فيزياء

الموجة الصوتية

الموجة الصوتية: اقترح روجر بنروز ، الحائز على جائزة نوبل للفيزياء 2020 ، في عام 1969 مخططًا لاستخراج الطاقة من مخطط ثقب أسود دوار يُعرف اليوم بإشعاع بنروز الفائق.

اقترح الأخير أن حضارة متقدمة يمكن أن تنجح يومًا ما في استخراج الطاقة من الثقب الأسود عن طريق خفض ثم إطلاق كتلة من هيكل يدور حول الثقب الأسود.

نقل ياكوف زيلدوفيتش هذه الفكرة في عام 1971 إلى حالة أسطوانة معدنية ماصة دوارة وأظهر أنه يجب تضخيم الموجات الكهرومغناطيسية الساقطة عليها والتي لها زخم زاوي مداري ، بالإضافة إلى التقلبات الكمية.

الزخم الزاوي هو كمية معروفة في الميكانيكا الكلاسيكية.

في حالة الموجة الصوتية ، حيث يرى وسيط النقل أن ذراته أو جزيئاته تتحرك ، فمن السهل أن نتخيل ، إذا كانت الموجة مستقطبة دائريًا ، أن لها لحظة زاوية.

في حالة الموجة الكهرومغناطيسية ، يجب أن نفهم أن الفوتونات لها زخم وأن للموجة زخمًا زاويًا في أوضاع الاستقطاب الدائري المعقدة تقريبًا.

لا يمكن التحقق من ذلك بشكل تجريبي لأن تردد دوران الأسطوانة كان يجب أن يكون أكبر من تردد الموجة الساقطة أو على الأقل أحد كسورها الأولى ، أي الترتيب من GHz إلى PHz (من الموجات الدقيقة إلى الترددات الضوئية ).

إقرأ أيضا:تحليل الضوء الأبيض

ومع ذلك ، فإن ترددات الدوران التي يمكن الحصول عليها بالميكانيكا التي تحركها المحركات تتراوح من 100 إلى 7000 هرتز (توربينات الأسنان).

أظهر العمل النظري الأخير أن هذا الشرط يمكن تحقيقه من خلال الموجات الصوتية المستقطبة دائريًا التي يكون ترددها أقل بكثير من تردد الموجات الكهرومغناطيسية. وبالتالي يمكننا أن نأمل في ملاحظة تضخيم هذه الموجات.

الإعداد التجريبي للموجة الصوتية:

يتم تغذية 16 مكبر صوت مرتبة في دائرة على نفس التردد 60 هرتز ، كل منها مع تأخير عن سابقتها. هذا يقترب من موجة حلزونية تولد شعاعًا صوتيًا له زخم زاوية مداري. هذا الشرط مطلوب من الناحية النظرية ليكون هناك تضخيم.

عندما يتم استيفاء حالة معينة (تسمى Zel’dovich) بين تردد الموجة وتكرار دوران الأسطوانة ، يتم إلغاء الامتصاص ويعمل الوسط الدوار كمضخم.

يمكن ملاحظة ذلك في الشكل 2 أدناه.

رسم بياني

مقياس السعة الصوتية لحالة الممتص الدوار (المنحنى الأحمر) وللممتص الثابت (المنحنى الأزرق) الذي تم فصله عن القرص الدوار الذي يحمل الميكروفونات.

تُظهر حالة المادة الماصة في الدوران تضخيمًا واضحًا للسعة الصوتية المرسلة مقارنة بالحالة الثابتة بمجرد استيفاء حالة Zel’dovich ، هنا لتردد دوران القرص أكبر من 15 هرتز. الموجة الصوتية 60 هرتز

إقرأ أيضا:الطاقة الشمسية


من تضخيم الموجات من جسم دوار ، ماريون كرومب ، جراهام إم جيبسون ، إيرمز تونينيل ، مايلز جيه بادجيت ، إيوان إم رايت ودانييل فاكيو.

تحديد شكل الموجة الصوتية:

يوضح الشكل السابق تأثيرات الدوران على الإشارة الصوتية المرسلة على مدى دوران من 0 إلى 30 هرتز ، ويتوافق المنحنى باللون الأحمر مع الحالة التي يدور فيها قرص الامتصاص مع الميكروفونات ؛

يتطابق المنحنى باللون الأزرق مع الحالة التي يتم فيها فصل قرص الامتصاص عن القرص الذي يدعم الميكروفونات وبالتالي فهو ثابت.

عند زيادة سرعة الدوران من الصفر ، تنخفض الإشارة الصادرة من الميكروفونات 2. في الواقع ، من خلال تأثير دوبلر ، فإن التردد الذي تدركه الميكروفونات يتناقص ، وتقل الإشارة لأن استجابة الميكروفونات تتناقص مع التردد.

