ENERGIA LUMINOSA: CARATTERISTICHE, TIPOLOGIE, OTTENIMENTO, ESEMPI - SCIENZA - 2024

L' energia luminosa o luce è la luce che trasporta un'onda elettromagnetica. È l'energia che rende visibile il mondo intorno a noi e la sua fonte principale è il Sole, che fa parte dello spettro elettromagnetico, insieme ad altre forme di radiazione non visibile.

Le onde elettromagnetiche stabiliscono l'interazione con la materia e sono in grado di produrre vari effetti a seconda dell'energia che trasportano. Pertanto, la luce non solo consente di vedere gli oggetti, ma genera anche cambiamenti nella materia.

Figura 1. Il Sole è la principale fonte di energia luminosa sulla Terra. Fonte: Pixabay.

Caratteristiche dell'energia luminosa

Tra le principali caratteristiche dell'energia luminosa ci sono:

-Ha una duplice natura: a livello macroscopico la luce si comporta come un'onda, ma a livello microscopico mostra proprietà particellari.

-Viene trasportato da pacchi o "quanti" di luce chiamati fotoni. I fotoni mancano di massa e carica elettrica, ma possono interagire con altre particelle come atomi, molecole o elettroni e trasferire loro quantità di moto.

-Non richiede un mezzo materiale per diffondersi. Puoi farlo nel vuoto alla velocità della luce: c = 3 × 10 ⁸ m / s.

-L'energia della luce dipende dalla frequenza dell'onda. Se indichiamo l'energia ef come frequenza come E, l'energia luminosa è data da E = hf dove h è la costante di Planck, il cui valore è 6,625 10 ^–34 J • s. Maggiore è la frequenza, maggiore è l'energia.

-Come altri tipi di energia, viene misurata in Joule (J) nel Sistema internazionale di unità SI.

-Le lunghezze d'onda della luce visibile sono comprese tra 400 e 700 nanometri. 1 nanometro, abbreviato in nm, equivale a 1 x ^10-9 m.

-Frequenza e lunghezza d'onda λ sono correlate da c = λ.f, quindi E = hc / λ.

Tipi di energia luminosa

L'energia luminosa può essere classificata in base alla sua fonte in:

-Naturale

-Artificiale

Figura 2. Lo spettro della luce visibile delle onde elettromagnetiche è la stretta banda colorata. Fonte: F. Zapata.

Energia luminosa naturale

La fonte naturale di energia luminosa per eccellenza è il Sole. Essendo una stella, il Sole ha al centro un reattore nucleare che trasforma l'idrogeno in elio attraverso reazioni che producono immense quantità di energia.

Questa energia lascia il Sole sotto forma di luce, calore e altri tipi di radiazioni, emettendo continuamente circa 62.600 kilowatt per ogni metro quadrato di superficie -1 kilowatt è equivalente a 1000 watt, che a sua volta è pari a 1000 joule / secondo-.

Le piante utilizzano una parte di questa grande quantità di energia per eseguire la fotosintesi, l'importante processo che costituisce la base della vita sulla Terra. Un'altra fonte di luce naturale, ma con molta meno energia, è la bioluminescenza, un fenomeno in cui gli organismi viventi producono luce.

Il fulmine e il fuoco sono altre fonti di energia luminosa in natura, i primi non sono controllabili e il secondo ha accompagnato l'umanità fin dalla preistoria.

Energia luminosa artificiale

Per quanto riguarda le fonti artificiali di energia luminosa, richiedono la conversione in luce di altri tipi di energia, come quella elettrica, chimica o calorifica. Le lampadine a incandescenza rientrano in questa categoria, il cui filamento estremamente caldo emette luce. O anche la luce che si ottiene attraverso processi di combustione, come la fiamma di una candela.

Una fonte molto interessante di energia luminosa è il laser. Ha molte applicazioni in vari campi, tra cui medicina, comunicazioni, sicurezza, informatica e tecnologia aerospaziale, tra gli altri.

Figura 3. Una macchina da taglio utilizza un laser per eseguire tagli industriali di alta precisione. Fonte: Pixabay.

Usi di energia luminosa

L'energia luminosa ci aiuta a comunicare con il mondo che ci circonda, fungendo da portatore e trasmettitore di dati e informandoci sulle condizioni ambientali. Già gli antichi greci usavano gli specchi per inviare segnali in modo rudimentale su lunghe distanze.

Quando guardiamo la televisione, ad esempio, i dati che emette, sotto forma di immagini, raggiungono il nostro cervello attraverso il senso della vista, che richiede energia luminosa per lasciare un'impronta sul nervo ottico.

A proposito, per la comunicazione telefonica, anche l'energia luminosa è importante, attraverso le cosiddette fibre ottiche che conducono l'energia luminosa, riducendo al minimo le perdite.

Tutto quello che sappiamo sugli oggetti distanti sono le informazioni ricevute attraverso la luce che emettono, analizzate con vari strumenti: telescopi, spettrografi e interferometri.

I primi aiutano a raccogliere la forma degli oggetti, la loro luminosità - se molti fotoni raggiungono i nostri occhi è un oggetto brillante - e il loro colore, che dipende dalla lunghezza d'onda.

Dà anche un'idea del suo movimento, perché l'energia dei fotoni che un osservatore rileva è diversa quando la sorgente che lo emette è in movimento. Questo è chiamato effetto Doppler.

Gli spettrografi raccolgono il modo in cui questa luce è distribuita - lo spettro - e lo analizzano per avere un'idea della composizione dell'oggetto. E con un interferometro, puoi distinguere la luce da due sorgenti, anche se il telescopio non ha una risoluzione sufficiente per distinguere tra le due.

