Энергия света управляет энергией электрического тока

Энергия света управляет энергией электрического тока

Волновая и квантовая оптика

УРОК 9/46

Тема. Применение фотоэффекта

Цель урока: закрепить знания учащихся о законах фотоэффекта при решении конкретных задач; ознакомить их с практическим применением явления фотоэффекта.

Тип урока: урок закрепления знаний.

1. Гипотеза Планка.

2. Явление фотоэффекта.

3. Законы фотоэффекта

Видео-фрагменты фильма «Строение и действие фотоэлементов»

Изучение нового материала

1. Применение фотоэффекта.

2. Решение задач

Закрепление изученного материала

1. Учимся решать задачи.

2. Контрольные вопросы

ИЗУЧЕНИЕ НОВОГО МАТЕРИАЛА

Явление фотоэффекта широко применяют в науке и технике: оно позволяет осуществить непосредственное преобразование энергии света в электрическую энергию. Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. В фотоэлементах энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в нее.

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому источники электроэнергии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука, записанного на кинопленке, а так же передача движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широко применяют фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

С явлением фотоэффекта связаны фотохимические процессы, протекающие под действием света в фотографических материалах.

1). Когда длину волны излучения, падающего на катод фотоэлемента, уменьшили от λ1 = 500 нм до λ2 = 400 нм максимальная скорость фотоэлектронов увеличилась в 2 раза. Определите красную границу фотоэффекта λ m ах для этого катода.

После изменения длины волны излучения максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов увеличилась в 4 раза. Согласно уравнению Эйнштейна для фотоэффекта

Исключая из этих уравнений Е k 1, найдем

Поскольку получаем Проверив единицы величин и подставив числовые значения, находим красную границу фотоэффекта: 545 нм.

2. На рисунке приведен график зависимости затримувальної напряжения от частоты электромагнитного излучения, которое действует на катод вакуумного фотоэлемента. Которая затримувальна напряжение соответствует точке А на графике?

3. На рисунке показана вольт-амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. На его катод действует свет, длина волны которого 450 нм. Найдите красную границу фотоэффекта для данного катода. (Ответ: 0,55 мкм)

4. Какой наименьшей напряжением полностью содержатся электроны, вырванные из вольфрамовой пластинки ультрафиолетовыми лучами, длина волны которых 0,1 мкм? Работа выхода для вольфрама 4,5 эв. (Ответ: 8.)

5. Работа выхода электронов из калия равна 2,25 эв. С какой скоростью вылетают электроны с калия, если его освещали монохроматическим светом, длина волны которого 365 нм?

6. Определите постоянную Планка, если с увеличением частоты электромагнитного излучения в процессе фотоэффекта на 1,21·10 11 кГц затримувальний потенциал увеличился на 0,5 В. (Ответ: 6,61·10-34 Дж·с)

Очень часто для измерения энергии заряженных частиц в атомной и ядерной физике применяют единицу, которая имеет название электрон-вольт:

Ø 7 электрон-вольт (1 эв) — это энергия, которую приобретает частица с зарядом, равен заряду электрона ( q 0 = 1,6·10 -34 Кл) при прохождении разности потенциалов в 1 В.

Презентация на тему: Фотоэффект и его законы.

№ слайда 1

Фотоэффект и его законы. Работу выполнила: Сачек Дарья Сергеевна, Ученица 11 «А», МОУ «СОШ № 95 им. Н. Щукина, п. Архара, Амурской области»

№ слайда 2

Цель: Изучить явление фотоэффекта.

№ слайда 3

Задачи: 1. Изучить зависи­мости фототока от освещен­ности фотоэлемента 2.Снять вольт-амперную характеристику фотоэлемента. 3.Рассмотреть практическое применение фотоэффекта.

№ слайда 4

В начале 20 века в физике произошла величайшая революция, стало понятно, что законы классической физики неприменимы к явлениям микромира. Возникли мнения о двойственной природе света. В начале 20 века в физике произошла величайшая революция, стало понятно, что законы классической физики неприменимы к явлениям микромира. Возникли мнения о двойственной природе света.

№ слайда 5

Марк Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Ученые всего мира проводили опыты по изучению световых явлений, и вот в 1887 году Герцем было открыто явление, которое было названо фотоэффектом. Марк Планк предположил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами. Ученые всего мира проводили опыты по изучению световых явлений, и вот в 1887 году Герцем было открыто явление, которое было названо фотоэффектом.

№ слайда 6

Фотоэффект – это испускание электронов телами под действием света.

№ слайда 7

Явление фотоэффекта было открыто в 1887 году Герцем. В 1888 году Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластины, приобретает положительный заряд. В этом же году Столетов создал первый фотоэлемент и применил его на практике. Явление фотоэффекта было открыто в 1887 году Герцем. В 1888 году Гальвакс показал, что при облучении ультрафиолетовым светом электрически нейтральной металлической пластины, приобретает положительный заряд. В этом же году Столетов создал первый фотоэлемент и применил его на практике.

№ слайда 8

ГЕРЦ Генрих Рудольф (1857-1894)

№ слайда 9

Немецкий физик, один из основоположников электродинамики. Экспериментально доказал существование электромагнитных волн и установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Открыл внешний фотоэффект . Немецкий физик, один из основоположников электродинамики. Экспериментально доказал существование электромагнитных волн и установил тождественность основных свойств электромагнитных и световых волн. Открыл внешний фотоэффект .

