Miljöfysik vt2009. Mikael Syväjärvi, IFM

Transkript

1 Miljöfysik vt2009 Mikael Syväjärvi, IFM

2 Energisituation I Sverige Cirka 150 TWh elektricitet kwh kwh per månad för hus 20-30% av energi belysning i hem Medelvärde - ca 20% hem, kontor, industri Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 2

3 Östgöta Correspondenten 8:e okt Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 3

4 Tidsperspektiv EU beslut 8 dec September 2009 Förbud mot alla matta glödlampor + klara 100 watts glödlampor September 2010 Förbud mot klara 75 watts glödlampor September 2011 Förbud mot klara 60 watts glödlampor September 2012 Förbud mot klara 40 och klara 25 watts glödlampor September 2013 Skärpta krav på lågenergilampor och LEDlampor September 2016 Skärpta krav på halogenlampor Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 4

5 Glödlampan Svartkropp 1879 Edison Tråd av volfram 2500 grader Celsius Smälter inte Förångas sakta vis hög temperatur Ström elektroner krockar med atomer 1000 timmar livslängd Material förångas Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 5

6 Halogenlampa Glödlampa Tillsatt halogengas Högre temperatur (ca 3000 o C) Mer ljus Vitare ljus (svartkropp mer blått) Förångat material tillbaka till tråden Livslängd ca 2000 timmar Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 6

7 Mindre än 10% av energin nyttjas Stor del i infraröda området (värme) Norden Värme bra (uppvärmning) Takhöjd värme stiger Energimyndigheten: max 50% värme Industri Maskiner ger värme Kylsystem (använder energi) Varma länder Ventilationssystem Värme från glödlampan ingen nytta Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 7

8 Lågenergilampor Rör med två elektroder Ström skapar urladdning Energi till kvicksilver Kvicksilver avger sin energi som UV ljus Beläggning insidan röret (fosfor) UV ljus ger energi till fosfor Fosfor avger energi som synligt ljus Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 8

9 Lågenergilampor Använder mindre energi än glödlampa Längre livslängd (10 ggr) Fladdrigt ljus när ström slås på Drar mer energi vid start Garderob, toalett mer energi Ej behagligt ljus Innehåller kvicksilver TV (kopiera länk och klistra in) om lågenergilampor Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 9

10 Lysdioder Hög faktor av ljus Reagerar snabbt Lång livstid Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 10

11 Kristall (halvledare) Lysdioden framställs ur ett halvledarmaterial En halvledare kan påverkas att leda olika bra Beror på tillämpning SiC wafer SiC wafer SiC boule SiC wafer SiC wafer SiC wafer Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 11

12 Kristall Byggs upp av atomer Atomer Byggs upp av små delar Kärna (neutroner och protoner) Omges av elektroner Elektroner har en laddning Vill använda dessa för att få en ström Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 12

13 Atomer olika antal elektroner Beroende på vilken atom: Olika antal elektroner (beskrivs med periodiska systemet) Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 13

14 Elektroner Bohrs modell: Elektroner i olika diskreta nivåer Antal platser per nivå är bestämt (2, 8, ) Krävs energi för att lyfta upp (eller bort) en elektron från kärnan Yttersta elektronerna i ej fullt skal Dessa är rörliga! För ström Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 14

15 Fler elektroner! Genom att tillföra andra atomtyper till kristallen får vi fler elektroner Ex vis P i Si kristall (5 vs 4 yttersta elektroner, se periodiska systemet) Kallas dopning 8 elektroner binder, en blir över Den överblivna används för ström! P kallas donator (donerar en elektron) Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 15

16 Atom med en elektron mindre Ex vis Al i Si kristall Den saknade elektronen kan beskrivas som ett hål Elektronen har negativ laddning Hålet har positiv laddning Minns att laddningar bygger upp ström Al kallas acceptor Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 16

17 Färger Ljus vågrörelse Bandgap (våglängd) E g ~1/λ Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 17

18 Lysdioder Informationslagring Skriver med ljus Ökad packningstäthet med kortare våglängd (blått ljus) DVD: 650 nm; BluRay 405 nm Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 18

19 Nitrider för lysdioder Al x Ga 1-x N In x Ga 1-x N InN GaN AlN Bandgap [ev] Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 19

20 Vita lysdioder Idag: Blått ljus + Fosfor Ej tillräckliga för allmänbelysning Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 20

21 Svårigheter Inga lämpliga substrat Kisel Safir Många defekter 10 8 defekter per kvadratcentimeter Trots detta LJUS! Böjningar vanligt Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 21

22 Effektivare Vita lysdioder Samtidig p och n dopning i SiC Donor-Acceptor luminescence Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 22

23 Effektivare Vita lysdioder Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 23

24 Effektivare Vita lysdioder Photoluminescence intensity wavelength [nm] Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 24

25 Effektivare Vita lysdioder Fördelar Mer naturligt vitt ljus Längre livstid jämfört med timmar Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 25

26 Vita lysdioder - energi Cirka 20% av energin används till ljus Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 26

27 Lysdioder med ultraviolett ljus Aluminiumnitrid Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 27

28 Lysdioder med ultraviolett ljus Aluminiumnitrid Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 28

29 Lysdioder med ultraviolett ljus Aluminiumnitrid Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 29

30 Nitrider för lysdioder Al x Ga 1-x N In x Ga 1-x N InN GaN AlN Bandgap [ev] Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 30

31 UV lysdioder Indelat i tre våglängdsområden UVA ( nm) UVB ( nm) UVC ( nm) samma som den farliga solen Döda mikroorganismer Rening Vatten Mat Luft Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 31

32 Hemuppgift 2 Tema Belysning och klimat Vindkraft, etanol, biogas diskuteras mycket men belysning? Vad är aktuellt? Lokalt Nationellt Globalt Belysningstillverkare i Sverige? Kanske ingen? (endast import?) Lampor Armatur Gör de något för klimatfrågan genom sin aktivitet? Vilka arbetar med lysdioder i Sverige? Kanske ingen? Tillverkning? Import? Annat? Sammanfatta i fri form Seminarium 1 vt2009 LSFYC3 - Miljöfysik - Mikael Syväjärvi 32