Khi ánh sáng chiếu vào mặt một vật thể mỏng, làm bằng một chất bán dẫn, các hạt điện tử electron của vật này hấp thụ những hạt sóng photon của tia sáng và bị bật ra ngoài nếu năng lượng
Trang 1Điện từ ánh sáng Mặt Trời
Những tia sáng mặt trời chuyên chở năng lượng, điều đó ai cũng dễ cảm nhận Làn da chúng ta ấm lên dưới ánh nắng Quần áo giặt mau khô hơn trong nắng… Người ta ước tính trái đất mỗi năm hấp thụ một khối năng
lượng từ ánh sáng mặt trời bằng khoảng 15.000 lần tổng điện năng mà cả thế giới tiêu thụ hiện nay!
Hiệu ứng quang điện
Nhưng ánh sáng có thể tạo ra dòng điện, khám phá ấy chỉ tình cờ xuất hiện khi hai nhà bác học Pháp, Antoine Becquerel và con trai Edmond Becquerel, quan sát thấy dòng điện chạy qua hai cực điện nhúng trong một hoá chất lỏng khi thay đổi ánh sáng chiếu vào Phát hiện này được Antoine Becquerel trình bày trước viện Hàn lâm khoa học Pháp năm 1839 nhưng phải đợi đến đầu thế kỷ 20, với giải thích của Einstein, hiệu ứng quang điện này mới được hiểu rõ, mở đường cho ứng dụng sản xuất điện từ ánh sáng mặt trời gần 100 năm sau Chính do công trình này, được công bố vào năm 1905, mà Einstein đã nhận được giải Nobel Vật lý năm
1921 chứ không phải do thuyết tương đối
Giữa hai thời điểm 1839 – 1905 ấy, là đột phá thiên tài của James Clerk
Maxwell, công bố năm 1864, lý thuyết hoá những công trình thực nghiệm về điện
từ của Michael Faraday, chứng minh ánh sáng là một sóng điện từ Cuối thế kỷ 19, các nhà vật lý Heinrich Hertz (Đức), Aleksandr Stoletov (Nga)… thực hiện nhiều thí nghiệm cho thấy hiệu ứng quang điện phụ thuộc vào cường độ và nhất là tần số của sóng điện từ, nhưng chưa thể cắt nghĩa toàn bộ những điều quan sát được
Trang 2Nhất là việc hiệu ứng chỉ xảy ra nếu tần số sóng vượt qua một ngưỡng nào đó, tuỳ theo vật liệu mà nó chiếu vào, chứ không chỉ là khi cường độ sóng đủ mạnh
Einstein cho rằng ánh sáng có bản chất nhị nguyên, vừa là sóng, vừa là hạt – lấy ý tưởng từ Max Planck trong công trình về các vật thể đen, và mỗi hạt sóng có năng lượng tỷ lệ với tần số của nó Khi ánh sáng chiếu vào mặt một vật thể mỏng, làm bằng một chất bán dẫn, các hạt điện tử (electron) của vật này hấp thụ những hạt sóng (photon) của tia sáng và bị bật ra ngoài nếu năng lượng hạt sóng đủ lớn Khi được tiếp nhận vào những sợi kim loại (dẫn điện), chuyển động của các electron này tạo ra dòng điện Nói gọn, đó là nguyên tắc sản xuất điện từ ánh sáng
Những tấm ván mặt trời
Ngày nay, khi dạo chơi ở nhiều
nơi trên thế giới, bạn có thể bắt gặp
những mái nhà rất ngộ, trên đó một
phần mái ngói đã được thay bằng
những tấm ván là một loại kính màu
sậm Đó là những tấm ván mặt trời (solar panel), hình chữ nhật, diện tích khoảng một mét vuông, bề dày chừng 3 – 4 cm, gắn với nhau thành một hình chữ nhật lớn, nhằm một trong hai mục đích Có những ván mặt trời thu hút nhiệt năng từ ánh nắng, hâm nóng một loại chất lỏng có khả năng giữ nhiệt để đưa vào nhà nhằm sưởi ấm hoặc cung cấp nước nóng Loại ván này không thuộc đề tài của bài viết Loại thứ hai bao gồm những “tế bào quang điện”, những “điốt bán dẫn” làm bằng silic tinh khiết, cho phép biến năng lượng từ ánh nắng mặt trời mà nó hấp thụ sang điện năng theo nguyên lý hiệu ứng quang điện Những ván này nối với một ắcquy
