باتری خورشیدی
باتری خورشیدی وسیله ای است كه انرژی خورشیدی را به انرژی الكتریكی تبدیل می كند. باتری های خورشیدی (پر بازده) كه شما از فروشگاه های لوازم الكتریكی می خرید از سیلیكون فرآوری شده ساخته می شود. برای ساخت آن كارخانه بزرگ، دمای بالا، ابزارهای خلاء و هزینه زیادی لازم است.
اگر ما نسبت به بازده باتری زیاد حساس نباشیم می توانیم با وسایل آشپزخانه و ابزار فروشی محل، یك باتری خورشیدی ساده بسازیم.
باتری خورشیدی ما (به جای سیلیكون) از اكسید مس ساخته می شود. اكسید مس یكی از اولین مواد شناخته شده ای بود كه پدیده فوتوالكتریك را نشان می داد (پدیده فوتوالكتریك: پدیده ای كه در آن نور باعث برقراری جریان الكتریكی می شود).
فكر در مورد ماهیت پدیده فوتوالكتریك منجر به این شد كه آلبرت انیشتین جایزه نوبل فیزیك را در یافت نماید.
توصیه می شود برای این فعالیت پژوهشی اولیاء محترم نیز كمك كنند.
برای ساخت این پروژه به وسایل زیر نیاز دارید
١- ورق مسی به مساحت حدودی ٤٠٠ سانتیمتر مربع ٢- دو سیم سوسماری ٣- یك میكروآمپرسنج كه بتواند جریان هایی بین ١٠ تا ٥٠ میكروآمپر اندازه بگیرد. ٤- اجاق برقی با توان حدودی ١٠٠٠ وات. اجاق گازی برای این كار مناسب نیست. ٥- یك بطری پلاستیكی شفاف كه شما بتوانید سر آن را ببرید. یك بطری ٢ لیتری (یا بزرگتر) مناسب است. ٦- نمك آشپزخانه . ٧- آب شیر ٨- سنباده یا برس سیمی ٩- قیچی ورق بر برای بریدن ورق مسی گرمكنی كه ما انتخاب كرده ایم شبیه این است.
ابتدا ورق مسی را به اندازه ای ببرید كه تقریباً برابر گرمكن شود. دستتان را بشویید تا چربی یا روغن نداشته باشد. سپس ورق مسی را با صابون یا تمیزكننده بشویید تا از چربی و روغن پاك شود. به كمك سنباده یا برس سیمی ورق مسی را تمیز كنید، تا هیچ سولفید یا زنگ زدگی بر روی آن باقی نماند.
سپس ورق مسی تمیز و خشك را رو گرمكن قرار دهید و آن را روشن كنید.
در حین گرم شدن، شما طرح های اكسید شدن را (كه در حال شكل گرفتن هستند) می بینید . رنگ های نارنجی، ارغوانی و قرمز سطح مس را می پوشاند.
هرچه مس گرم تر می شود، رنگ ها با پوشش تیره تر اكسید مس جایگزین می شود. زیاد عجله نداشته باشید، این اكسیدی نیست كه ما می خواهیم، اما به تدریج، رنگ های قرمز، نارنجی، صورتی و ارغوانی ظاهر می شوند كه لایه های زیرین اكسید مس را در بر دارد.
هنگامی كه گرمكن سرخ می شود، آخرین نقطات رنگی نیز از بین می روند.
وقتی گرمكن كاملاً سرخ می شود، ورق مسی با لایه تیره رنگ اكسید مس پوشیده می شود. اجازه دهید این وضعیت برای نیم ساعت ادامه یابد، تا پوشش سیاه رنگ ضخیم شود. این موضوع حائز اهمیت است.
پس از نیم ساعت، گرمكن را خاموش كنید. اجازه دهید مس داغ بتدریج سرد شود. اگر آن را سریع سرد كنید، اكسید سیاه به مس می چسبد.
در حین سرد شدن، ورق مسی كمی چروك می خورد. اكسید مس نیز چروك می خورد. اما آنها به یك میزان منقبض (چروك) نمی خورند، این باعث می شود اكسید مس پوسته_ پوسته شود.
مقدار كمی از پوسته های سیاه از سطح ورق مسی (تا چند سانتیمتر) پرتاب می شوند.
