Новини по физика 8 март 2012 г
| Сайт за търсене: |
| Лично влизане |
LED преобразува топлината в светлина
Светодиодът (LED), който излъчва повече светлинна енергия, отколкото консумира електрическа енергия, беше открит от изследователи в САЩ. Устройството, което има типична ефективност от над 200%, се държи като вид оптична термопомпа, която преобразува вибрациите на решетката в инфрачервени фотони, охлаждайки околната среда в процеса. Възможността за такова устройство е предсказана за първи път през 1957 г., но все още не са създадени практически версии. Потенциалните приложения на това явление включват енергийно ефективно осветление и криогенно охлаждане.
Енергията на фотоните, излъчвани от светодиод, се определя от ширината на забранената лента на използвания полупроводник - енергията, необходима за създаване на двойка електрон-дупка. Когато електрон и дупка се рекомбинират в радиационен процес, фотонът отнася излишната енергия. Напрежението върху светодиода създава двойки електрон-дупка, но стойността му не влияе на енергията на фотона, тъй като ширината на полупроводниковата лента е постоянна характеристика на всеки материал.
Отделните фотони обаче могат да имат различна енергия от тази на забранената лента. По-голямата част от рекомбинациите електрон-дупка наистина водят до освобождаване на топлина, която се абсорбира от полупроводника под формата на квантувани вибрации на решетката, наречени фонони. Тези флуктуации създават термостат, който след това може да увеличи енергията на фотоните, произведени от радиационна рекомбинация. През 1957 г. Ян Таук от Института по техническа физика в Прага забеляза, че такъв механизъм осигурява отвеждане на топлиналъчение от решетката на полупроводника и по принцип няма бариера пред светодиода да има ефективност над 100%, в който случай светодиодът действително би охладил околната среда.
Съгласно втория закон
На пръв поглед тази трансформация на безполезна топлина в полезни фотони може да изглежда като нарушение на основните закони на термодинамиката, но водещият изследовател Партибан Сантанам от Масачузетския технологичен институт обяснява, че процесът е напълно в съответствие с втория закон на термодинамиката. „Най-противоречивият аспект на този резултат е, че обикновено не мислим за светлината като за форма на топлина. Обикновено пренебрегваме ентропията и мислим за светлината като за работа“, обяснява той. „Ако фотоните нямат ентропия (т.е. ако те са форма на работа, а не топлина), тогава това ще наруши втория закон. Вместо това, ентропията се появява в изходящите фотони, така че вторият закон е валиден.
Въпреки физическата валидност, през последните пет години никой не е успял да демонстрира LED, който действително охлажда околната среда. Някои изследователи са се опитали да увеличат броя на произведените фотони чрез увеличаване на напрежението на отклонение в светодиода, но това също така увеличава топлината, произведена при нерадиационни рекомбинации.
Но Сантанам и колегите му направиха обратното и намалиха преднапрежението до само 70 микроволта. В допълнение, те нагряват светодиода до 135°C, за да осигурят по-висока температура на мрежата. В този режим по-малко от 0,1% от електроните, преминаващи през светодиода, произвеждат фотони. Въпреки това, когато изследователите измерват най-малката инфрачервена мощност, излъчвана от LED, те откриват, че 70 pW мощност на LEDизлъчен, докато от него са били консумирани само 30 pW, тоест ефективност над 200%. Това е така, защото когато напрежението се доближи до нула, както светлинният поток, така и загубата на мощност също клонят към нула. Разсейването на мощността обаче е пропорционално на квадрата на тока, а светлинният поток е пропорционален на тока - следователно удвояването на преднапрежението удвоява ефективността.
Едно възможно приложение на ефекта е хладилно устройство, което отвежда топлината под формата на светлина. Като експерт в областта, Юка Тулки от университета Аалто във Финландия каза пред physicsworld.com, „Мисля, че това е исторически значимо постижение. което в крайна сметка може да доведе до по-полезни и технически значими приложения.“ Той обаче предупреждава, че охлаждащият капацитет на това устройство е изключително нисък и не е достатъчен за каквото и да е практическо приложение.
Междувременно Сантанам вярва, че принципът има приложения извън охлаждането. „Личното ми мнение е, че е по-вероятно да бъде полезен като източник на светлина“, казва той. „Хладилниците са полезни най-вече, когато са големи, но източниците на светлина се използват навсякъде. По-специално, източниците на светлина за спектроскопия и комуникации не е необходимо да бъдат много ярки. Просто трябва да са достатъчно ярки, за да се открояват достатъчно ясно от част от фоновия шум."