Hvad er det der frembringer lys?

Hej spørg om fysik
Fra fysiktimerne i folkeskolen lærte jeg, at det der skaber lys og varme, i f.eks. en pære, er elektronerne der "banker" mod atomerne og derved frigiver denne energi. Overgangen fra ledningen til glødetråden (med en mindre diameter) i pæren giver en endnu større "trængsel" af elektroner, hvorved lys/varme effekten forstærkes!

Spørgsmål:

1. Jeg går ud fra, at denne model er stærkt simplificeret, hvordan er elektronernes bevægelse i virkeligheden gennem kredsløbet ovenfor?
 
2. På elektron niveau, hvad er det så der frembringer lyset (er det vitterligt små eksplosioner fra sammenstødende mellem elektroner og atomer)?
 
3. Man snakker om at elektronerne afgiver dens energi til f.eks. glødetråden, men i virkeligheden er det vel f.eks batteriet der afgiver strøm, for at elektronerne kan holdes i bevægelse. Elektronerne er jo fuldstændig uændret før og efter glødetråden? Eller har jeg fået nogle elektroner galt i halsen? 

På forhånd tak

Med venlig hilsen
P S

Når elektroner bevæger sig i en leder, er det fordi der er en elektromotorisk kraft, der virker på lederen.

Denne elektromotoriske kraft kan stamme fra et batteri, hvor energien, der frembringer den, er kemisk. Fra en solcelle, hvor energien kommer fra lyset. Fra en dynamo, hvor der tilføres mekanisk energi osv. Det karakteristiske for disse energiomsættere er, at de har en spændingsforskel imellem polerne (højst når der ikke løber strøm). Forbindes en leder til polerne af en elektromotorisk kraft, vil der opstå et elektrisk felt, og ladninger der er i et felt påvirkes. En positiv ladning vil løbe imod den negative pol, og en negativ ladning imod den positive pol.

Er der tale om en metallisk leder som sølv, er det elektronerne i lederen, der kan flytte sig. Sølvatomerne har godt nok også en ladning, men de sidder fast i metalgitteret der danner tråden, og de kan altså ikke flytte sig. Den yderste elektron i hvert sølvatom, kan betragtes som indgående i en fælles "suppe" af elektroner, der er i hele stangen. Udsættes disse elektroner for et elektrisk felt, bevæger de sig i middel imod den positive pol på den elektromotoriske kraft. Under denne bevægelse hæmmes elektronernes bevægelser ved stød imellem elektroner og metalgitteret, urenheder, fejl i metalgitteret mm., og der opstår varme. Elektronerne bevæger sig på grund af stød i alle mulige retninger, men i middel imod den positive pol. Bevægelsen er normalt ikke specielt hurtig, men der er jo mange elektroner.

Eksempel: Har man et stykke sølvledning med arealet 1 mm², og længden 1 mm er der ca. 6*10¹⁹ elektroner. Er denne ledning i noget længere udgave forbundet til en el-plæneklipper med et effektforbrug på 2 kW, går der en strøm på P = U*I hvor P er effekten, U spændingen og I strømmen. Altså 2000W = 230 V *I eller I = 8,7 A. Elektronladningen pr. elektron er e = 1,60 * 10^-19 A*s, der skal altså passere n = 8,7 A/1,60*10^-19A*s = 5,4 * 10¹⁹ elektroner pr. sek. forbi et givet sted af ledningen.

Vi så ovenfor, at det var ca. det antal elektroner, der er i 1 mm³, altså elektronerne flytter sig ved denne ret store strøm i middel ca. 1 mm pr. sek. Hvordan kan det så være at motoren starter straks, når man trykker på afbryderen.

Jo, elektronerne flytter sig i hele længden af ledningen på en gang (de står jo i kø) så strømmen er der straks, selv om den enkelte elektron kun flytter sig lidt og langsomt.
Hvis det er et batteri der er i kredsen, stammer energien fra kemiske processer i batteriet. I 1800 udtænkte Grev Alessandro Giuseppe Antonio Anastasio Volta (1745 - 1827) den såkaldte Voltasøjle, som er forløberen for det elektriske batteri.