تضخيم الموجة الصوتية:

بعد المرور إلى تردد صفري بتأثير دوبلر (هنا عند 15 هرتز) ، يزداد التردد الصوتي المدرك على العكس من ذلك.

ومع ذلك ، هناك زيادة ملحوظة في الإشارة المرسلة في حالة القرص الماص الدوار مقارنة بالإشارة المرسلة مع الماص الثابت ، بسرعات دوران عالية تلبي حالة زيلدوفيتش.

إقرأ أيضا:تحليل الضوء الأبيض

تختلف الإشارة الصوتية باختلاف وتيرة الدوران (على المحور السيني). تم زيادة تردد الصوت ليكون في منطقة يسهل الوصول إليها للأذن البشرية.

يعد تضخيم الموجات بواسطة ماص دوار ، وفقًا لتنبؤات زيلدوفيتش ، تقدمًا أساسيًا في فيزياء الثقوب السوداء ،

ولا سيما أنه يدعم الاقتراح الذي قدمه بنروز بأن الطاقة يمكن استخلاصها من الثقوب السوداء التي تدور.

على الرغم من أن تضخيم الموجات بسبب جهاز امتصاص دوار لا يزال صعبًا للغاية ، إن لم يكن مستحيلًا ، لتحقيقه في المختبر باستخدام الموجات الكهرومغناطيسية والبصرية ، لاحظ باحثو غلاسكو التأثير بالموجات الصوتية ، مما يشكل تشجيعًا كبيرًا لتطوير هذه النظريات.

النوافذ الكهروضوئية بفضل النقاط الكمومية:

ستؤدي الزيادة في عدد سكان العالم إلى فائض من الموائل الحضرية. يؤثر استهلاك الكهرباء في المباني السكنية والتجارية بشكل كبير على شبكات توزيع الكهرباء.

إن دمج الأسطح الكهروضوئية باستخدام مناطق الواجهات في هذه الإنشاءات من شأنه أن يوفر كهرباء إضافية كبيرة دون تكلفة عالية ، لا التركيب ولا النقل من مزرعة شمسية ، على سبيل المثال.

لكن الحد الأدنى من الشفافية ضروري. إذا تم وضع المكثفات الشمسية المضيئة المحتوية على الفلوروفورات التي تعيد إرسال الضوء في اتجاه آخر بين الألواح الزجاجية ،

فيمكن وضع الخلايا الكهروضوئية بشكل جانبي دون إعاقة الرؤية من خلال الزجاج (الشكل 1.).

لقد أتقن باحثون من UbiQD ، لوس ألاموس ، الولايات المتحدة الأمريكية هذا المفهوم

وحصلوا على عائد بنسبة 3.6 ٪ باستخدام النقاط الكمومية مثل الفلوروفور.

تحدد النقطة الكمومية ، التي تسمى أيضًا النقطة الكمومية ، في اللغة الإنجليزية ، بنية نانوية شبه موصلة تتصرف مثل البئر المحتملة. هذا يحصر الإلكترونات في منطقة من الفضاء بترتيب الطول الموجي للإلكترونات ، الذي يساوي بضع عشرات من النانومترات في أشباه الموصلات.

تحتوي هذه الأجسام الكمومية على العديد من التطبيقات مثل العناصر النشطة (الترانزستورات) للدوائر المتكاملة ، ومصابيح LED ، وثنائيات الليزر ، وأجهزة الإضاءة الضوئية وغيرها الكثير.

رسم بياني 1. 
رسم تخطيطي لجزء زجاجي مصفح مزود بطبقة داخلية من البوليمر تحتوي على فلوروفور

الألواح الزجاجية عبارة عن زجاج عائم تجاري تم اختياره من زجاج منخفض الرصاص يمتص أقل الأشعة تحت الحمراء.
لإجراء قياسات مقارنة ، صنع الباحثون ألواح مقاس 15.24 سم × 15.24 سم مع طبقتين أو ثلاث طبقات من مكثفات ضوء الشمس المجهزة بنقاط كمومية.

على الحواف الأربعة للزجاج ، تم ترتيب 28 خلية ضوئية من السيليكون (7 لكل حافة).
تُظهر الصورة التالية (الشكل 2.) أحد هذه الأجزاء المكونة من 3 طبقات.

الكفاءة ليست كافية لضمان اعتماد العملية من قبل المهندسين المعماريين. الجماليات المرئية للبناء مهمة أيضًا.

تميل المكثفات الشمسية المضيئة المجهزة بنقاط الكم إلى اللون الأحمر أو البني المصفر ،

بسبب عدم التوازن بين عدد الفوتونات المنعكسة باللونين الأحمر والأزرق ، وهو ليس أجمل تأثير.

