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如何向孩子解释「为什么太阳能可以发电」?

2021-11-22亲子

这就要首先解释解释,什么是「太阳能」,什么是「电」。

1、太阳能

这里说的「太阳能」,其实就太阳光所含有的能量。光,其实也是一种电磁波,准确的说,是电磁波谱中的一个波段。电磁波,听名字就知道,它是一种波,这就好比是一根绳子,你拿着一端上下甩动,然后这个上下的波动就会沿着绳子传播出去:

振动沿着绳子传播

电磁波其实是由两部分构成的,一个是电场,另一个磁场,电场波动产生磁场,磁场波动产生电场,这正是:

你中有我,我中有你。
你产生我,我产生你。
你爱我啊我爱你
电场磁场甜蜜蜜

好比两个瘸子相互扶持,才能一路前行。

电磁波(中的电场和磁场)在传播


在电磁波谱中,波长从760纳米到400nm的一段对应的就是可见光,而颜色则是红橙黄绿蓝靛紫的顺序:

电磁波谱

红外线的波长比红色还长,而紫外线的波长则比紫色更短,X射线和伽马射线则属于能量更高、波长更短的电磁波,而家用微波炉中使用的就是微波,它的波长更长,频率更低。

2、电

我们普通说的「电」,可以认为就是电线里的「电流」。那电流又是什么呢?

导线一般都是导体,比如各种金属。金属则是由原子构成的,原子是由带正电的原子核和带负电的电子构成的,原子核特别重,而电子特别轻。

原子

在导体中,有一部分的电子放荡不羁爱自由,原子核束缚不太住它们,因此这些电子就能很容易地在原子之间自由穿梭。当把导线连接到电池两端的时候,就会在导线内形成一个电场。电子带电,在电场中会受到电场力的作用而运动。所以导线中的电子就会移动,形成电流。就好比是水在水管中流动一样,水泵就好比是电池,提供动力。

3、太阳能发电

刚才说的,其实可以提炼出两个重点:

  1. 电子在电场中会受到电场力的作用;
  2. 电磁波中也有电场。

所以,太阳发出的电磁波,里面的电场和磁场相互扶持,一瘸一拐地来到地面,照到太阳能电池板中。

太阳能电池板跟导体不一样:导体中有一部分电子放荡不羁爱自由,原子核束缚不住它;而太阳能电池板用的是半导体,其中的电子能被原子核束缚住,但是也容易被别的原子核拐跑,束缚住了,但又没完全束缚住。

所以,当阳光照射到太阳能电池板上时,里面的电场还在振荡呢,电子也就跟着振荡,这个电场就把电子甩啊甩啊,没几下就给甩出来了,也变得放荡不羁爱自由了。

于是,这些被甩出来的电子也就形成了电流,也就是,太阳能发电了。

因为是讲给小孩子听的,所以本文中的一些内容做了简化和形象化处理:

1、电子在磁场中也有力的作用;

2、实际上,太阳能发电是涉及到了光电效应,完整地解释需要用到量子力学的概念,而不应该使用经典的电磁场和电子运动轨道的概念。

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