Эх, погода на улице пасмурная, холодно, и грустно как-то. Да ещё и самоизоляция из-за коронавируса. Напишу-ка статейку о том, как светодиоды вообще излучают свет. Физики могут не читать, статья будет популярная, без многочисленных нюансов, которые вы так любите. Кроме того, она будет изложена не в академическом стиле, как вы привыкли, а в свободном изложении, может, даже задом наперёд, чтобы она легче воспринималась обычными людьми. Впрочем, всё, как всегда. Альтернативщиков тоже прошу не беспокоится, здесь будет изложена официальная модель.
Для начала кратко о понятиях, которыми мы будем оперировать:
1. Материя состоит из атомов. Во многих твёрдых телах атомы находятся в упорядоченном состоянии. Такое состояние называют кристаллической решёткой из-за визуальной схожести расположения атомов в веществе с решёткой.
2. Атом — это ядро, состоящее из протонов и нейтронов, с вращающимися вокруг него на определённых орбитах электронами (про орбитали сознательно не говорим, упрощаем модель). Говорим просто — чем выше энергия электрона, тем на более высокой орбите он вращается. Не испытывая внешнего воздействия электроны стремятся выбросить часть этой энергии чтобы занять более устойчивые нижние орбиты, если они свободны.
3. Электрон — физическая частица (пусть условно он будет частицей), входящая в состав атома, и имеющая отрицательный заряд и некоторый уровень энергии. Заряд и энергия — разные вещи. Заряд электрона всегда постоянен и равен −1,6021766208(98)⋅10^−19 Кл. Энергия электрона, находящегося в составе атома, может меняться, но ступенчато, то есть, по какой-то причине она может принимать только определённые фиксированные значения.
Движение электронов вне атома в веществе в одном направлении называют «электричеством», или электрическим током, поскольку электронами перемещаются заряды, формирующие электрический ток.
4. Протон — физическая частица, входящая в состав ядра атома, и имеющая положительный заряд, по величине равный заряду электрона, но противоположный ему по знаку. Атомы разных элементов (например, водорода, гелия и т.п.) различаются количеством протонов в своём ядре. Протоны имеет положительный заряд, который по величине равен заряду электрона. Соответственно, если отнять электрон у атома, атом станет положительно заряженным. Если добавить лишний электрон к атому, атом станет отрицательно заряженным.
5. Электромагнитная волна — излучение, порождаемое выбросом излишка энергии электрона, переходящего с более высокого энергетического состояния на более низкое, например, при его переходе из свободного состояния на орбиту в атом. Чем больше разница в энергиях свободного состояния и орбиты, тем больше излишек энергии и, как следствие, выше частота излучённой волны. Видимый диапазон частот электромагнитных волн мы называем светом, цвет которого напрямую зависит от частоты волны.
Как излучает светодиод?
Принцип излучения света светодиодом достаточно прост. Внутри светодиода прижаты друг к другу два разных материала. Каждый из материалов подключен к своему выводу (ножке светодиода). Свойства одного материала обуславливают наличие в нём некоторых атомов с лишними электронами, находящимися на высокой внешней орбите, готовых оторваться, а свойства другого — наличие в нём атомов с недостатком электронов на внешней орбите, которая расположена ниже внешней орбиты атомов первого материала.
Подключив материал с избытком электронов к минусу батарейки а другой — к плюсу, мы создадим разность потенциалов, в результате которой все плохо закрепленные в атомах электроны, вращающиеся на высоких орбитах, начнут отталкиваться от отрицательного полюса и притягиваться к положительному. Они двинуться в сторону второго материала, заполняя пустые места в его атомах, находящиеся на более низких орбитах.
Поскольку раньше электроны находились на более высоких орбитах, то они имеют большую энергию, чем им нужно в новых атомах. Поэтому переходя на более низкую орбиту они выбрасывает лишнюю энергию в виде электромагнитной волны, то есть рождают свет.
Длина излучённой электромагнитной волны зависит от величины выделившейся из электрона энергии — чем больше энергия, тем сильнее сжата волна, выше её плотность, а значит, меньше её длина, и, как следствие, «синее» излучаемый свет.
При заполнения электронами ближнего слоя атомов второго материала, приложенная разность потенциалов заставит эти электроны не изменяя более своих энергий перескакивать по атомам дальше. Таким образом электроны пройдут через весь второй материал до положительного полюса батареи. А пока они будут идти, первый слой снова заполнится пришедшими из первого материала электронами, которые снова излучат свет при снижении своих орбит и всё повторится.
Заключение
Для тех, кто хочет узнать более подробно, как именно излучает свет светодиод на уровне атомов, читайте мою следующую статью. А пока подписывайтесь на канал, ставьте лайки и пишите свои мысли в комментариях. Пока!