Proiectarea unei centrale electrice hibride de foarte mică putere

I. CONVERTOARE FOTOELECTRICE

1. Lumina

Lumina, cea care a reprezentat o mare necunoscută mii de ani, pentru om reprezintă o permanentă necesitate a vieţii şi activităţii acestuia. Oricine îi admitea existenţa şi putea să o producă cu uşurinţă dar nimeni nu ştia ce este. Cele mai vechi păreri despre lumină aparţin unor filozofi ai Greciei antice şi încă de atunci şi până în secolul al XVII-lea în domeniul opticii s-au aflat puţine lucruri noi. Optica dispunea de o noţiune clară şi anume raza de lumină şi de două legi, cea a reflexiei şi a refracţiei care îşi găsiseră confirmarea în numeroase experimente. Fizicienii secolului al XVII-lea au căzut de acord că propagarea luminii este în linie dreaptă sub formă de raze. La sfârşitul secolului al XVII-lea şi începutul secolului al XVIII-lea s-au formulat două teorii care să surprindă esenţa fenomenului numit lumină.

Teoria corpusculară consideră lumina formată din particule sau corpusculi care au două proprietăţi fundamentale: viteză foarte mare de deplasare şi dimensiuni foarte mici. Astfel se explică traiectoria rectilinie a luminii şi constatarea că fasciculele de lumină nu interacţionează între ele când se întrepătrund. Datorită acestui model simplu putem înţelege cum se formează umbra şi penumbra, putându-ne explica de ce iluminarea produsă de o sursă de lumină, emisă în toate direcţiile este invers proporţională cu pătratul distanţei faţă de observator. Dacă presupunem că particulele ce alcătuiesc lumina se comportă la ciocnire ca nişte bile elastice, putem deduce legile reflexiei. Teoria corpusculară spune că lumina ar trebui sa exercite o presiune asupra corpurilor. Această presiune este foarte mică şi se poate măsura doar cu instrumente foarte sensibile, care însă în timpul lui Newton nu existau. Astfel de instrumente au apărut la începutul secolului nostru iar experimentele efectuate de Piotr Lebedev şi Nichols Hull au condus la rezultate pozitive, fiind primii care au măsurat presiunea luminii. Modelul corpuscular nu poate explica însă toate fenomenele care se petrec sub acţiunea luminii şi anume de ce nişte particule foarte mici ocolesc anumite obstacolele (fiind vorba de fenomenul de difracţie) în loc sa fie reflectate sau absorbite de ele şi de ce lumina albă se descompune în cele şapte culori în momentul când trece printr-o prismă optică (fenomenul de dispersie). În cazul refracţiei, teoria corpusculară conduce doar la o înţelegere calitativă adică raza de lumină se apropie de normală în momentul în care trece dintr-un mediu transparent mai puţin dens într-un alt mediu mai dens datorită atracţiei pe care mediul cu densitatea mai mare o exercită asupra particulelor de lumină la suprafaţa de separare. Teoria lui Newton a fost urmată de multe generaţii de fizicieni chiar dacă anumite fenomene optice nu au reuşit să fie explicate de teoria corpusculară. Însă succesele obţinute în mecanica newtoniană fuseseră prea răsunătoare şi puţini erau aceia care se îndoiau de rezultatele fondatorului în domeniul opticii ar fi putut fi greşite.

Teoria ondulatorie a coexistat cu modelul corpuscular, neputându-şi dovedi superioriatea decât peste aproximativ 150 de ani. Această teorie neagă reprezentarea corpusculară datorită faptului că ar mai exista altceva ce se poate deplasa, fiind vorba de perturbaţie, care se poate observa în momentul în care aruncăm o piatră în apă. În jurul locului unde piatra a atins suprafaţa apei mici valuri sub formă de inele care se deplasează din locul în care suprafaţa apa a fost perturbată. O plută aflată pe suprafaţa apei la o distanţă mică faţă de locul unde a căzut piatra se va mişca un anumit timp perpendicular pe suprafaţa apei revenind apoi la starea iniţială de repaus.