để giữ điện, hoặc một máy đổi điện, nhằm đổi dòng điện liên tục của quang điện sang điện xoay chiều, để nhập vào lưới điện chung khi cần
Bên cạnh những lò quang điện cá thể đó, người ta còn thấy những nhà máy quang điện với hàng chục hay hàng trăm ngàn tấm ván mặt trời, có công suất đỉnh lên đến vài chục megaWatt, điện sản xuất của nhà máy được hoà thẳng vào lưới điện quốc gia Tổng sản lượng điện của một nhà máy như vậy tất nhiên tuỳ thuộc điều kiện nắng chiếu vào các tấm ván Chẳng hạn, nhà máy Olmedilla ở Tây Ban
“Gần đây, một số nhà sản xuất Trung Quốc và Hàn Quốc cũng bắt đầu đặt chân vào thị trường được ước tính là khoảng 24 tỉ euro hiện nay”
Trang 3Nha – nhà máy quang điện lớn nhất hiện nay – có công suất 60MW, tổng sản lượng ước tính khoảng 85GWh (tỉ Watt/giờ) mỗi năm, trong khi nhà máy Strasskirchen ở Đức có công suất lắp đặt 54MW chỉ cho sản lượng 57 GWh/năm Đầu tháng ba năm nay, công ty điện lực Pháp (EDF) thông báo sẽ xây một nhà máy quang điện lớn nhất thế giới trên đất bỏ hoang của một căn cứ không quân cũ, gần thành phố Metz, vùng đông bắc Pháp Nhà máy này sẽ có tới 1.400.000 mét vuông ván mặt trời, và
có công suất lên đến 143MW, đủ phục vụ cho một thành phố hơn 60.000 dân
Chạy đua công nghệ đang diễn
ra gay gắt
Hai tháng trước đó, vùng
Gironde ở phía tây nam nước Pháp
cũng cho biết đã thoả thuận với công ty
Mỹ Firrst Solar để xây dựng một nhà
máy quang điện có công suất 100MW,
với những tấm ván mặt trời làm bằng
một vật liệu bán dẫn mới trong công
nghệ này là Tellure de Cadmium (ký
hiệu CdTe), một hợp chất giữa một kim
loại nặng cadmium và một chất á kim
tellurium, thay vì các ván bằng silic Do
hai chất này ít dùng trong công nghiệp,
giá thành các tấm ván này rẻ hơn khá
nhiều so với các loại ván bằng silic Giá
mỗi megaWatt quang điện bằng CdTe
giảm từ 5 – 6 triệu euro xuống còn bốn
triệu ngay trong năm 2009, và có thể xuống tới ba triệu euro trong năm nay
Giá thành còn quá đắt chính là cản trở số một cho sự phát triển của ngành
“điện xanh” này Ở châu Âu, hiện nay cả các lò quang điện cá thể và các nhà máy quang điện lớn đều được các chính phủ hỗ trợ bằng nhiều biện pháp giảm thuế Vì thế, một cuộc chạy đua cải tiến công nghệ tế bào quang điện và ván mặt trời đang
Silic, hoá chất quan trọng
Chất bán dẫn được dùng chủ yếu trong hiệu ứng quang điện là silic (ký hiệu Si), hiện hữu rất phổ biến ở vỏ trái đất dưới một số dạng hợp chất như dioxit silic (SiO2), có trong cát, thạch anh, đất sét Là thành phần cơ bản của thuỷ tinh, được dùng phổ biến trong nhiều lĩnh vực công nghiệp hay xây dựng, silic trở thành một hoá chất quan trọng trong kỹ nghệ điện tử từ giữa thế kỷ 20 Silic dùng trong điện tử phải trải qua một quá trình tinh khiết hoá rất phức tạp và đắt, để đạt độ tinh khiết lên tới 99,99999999%, trong khi silic dùng trong các ván mặt trời chỉ đạt độ tinh khiết 99,9999%!