L'effetto fotovoltaico

L'energia luminosa emessa dal Sole può essere convertita in elettricità grazie all'effetto fotovoltaico, scoperto nel 1839 dallo scienziato francese Alexandre Becquerel (1820-1891), padre di Henri Becquerel, che scoprì la radioattività.

Ciò si basa sul fatto che la luce è in grado di produrre una corrente elettrica, illuminando composti di silicio semiconduttori che contengono impurità di altri elementi. Succede che quando la luce illumina il materiale, trasferisce energia che aumenta la mobilità degli elettroni di valenza, e quindi aumenta la sua conduzione elettrica.

Ottenere

Fin dal suo inizio, l'umanità ha cercato di controllare tutte le forme di energia, inclusa l'energia luminosa. Nonostante il Sole fornisca una fonte quasi inesauribile nelle ore diurne, era sempre necessario produrre luce in qualche modo per proteggersi dai predatori e continuare a svolgere i compiti iniziati durante la giornata.

È possibile ottenere energia luminosa attraverso alcuni processi controllabili in qualche modo:

-Combustione, quando brucia una sostanza, si ossida, emettendo calore e spesso luce durante il processo.

-Incandescenza, ad esempio quando si riscalda un filamento di tungsteno, come quelli delle lampadine elettriche.

Figura 4. Le lampadine a incandescenza funzionano facendo passare una corrente elettrica attraverso un filamento di tungsteno. Quando viene riscaldato, emette calore e luce. Fonte: Pixabay.

-Luminescenza, in questo effetto la luce è prodotta eccitando in qualche modo determinate sostanze. Alcuni insetti e alghe producono luce, che si chiama bioluminescenza.

-Elettroluminescenza, ci sono materiali che emettono luce quando sono stimolati da una corrente elettrica.

Con uno qualsiasi di questi metodi, si ottiene direttamente la luce, che ha sempre energia luminosa. Ora, produrre energia luminosa in grandi quantità è un'altra cosa.

Vantaggio

-L'energia della luce ha un ruolo particolarmente rilevante nella trasmissione delle informazioni.

-Utilizzare l'energia luminosa del Sole è gratuito, è anche una fonte quasi inesauribile, come abbiamo detto.

-L'energia della luce, di per sé, non è inquinante (ma alcuni processi per ottenerla possono esserlo).

-Nei luoghi in cui la luce solare abbonda tutto l'anno, è possibile generare elettricità con effetto fotovoltaico e ridurre così la dipendenza dai combustibili fossili.

-Le strutture che utilizzano l'energia luminosa del Sole sono di facile manutenzione.

-La breve esposizione alla luce solare è necessaria affinché il corpo umano sintetizzi la vitamina D, essenziale per la salute delle ossa.

-Senza l'energia della luce, le piante non possono effettuare la fotosintesi, che è la base della vita sulla Terra.

svantaggi

-Non è immagazzinabile, a differenza di altri tipi di energia. Ma le celle fotovoltaiche possono essere supportate da batterie per estendere il loro utilizzo.

-In linea di principio, gli impianti che fanno uso di energia luminosa sono costosi e richiedono anche spazio, sebbene i costi siano diminuiti con il tempo e con i miglioramenti. Sono attualmente in fase di sperimentazione nuovi materiali e celle fotovoltaiche flessibili per ottimizzare l'uso dello spazio.

-L'esposizione prolungata o diretta alla luce solare provoca danni alla pelle e alla vista, ma principalmente a causa delle radiazioni ultraviolette, che non possiamo vedere.

Esempi di energia luminosa

Nelle sezioni precedenti abbiamo menzionato molti esempi di energia luminosa: luce solare, candele, laser. In particolare, ci sono alcuni esempi molto interessanti di energia luminosa, a causa di alcuni degli effetti sopra menzionati:

Luce a led

Figura 5. Le luci a LED sono più efficienti delle luci a incandescenza, poiché emettono meno calore ed emettono energia luminosa più a lungo. Fonte: Pixabay.

Il nome LED light deriva dall'inglese Light Emitting Diode ed è prodotto facendo passare una corrente elettrica a bassa intensità attraverso un materiale semiconduttore, che in risposta emette una luce intensa e ad alte prestazioni.

Le lampade a LED durano molto più a lungo delle tradizionali lampadine a incandescenza e sono molto più efficienti delle tradizionali lampadine a incandescenza, in cui quasi tutta l'energia viene trasformata in calore, piuttosto che in luce. Ecco perché le luci a LED sono meno inquinanti, sebbene il loro costo sia superiore a quello delle lampade a incandescenza.

Bioluminescenza

Molti esseri viventi sono in grado di convertire l'energia chimica in energia luminosa, attraverso una reazione biochimica al loro interno. Insetti, pesci e batteri, tra gli altri, sono in grado di produrre la propria luce.

E lo fanno per diversi motivi: protezione, attrarre un compagno, come risorsa per catturare prede, per comunicare e, ovviamente, per illuminare la strada.

Riferimenti

1. Blair, B. Le basi della luce. Estratto da: blair.pha.jhu.edu
2. Energia solare. Effetto fotovoltaico. Estratto da: solar-energia.net.
3. Tillery, B. 2013. Integrate Science.6th. Edizione. McGraw Hill.
4. Universe Today. Cos'è l'energia luminosa. Estratto da: universetoday.com.
5. Vedantu. Energia luminosa. Estratto da: vedantu.com.
6. Wikipedia. Energia luminosa. Estratto da: es.wikipedia.org.