Fenomenul de propagare al unei perturbaţii într-un mediu poartă numele de undă iar totalitaea punctelor mediului atinse la un anumit moment de perturbaţie formează frontul de undă. Dacă mediul este perturbat periodic, unda poate fi caracterizată de distanţa în care se propagă perturbaţia în timpul unei perioade, distanţă de poartă numele de lungime de undă şi care se poate determina uşor dacă ştim viteza (c) cu care se deplasează unda într-un anumit mediu şi perioada perturbaţiilor care o produc.

λ=c∙T

Cristian Huygens, iniţiatorul modelului ondulatoriu al luminii, a emis următorul principiu care îi şi poartă numele: toate punctele de pe un front de undă pot fi considerate surse de producere a unor unde secundare, după un anumit timp noua poziţie a frontului de undă fiind dată de suprafaţa care înfăşoară fronturile undelor secundare. Utilizarea construcţiilor geometrice propuse de Huygens, însoţită de raţionamente simple, permite deducerea calitativă şi cantitativă a legilor reflexiei şi refracţiei, fenomenul de difracţie apărând ca o consecinţă firească a principiului său. Un alt fenomen care a fost explicat uşor cu ajutorul treoriei ondulatorii este dispersia. În momentul în care lumina albă traversează o prismă optică se descompune în cele şapte culori ale spectrului vizibil datorită faptului că presupune o suprapunere de oscilaţii cu diferite lungimi de undă. Isaac Newton a reuşit să demonstreze că nu prisma colorează lumina albă, ea doar o descompune în culorile componente, dar totuşi nu a reuşit să facă pasul spre teoria ondulatorie. O altă mărime care caracterizează o undă şi care a dus la succese ale teoriei ondulatorii este faza.

Fig. 1.1. Producerea undelor superficiale în lichide: a) în momentul iniţial;

b) la un moment oarecare t_1; c) la momentul t_2>t_1.

Cu toate că teoria ondulatorie reuşise să explice toate fenomenele de bază datorate luminii, la începutul secolului al XIX-lea Simion-Denis Poisson avea să respingă teoria ondulatorie datorită concluziei la care ajungea plecând de la premizele ei. Să presupunem o sursă punctuală de lumină situată pe axa unui disc opac; deoarece distanţa de la sursă la orice punct al conturului discului este aceeaşi, fasciculul de lumină produs de sursă ajunge la extremităţile discului în fază. Conform principiului lui Huygens punctele conturului pot fi considerate ca noi surse de lumină care, compunându-se în spatele obstacolului, trebuie să conducă la apariţia unei pete luminoase în centrul umbrei discului. Realizând experimentul imaginat de Poisson, Arago şi Fresnel, adepţi ai teoriei ondulatorii, au avut parte de o surpriză plăcută şi anume pata prezisă apărea în centrul umbrei circulare. Verificarea modelului ondulatoriu se poate face prin intermediul altui fenomen care se numeşte interferenţă, care spune că două unde de aceeaşi frecvenţă, a căror fază este constantă în timp se deplasează pe aproximativ pe aceeaşi direcţie, ele putând să se compună în aşa fel încât energia undei rezultate să prezinte maxime şi minime. În cazul luminii ar trebui să se obţină pe ecran zone luminoase serate de zone mai întunecate, purtând numele în ansamblu de franje de interferenţă. Experimentele în privinţa acestui fenomen au eşuat până în anul 1801, deoarece experimentatorii nu reuşeau să realizeze două surse coerente de lumină care să emită cu diferenţă de fază constantă. Tehnologia acelor timpuri era depăşită de acest experiment până în momentul în care Thomas Young a venit cu ideea de a pune în evidenţă interferenţa fără a realiza efectiv cele două surse, folosind dispozitivul prezentat în figura 1.2. În experimentul realizat de Young lumina pătrundea într-o cameră întunecată printr-un orificiu foarte mic O. Prin fenomenul de difracţie, unda luminoasă ajunge la orificiile O_1 şi O_2 la fel de mici ca orificiul O care devin astfel surse coerente. Lumina care pleacă de la noile surse interferă pe ecranul E unde se pot observa franjele.