وقتی مس سرد شده و به دمای اتاق می رسد (این حدود ٢٠ دقیقه طول می كشد)، اغلب اكسید سیاه رنگ رفته اند. با قرار دادن زیر آب جاری و مالش دست، اغلب تكه های ریز نیز بر طرف می شوند. برای برداشتن تمام نقاط سیاه زیاد وسواس نداشته باشید. این ممكن است اكسید مس قرمز رنگ را خراب كند. ما برای عملكرد درست باتری به آن نیاز داریم. باقی كار آسان و سریع خواهد بود.
یك ورق مسی (به ابعاد حدودی ورق اولی) ببرید. هر دو ورق را به نرمی خم كنید تا داخل بطری پلاستیكی (بدون تماس با یكدیگر) قرار گیرند.
دو سیم سوسماری را به دو ورق مسی وصل كنید. سیمی كه به صفحه مسی تمیز وصل است را به سر مثبت میلی آمپرسنج متصل كنید. سیمی كه به صفحه اكسید مس وصل است را به سر منفی میلی آمپرسنج متصل كنید.
حال دو قاشق سوپ خوری نمك را در مقداری آب گرم حل نمایید. آب نمك را هم بزنید تا نمك حل شود. سپس با احتیاط آب نمك را در ظرف بریزید. آب نمك نباید تمام سطح ورق ها مسی را بپوشاند. حدود سه سانتیمتر از ورق داخل آب نمك قرار گیرد.
تصویر بالا باتری خورشیدی را در سایه نشان می دهد. دقت كنید آمپرسنج جریان ٦ میكروآمپر را نشان می دهد.
باتری خورشیدی در سایه و تاریكی نیز برق تولید می كند و معمولاً می تواند جریانی در حدود میكروآمپر را برقرار نماید.
تصویر زیر باتری خورشیدی را در نور خورشید نشان می دهد.
دقت كنید آمپر سنج جریانی در حدود ٣٣ میكروآمپر را نشان می دهد. اگر همه چیز خوب انجام شود تا ٥٠ میكروآمپر را نیز می توانید اندازه بگیرید.
نكته ای در مورد توان
این باتری می تواند ٥٠ میكروآمپر در ولتاژ ٢.٥ ولت ایجاد كند. این معادل ٠.٠٠٠٠١٢٥ وات (١٢.٥ میكرو وات) است. بنابراین انتظار نداشته باشید كه باتری لامپی را روشن كند یا دستگاهی را با آن به كار اندازید. این وسیله را می توان صرفاً برای آشكار سازی یا اندازه گیری نور استفاده نمود. اگر بخواهید انرژی خانه تان را با آن تامین كنید لازم است ابعاد صفحه مسی در حد چند ده هزار متر مربع باشد!
این دستگاه چگونه كار می كند؟
اكسید مس نوعی از ماده است كه به آن نیمه هادی می گویند. هدایت الكتریكی نیمه هادی بین ماده رسانا و ماده نارسانا می باشد.
در نیمه رسانا، بین الكترون هایی كه مقید به هسته هستند و الكترو نهایی كه دور از اتم قرار دارند (و آزادانه حركت می كنند و نقش هدایتی دارند) فاصله انرژی وجود دارد كه به آن نوار شكاف می گویند.
الكترون ها نمی توانند در نوار شكاف قرار داشته باشند. به عبارت دیگر، یك الكترون نمی تواند با دریافت انرژی كمی از قید هسته اتم جدا شده و به نوار شكاف برود. بنابراین، یك الكترون بایستی به اندازه كافی انرژی بدست بیاورد تا بتواند از هسته دور شده و خارج نوار شكاف برود.
به همین نحو، یك الكترون در خارج نوار شكاف نمی تواند مقدار كمی انرژی از دست دهد و بر اثر آن كمی به هسته نزدیك گردد. بلكه الكترون باید به اندازه كافی انرژی از دست دهد تا بتواند از نوار شكاف عبور نموده و به محلی كه الكترون ها اجازه حركت دارند برسد.
وقتی نور خورشید به الكترون های اكسید مس می تابد، تعدادی از الكترون های به اندازه كافی انرژی (از نور خورشید) دریافت می كنند تا از نوار شكاف عبور نموده و تبدیل به الكترون آزاد می شوند.
الكترون آزاد به آب نمك وارد می شود و سپس از طریق ورق مسی تمیز وارد آمپرسنج می شود و از آنجا مجدداً به ورق اكسید مس باز می گردد.
وقتی الكترون از آمپرسنج عبور می كند بر روی عقربه آن كار انجام می دهد. وقتی سایه ای بر روی باتری خورشیدی می افتد، الكترون های كمتری از آمپرسنج عبور می كند و عقربه كمی منحرف می شود.
