Номер 3, страница 187 - гдз по физике 8 класс учебник Громов, Родина

Глава 3. Электрические явления. Параграф 45. Лампа накаливания. Темы докладов - номер 3, страница 187.

Условие.

3. Нанотехнологии и электричество.

Решение.

3. Нанотехнологии и электричество

Нанотехнологии — это междисциплинарная область науки и техники, которая занимается созданием и использованием материалов, устройств и систем, функциональные элементы которых имеют размеры в нанометровом диапазоне (от 1 до 100 нм). Взаимосвязь нанотехнологий и электричества является одной из самых перспективных и быстроразвивающихся областей, поскольку на наноуровне материалы проявляют уникальные квантовые и электрофизические свойства, которые кардинально отличаются от их свойств в макроскопическом состоянии. Это открывает возможности для создания нового поколения электронных и энергетических устройств.

Генерация и преобразование энергии

Нанотехнологии предлагают революционные подходы к производству электроэнергии из различных источников.

• Солнечные батареи (Фотовольтаика): Наноструктурированные материалы, такие как квантовые точки, нанопроволоки и наночастицы, позволяют значительно повысить эффективность (КПД) солнечных элементов. Они способны поглощать более широкий спектр солнечного света и улучшать процессы разделения и переноса зарядов, снижая рекомбинационные потери. Например, использование квантовых точек позволяет преодолеть теоретический предел эффективности для кремниевых ячеек.

• Термоэлектричество: Нанотехнологии позволяют создавать материалы с высокой термоэлектрической добротностью ($\text{ZT}$), которая определяется формулой $ZT = \frac{S^2 \sigma T}{\kappa}$, где $\text{S}$ — коэффициент Зеебека, $\sigma$ — электропроводность, $\kappa$ — теплопроводность, а $\text{T}$ — абсолютная температура. Наноструктурирование материалов позволяет одновременно повысить электропроводность и резко снизить теплопроводность, что ведет к росту $\text{ZT}$ и открывает путь к эффективному преобразованию бросового тепла в электроэнергию.

• Наногенераторы: Разрабатываются пьезоэлектрические и трибоэлектрические наногенераторы, способные преобразовывать механическую энергию (вибрации, движение, звуковые волны) в электричество. Они могут использоваться для питания миниатюрных датчиков, носимой электроники и вживляемых медицинских устройств.

Ответ: Нанотехнологии позволяют создавать новые, более эффективные способы генерации электроэнергии из различных источников, включая свет, тепло и механическое движение, повышая КПД преобразования и открывая новые возможности для автономных систем.

Хранение энергии

Эффективное хранение электроэнергии — ключевая задача для развития возобновляемой энергетики и портативной электроники. Нанотехнологии вносят здесь решающий вклад.

• Аккумуляторы: Применение наноматериалов в электродах литий-ионных аккумуляторов позволяет решить их ключевые проблемы. Например, аноды из кремниевых нанопроволок могут выдерживать значительные изменения объема при циклировании (заряд-разряд), что предотвращает их разрушение и увеличивает емкость в несколько раз по сравнению с графитовыми анодами. Использование графена или углеродных нанотрубок в электродах улучшает их электропроводность и стабильность, что приводит к увеличению емкости, скорости зарядки и срока службы батарей.

• Суперконденсаторы (Ионисторы): Эффективность суперконденсаторов напрямую зависит от площади поверхности электродов. Наноматериалы с чрезвычайно высокой удельной поверхностью, такие как графен, активированный уголь и углеродные нанотрубки, являются идеальными для электродов. Они обеспечивают огромную емкость и возможность сверхбыстрой зарядки и разрядки, что делает их незаменимыми в системах, требующих высокой пиковой мощности.

Ответ: Благодаря нанотехнологиям создаются более емкие, долговечные и быстрозаряжаемые устройства для хранения электроэнергии, такие как аккумуляторы и суперконденсаторы нового поколения, что является критически важным для электромобилей, портативной электроники и стабильности энергосетей.

Передача энергии, энергоэффективность и наноэлектроника

От передачи энергии до конечного потребления в электронных устройствах нанотехнологии играют фундаментальную роль.

• Проводники: Углеродные нанотрубки и графен обладают исключительно высокой электропроводностью, прочностью и могут выдерживать плотности тока, на порядки превышающие возможности меди. В перспективе они могут заменить традиционные металлы в линиях электропередач и микросхемах, что снизит потери энергии и вес конструкций.

• Освещение: Квантовые точки произвели революцию в светодиодных (LED) технологиях. Они используются для преобразования света, позволяя создавать лампы и дисплеи (QLED) с почти идеальной цветопередачей, высокой яркостью и повышенной энергоэффективностью.

• Наноэлектроника: Основа современной электроники — транзистор — постоянно уменьшается в размерах, и этот процесс уже давно вошел в наноразмерную область. Дальнейшая миниатюризация и повышение производительности процессоров связаны с переходом к новым материалам (графен, 2D-материалы) и архитектурам (например, одноэлектронные транзисторы). Это позволяет создавать более мощные и одновременно более экономичные вычислительные системы.

Ответ: Нанотехнологии революционизируют электронику, делая компоненты меньше, быстрее и энергоэффективнее, а также улучшают системы передачи и потребления электроэнергии, от сверхпроводящих кабелей до высокоэффективных дисплеев.