Her har Danmark haft en særlig plads, for det såkaldte tørelement (tidligere var indholdet af elementer flydende) er opfundet af danskeren Frederik Louis Wilhelm Hellesen.

Tigerbatteriet (i 1986 overtaget af Duracell). Disse giver anledning til en spændings-forskel imellem batteriets poler, for et almindeligt tørelement f.eks. 1,5 V. Denne spændings-forskel driver så ektroner rundt i kredsen og giver dem energi, og denne energi omsættes så siden til varme i batteri, ledning og glødetråd. Varmen afgives af elektronerne ved, at deres hastighed fremad bremses og ændres ved sammenstød med metalgitteret og hinanden (akkurat som bremseskiverne på en bil bliver varme ved en opbremsning).

En elektron der er bremset, får så igen fart på, fordi den påvirkes af det elektriske felt.

Elektrisk effekt kan også skrives P = R * I², hvor P er effekten, R modstanden og I strømmen.

Modstanden i en given tråd kan skrives R = ϱ * l/a hvor R er modstanden, ϱ resistiviteten, dvs. den modstand der er karakteristisk for et givet metal f.eks. sølv, l er længden af metaltråden og a arealet.

Det ses klart her, at des mindre areal, dvs. des tyndere tråd, des større modstand. Man kan også vælge passende metaller gerne med højt smeltepunkt, f.eks. gælder ϱ (sølv) = 0,0150*10^-6 Ω*m og ϱ (wolfram) = 0,0489*10^-6 Ω*m altså ca. 3 gange højere. Når man så ved at sølv smelter ved 962 ˚C og Wolfram ved 3422 ˚C er det klart, at man vælger det sidste materiale eller legeringer af det til glødetråde. Strømmen er ens i hele kredsen (elektronerne oplagres ikke nogen steder), så varmen opstår der vor modstanden er højst dvs. normalt i glødetråden.

Hvorfor lyser tråden så? Når man opvarmer en genstand vil den efterhånden blive glødende, fra mørk rød ved ca. 500 ˚C til lys rød ved 1500 ˚C eller mere og den går efterhånden over i hvidligt lys.

Det, der sker, er at elektronerne omkring atomet når, der tilføres energi ved stød med elektronsuppen, slås op i en række højere energiniveauer se også spørgsmålet om: Et spørgsmål om elektroner >> og falder tilbage under udsendelse af lys svarende til springet imellem energiniveauerne.

Samtidigt gælder, og det er den vigtigste årsag, at alle ladede legemer der accelereres (ændrer hastighed eller retning), udsender stråling f.eks. elektronerne i en TV-sender-antenne. De støder ind i hinanden, gitteret mm., vil altså udsende lys når de accelereres, og frekvensen (farven) afhænger af, hvor hurtigt de bevæger sig lige før stødet og efter stødet. Det betyder at lyset ved højere temperatur bliver mere og mere blåligt.

Ovenfor fandt vi en ganske ringe middelhastighed i feltets retning, men hastigheden som den enkelte elektron bevæger sig med, er langt større, og jo højere temperatur, desto større hastighed.

Det sker samtidigt for et enormt antal elektroner (se i boksen ovenfor, der er lige så mange atomer pr. mm³ som elektroner). Der kommer så lys ud i alle mulige farver, men mest i et bestemt område, der bestemmes af temperaturen, og beskrives ved det man kalder Plancks strålingslov. Se spørgsmålet om: Et sort legemes stråling >>, derfor varierer farven efter temperaturen. Der er altså i hovedsagen tale om stød imellem elektroner med hinanden, elektronerne omkring atomer i metalgitteret, og de elektroner, der er årsag til strømmen.

Med venlig hilsen
Malte Olsen