Trang 4diễn ra gay gắt giữa các nhà sản xuất, chủ yếu ở Mỹ, Nhật và châu Âu Gần đây, một
số nhà sản xuất Trung Quốc và Hàn Quốc cũng bắt đầu đặt chân vào thị trường được ước tính là khoảng 24 tỉ euro hiện nay (theo báo Le Monde ngày 18.4.2009) Việc thay silic bằng CdTe chỉ là một ví dụ Một hướng khác đang được chú trọng:
sử dụng silic ít thuần khiết hơn mức hiện nay, với hiệu suất thấp hơn (tỷ lệ giữa điện năng ván mặt trời đạt được với năng lượng mặt trời mà nó hấp thụ, hiện ở mức 15 – 17%), nhưng rẻ hơn nhiều Theo ông Jean-Piere Joly, giám đốc viện Quốc gia năng lượng mặt trời (INES) của Pháp, giá thành một Watt quang điện cần giảm còn một nửa, thậm chí một phần ba thì điện từ ánh sáng mặt trời mới chiếm lĩnh được thị phần đáng kể trong lưới điện quốc gia Và Pháp, cũng như nhiều nước châu Âu khác đang có kế hoạch đầu tư lớn vào lĩnh vực công nghiệp này
Các thiết bị sử dụng tia hồng
ngoại
Remote là vật dụng điều khiển các loại thiết bị điện tử theo nguyên lý
sử dụng tia hồng ngoại Tia hồng ngoại là bức xạ điện từ có bước sóng dài hơn ánh sáng khả kiến nhưng ngắn hơn tia bức xạ vi ba.
Màu đỏ là màu sắc có bước sóng dài nhất trong ánh sáng thường Bước sóng tia hồng ngoại dài hơn mức đó Tia hồng ngoại có thể được phân chia thành ba vùng theo bước sóng, trong khoảng từ 700 nanômét tới 1 milimét
Trang 5Đo nhiệt độ
Việc thu nhận và đo đạc tia hồng ngoại có thể giúp xác định nhiệt độ của vật
từ xa, nếu chúng là nguồn phát ra các tia thu được Hình chụp trong phổ hồng ngoại gọi là hình ảnh nhiệt, hay trong trường hợp vật rất nóng trong NIR hay có thể thấy được gọi là phép đo nhiệt Kỹ thuật đo nhiệt độ bằng hồng ngoại được dùng chủ yếu trong quân sự, và ứng dụng công nghiệp Kỹ thuật này hiện cũng đang được ứng dụng và dần quen thuộc với thị trường dân sự như: máy ảnh trên
xe hơi; tuỳ thuộc vào giá thành của các sản phẩm có được giảm mạnh hay không
Phát nhiệt
Hình ảnh một chú chó chụp dưới hồng ngoại Những chỗ có nhiệt độ cao phát ra tia hồng ngoại tần số cao hơn, thể hiện bằng màu nóng sáng hơn trên hình Tia hồng ngoại được dùng trong phòng tắm hơi và làm tan tuyết trên cánh máy bay, do da người và bề mặt cánh máy bay có thể hấp thụ tốt năng lượng của tia hồng ngoại Một lượng lớn năng lượng mặt trời cũng nằm trong vùng hồng ngoại Các vật nóng
cỡ vài trăm độ C như lò sưởi, bếp cũng phát ra bức xạ vật đen có cực đại ở vùng hồng ngoại Do vậy tia hồng ngoại còn được gọi là tia nhiệt
Nhưng ứng dụng mà chúng ta hiện đang dùng thường ngày liên quan đến việc điều khiển các sản phẩm điện từ, điện máy đồ gia dụng trong gia đình là ứng dụng hồng ngoại để điều khiển các thiết bị này từ xa
Điều khiển từ xa
Đó là truyền đạt lệnh điều khiển bằng những tín hiệu đã mã hoá hoặc những tín hiệu vô tuyến điện mang thông tin điều khiển từ máy do người (hoặc máy tính) điều khiển đến đối tượng được điều khiển trên các kênh thông tin
