обнаружения. Скорость, координата, импульс, энергия могут быть обнаружены у частицы только с какой-либо вероятностью. И это закон.
Была иллюзия, что существуют пока неизвестные, скрытые от нас поправки к уравнениям, которые позволят вернуться к точному описанию поведения частицы. Эти попытки предпринимались Эйнштейном, что существенно затормозило развитие квантовой механики. Точка была поставлена Беллом, который математически доказал несостоятельность теории скрытых параметров. Неравенство Белла было подтверждено экспериментально. Статью можно найти в Википедии.
Если в уравнении Шредингера изменить отсчет времени и координат, физики говорят об одновременном изменении фазы волновой функции, то оно не изменится. Глобальные преобразования не влияют на вид уравнения.
Давайте уберем требование к единству фазы волновой функции во всех точках пространства. Появится зависимость фазы от координаты. Локальные преобразования привели к тому, что уравнение изменилось. Говорят, что уравнение не инвариантно к локальным преобразованиям.
Как сделать чтобы уравнение опять работало правильно? Ввести в уравнение добавочные члены, которые вернули бы уравнение к правильному виду. Эти добавочные члены в уравнении назвали калибровочным полем.
На рисунке, взятом из интернета, показан этот процесс. Волновая функция представлена в виде окружностей разного размера в трех различных точках пространства. Стрелкой показана фаза волновой функции. На средней картинке произошла эволюция системы, т.е. в системе начал проходить какой-то процесс. Видно, что фазы волновой функции изменились, каждая по-своему в трех точках пространства. Это локальное изменение каждой фаза. На третьей картинке и показано, что введение накладывания дополнительного калибровочного поля приводит к восстановлению исходной картины волновой функции – стрелка от третьей к первой картинке.
Но что это нам дает? Чисто математический трюк, чтобы сделать уравнения инвариантными неизменными относительно локальных изменений.
Волновая функция относится к поведению электрона, ее квадрат — это вероятность того, что электрон будет обнаружен в данной точке пространства. Локальное изменение волновой функции — это результат взаимодействия электрона с полем. Эти изменения можно описать калибровочным полем, введением дополнительных слагаемых в уравнение. Но эти добавочные слагаемые поразительно похожи на скалярные и векторные потенциалы из уравнения Максвелла для электромагнитной волны. Эти электромагнитные поля должны быть безмассовыми. Но локализованная в пространстве электромагнитная волна с нулевой массой — это фотон!!! Мы получили инструмент для расчета взаимодействия фотона и электрона вещества. Математика, которая стоит за этим очень сложна, но качественное описание мы получили.
Конечно, это далеко не окончательный взгляд на вопрос взаимодействия фотона с веществом. Физика постоянно развивает свой подход к природе вещества. Все более новые математические методы, которые касались ранее чистой математики, нашли использование в создании моделей материи.