ينتج المظهر النهائي عن عدة عوامل ، امتصاص وانعكاس ونقل وانبعاث الضوء.

انتقال الضوء المرئي:

يؤثر انتقال الضوء المرئي على أداء وجماليات هذه الألواح الكهروضوئية ، وبما أن المهندسين المعماريين يفضلون الظلال الرمادية التي تسمى الألوان المحايدة ،

فقد أدخل الباحثون في البوليمر صبغة غير فلورية من اللون الأزرق تمتص باللون الأحمر.

يمكن رؤيته في الشكل 3. التأثير الذي تم الحصول عليه على النوافذ المزودة بمركزات الطاقة الشمسية ذات النقاط الكمومية المضيئة.

توفر نوافذ المكثفات الشمسية ذات النقاط الكمية وسيلة مثيرة للاهتمام لتشييد المباني ذات توليد الطاقة المتكامل.

هذه الألواح الكهروضوئية المُحسَّنة بما في ذلك طبقات متعددة من النقاط الكمومية CuInS 2 / ZnS جنبًا إلى جنب مع زجاج منخفض الحديد عالي الجودة تحقق كفاءة بنسبة 3.6 ٪ وهي أعلى نسبة تحققها أنظمة الزجاج على الإطلاق

هذا جنبًا إلى جنب مع القدرة على التحكم في الصبغات عن طريق إضافة أصباغ زرقاء يمكن أن يسمح لهذه التقنية بتوفير مصدر طاقة قابل للتطبيق مدمج في المبنى.

الثنائيات الضوئية للأشعة فوق البنفسجية السيليكونية:

تتطلب العديد من التطبيقات ، مثل التحليل الطيفي والتصوير والكشف عن الحرائق ومعالجة المياه والتكنولوجيا الحيوية

وما إلى ذلك ، أجهزة كشف بالأشعة فوق البنفسجية عالية الحساسية.

ومع ذلك ، فإن أداء الكواشف الموجودة في نطاق الطول الموجي هذا كان متواضعًا ، مع كفاءة كمية أقل بكثير من 80٪.

كفاءة الكم EQ (QE) هي النسبة بين عدد الشحنات الإلكترونية التي تم جمعها وعدد الفوتونات الواقعة على السطح الحساس للضوء.

السيليكون الأسود عبارة عن سيليكون تمت معالجة سطحه للحصول على انعكاسية منخفضة جدًا وبالتالي امتصاص عالي للضوء. ويرجع ذلك إلى بنية السطح ثلاثية الأبعاد في الأقماع أو الإبر (الشكل 1. ب ، ج).
يتم الحصول عليها عن طريق مختلف الهجمات الكيميائية أو الكهروكيميائية أو عن طريق العلاج بالليزر.

رسم بياني
رسم بياني 1. الكفاءة الكمية للديود الضوئي الأسود Si
الكفاءة الكمية كدالة لطول الموجة. لاحظ أنه حوالي 100٪ في النطاق المرئي ويصل إلى 132٪

أظهرت المحاكاة أن كلا النوعين من السطح يسببان مجالًا كهربائيًا بنفس الشدة على السطح. يقترح الباحثون أن هذا المجال الكهربائي القوي هو أصل تكاثر حاملات الشحنة الناتجة عن امتصاص الفوتونات.

النتائج:

سيكون لهذه النتائج تأثير كبير على صناعة المستشعرات فوق البنفسجية ،

ولكن المفاهيم التكنولوجية المستخدمة يمكن تطبيقها على أشباه الموصلات الأخرى ، مما يمهد الطريق لكفاءات أكبر من 100٪ بأطوال موجية أطول.

مرتفع ، في النطاق المرئي ، يتجاوز مرة أخرى النظرية الحالية حد.

تتمتع العين البشرية بمجال رؤية واسع بشكل استثنائي ودقة عالية وحساسية عالية ، وكل ذلك مع انحرافات منخفضة للغاية. ستكون هذه الصفات الرائعة مفيدة جدًا للأطراف الاصطناعية للعين أو للتطبيقات الروبوتية.

على الرغم من صعوبة تقليد الشكل الكروي لشبكية العين ، نجح باحثون من جامعة هونج كونج للعلوم والتكنولوجيا بهونج كونج بالصين وجامعة كاليفورنيا في بيركلي بالولايات المتحدة الأمريكية

في بناء كاميرا كهروكيميائية بحجم عين بشرية بشبكية نصف كروية مصنوعة من محاذاة عالية الكثافة من أسلاك نانوية بيروفسكايت تعمل كمستقبلات ضوئية في شبكية العين البشرية

السابق
كيف تنشئ مدونة أو موقع ويب يؤتي ثماره
التالي
نصائح لتصبح موزعًا عبر الإنترنت