Kỹ thuật điều khiển từ xa khi ứng dụng cho các thiết bị dân dụng như máy thu hình, đầu máy, máy lạnh và cả máy quay phim, chụp ảnh thì các bộ điều
khiển từ xa (thường gọi là remote) thường dùng tia hồng ngoại để truyền lệnh điều khiển (đổi kênh, tăng giảm âm lượng, thay đổi độ chói, độ tương phản, đóng
mở, bật tắt, điều chỉnh nhiệt độ )
Trang 6Kỹ sư ChiêmVăn Sơn, trung tâm điện tử Thanh Sơn giải thích về nguyên lý hoạt động của các bộ điều khiển từ xa dùng hồng ngoại như sau: Thiết bị điều khiển (remote) là bộ phận phát tia hồng ngoại truyền tín hiệu hồng ngoại để bộ phận thu (được gắn ở các thiết bị cần điều khiển) là tivi, máy lạnh, đầu đĩa Tia hồng ngoại truyền từ bộ điều khiển đến bộ phận thu lúc này đóng vai trò như một
"dây" dẫn để truyền các dữ liệu đã được mã hoá từ bộ chiếc remote đến phần thu tín hiệu hồng ngoại trên thiết bị cần được điều khiển Và bàn phím trên chiếc
remote là một ma trận mà mỗi phím chứa một đoạn mã dữ liệu khác nhau Khi thiết bị thu hồng ngoại trên chiếc tivi (hay trên một thiết bị nào đó) nhận được một mã tín hiệu cụ thể phát ra từ remote thì nó sẽ tiến hành so sánh để "nhận" và thực thi lệnh như bật tắt, tăng giảm volume, chuyển kênh hay điều chỉnh độ sáng tối
Lý do mà remote của ti vi hãng này không thể hiểu được remote của ti vi hãng kia là do các mã được quy ước khác nhau Tuy nhiên, người ta cũng có thể dùng những chiếc remote đa năng để điều khiển nhiều thiết bị hoặc nhiều loại thiết bị khác nhau Đó là trong bộ nhớ của chiếc remote đó người ta tích hợp các dải mã của tất cả các hãng (chúng được các hãng công bố ở trên website hoặc trên các tài liệu của họ), và khi sử dụng, người dùng chỉ cần bấm một phím hoặc một tổ hợp phím được quy định trên chiếc remote đa năng là có thể kích hoạt cho chiếc remote hoạt động đúng với thiết bị cần được điều khiển (nghĩa là phát ra những đoạn mã mà phần thu hồng ngoại trên chiếc tivi hay thiết bị gia dụng đó hiểu
được)
Chú ý khi dùng remote
- Pin là thứ cần cẩn trọng nhất
- Nên dùng pin tốt vì khi pin bị chảy
- Sẽ làm hư lò xo
- Không làm rớt vì sẽ làm lỏng chân ic, lỏng chân đèn phát hồng ngoại
- Đối với các remote có màn hình như remote máy lạnh, khi vỡ màn hình thì không sửa chữa được
Trang 7Áp dụng hình thức này, nhiều người đã dùng chiếc điện thoại di động (loại có phát hồng ngoại) để điều khiển các thiết bị gia dụng Cách làm là cài những phần mềm chứa các code (mã lệnh) điều khiển các thiết bị khác nhau của các hãng về để cài vào điện thoại và lúc ấy bàn phím của điện thoại trở thành bàn phím của chiếc điều khiển từ xa
Truyền hình ảnh, âm thanh từ điện thoại sang máy tính hoặc sang điện thoại khác bằng hồng ngoại cũng theo nguyên lý tương tự như dùng điều khiển từ xa Nhưng ở đây đoạn mã truyền đi trên "dây" hồng ngoại chính là dữ liệu của bức ảnh, đoạn phim hay nhạc và khi thiết bị nhận được dữ liệu này thì chúng sẽ lưu lại như lưu dữ liệu thông thường