№ слайда 10

СТОЛЕТОВ Александр Григорьевич (1839 — 1896)

№ слайда 11

Российский физик. Открыл первый закон фотоэффекта. Основал физическую лабораторию в Московском университете. Российский физик. Открыл первый закон фотоэффекта. Основал физическую лабораторию в Московском университете.

№ слайда 12

Практически удобнее фотоэффект наблюдать в металлах. В металле валентные электроны коллективизированы и образуют, своеобpазный "электронный газ", заполняющий кристаллическую pешетку, составленную из ионов. Но "электронный газ" в металле "заперт": вблизи поверхности металла на электроны воздействуют силы, не позволяющие им выходить наружу. Практически удобнее фотоэффект наблюдать в металлах. В металле валентные электроны коллективизированы и образуют, своеобpазный "электронный газ", заполняющий кристаллическую pешетку, составленную из ионов. Но "электронный газ" в металле "заперт": вблизи поверхности металла на электроны воздействуют силы, не позволяющие им выходить наружу.

№ слайда 13

Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить одну закономерность , установленную Столетевым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента. Квантовая теория Эйнштейна позволила объяснить одну закономерность , установленную Столетевым. В 1888 Столетов заметил, что фототок появляется почти одновременно с освещением катода фотоэлемента.

№ слайда 14
№ слайда 15

ЭЙНШТЕЙН Альберт (1879-1955)

№ слайда 16

Физик-теоретик, один из основателей современной физики, иностранный член-корреспондент РАН и иностранный почетный член АН СССР . Получил Нобелевскую премию в 1921, за труды по теоретической физике, особенно за открытие законов фотоэффекта. Физик-теоретик, один из основателей современной физики, иностранный член-корреспондент РАН и иностранный почетный член АН СССР . Получил Нобелевскую премию в 1921, за труды по теоретической физике, особенно за открытие законов фотоэффекта.

№ слайда 17

По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется. По классической волновой теории электрону в поле световой электромагнитной волны требуется время для накопления необходимой для вылета энергии, и поэтому фотоэффект должен протекать с запаздыванием по крайне мере на несколько секунд. По квантовой теории же, когда фотон поглощается электроном, то вся энергия фотона переходит к электрону и никакого времени для накопления энергии не требуется.

№ слайда 18

Первый закон фотоэффекта. Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1с, прямо пропорционально интенсивности света.

№ слайда 19

Второй закон фотоэффекта. Максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастёт с частотой света и не зависит от его интенсивности.

№ слайда 20

Третий закон фотоэффекта. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. минимальная частота света v0(или максимальная длина волны y0), при которой ещё возможен фотоэффект, и если v<v0 , то фотоэффект уже не происходит.

№ слайда 21
№ слайда 22

Вывод: С увеличением разности потенциалов на фотоэлементе, увеличивается сила тока. Резкое увеличение происходит до 0,4 mA. Дальше график идет плавно, т.к фотоэлектроны перешли на положительный электрод.

№ слайда 23

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента получена в результате поставленного опыта

№ слайда 24

Вывод: Что с увеличением разности потенциалов в электрической цепи при прямом подключении, сила тока возрастает до определенного значения, затем не изменяется, (данный участок графика соответствует току насыщения).

№ слайда 25

В обратном подключении сила тока изменяется значительно медленно до определенного значения, затем с увеличением разности потенциалов сила тока равна нулю (данная точка носит названия задерживающего напряжения). В обратном подключении сила тока изменяется значительно медленно до определенного значения, затем с увеличением разности потенциалов сила тока равна нулю (данная точка носит названия задерживающего напряжения).

№ слайда 26

Применение фотоэффекта. Вакуумные фотоэлементы. Полупроводниковые фотоэлементы. ФотоЭДС. Вентильные фотоэлементы.

№ слайда 27

Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготавливают детали па заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и тому подобное. Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготавливают детали па заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и тому подобное.

№ слайда 28
№ слайда 29

Вывод: 1.Открытие фотоэффекта имеет большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

№ слайда 30

2. Фотоэффект широко используется в технике. С помощью специальных приборов – фотоэлементов – энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в неё. Фотоэлементы применяются в различных «видящих» автоматах. На явлении фотоэффекта основано устройство солнечных батарей. 2. Фотоэффект широко используется в технике. С помощью специальных приборов – фотоэлементов – энергия света управляет энергией электрического тока или превращается в неё. Фотоэлементы применяются в различных «видящих» автоматах. На явлении фотоэффекта основано устройство солнечных батарей.

№ слайда 31

Список литературы: Шпольский Э.В. Атомная физика. – М.: Изд-во физико-математической литературы, 1963. 575 с. Спроул Р. Современная физика. – М.: Наука, 1974. 390 с. Вихман Э. Квантовая физика. – М.: Наука, 1977. 415 с. Канарёв Ф.М. Начала физхимии микромира. – Краснодар, 2002. 320 с. (In Russian and in English).

№ слайда 32

Савельев И.В. Курс общей физики. – М.: Наука, 1998, т. 5, §2.2. Иродов И.Е. Квантовая физика. Основные законы. – М.: Лаборатория Базовых Знаний, 1999, §1.2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа, 1999, §36.1, §36.2.

Преобразование энергии — электрической, тепловой, механической, световой

Понятие энергии применяется во всех науках. При этом известно, что обладающие энергией тела могут производить работу. Закон сохранения энергии гласит, что энергия не исчезает и не может быть создана из ничего, а выступает в различных своих формах (например, в форме тепловой, механической, световой, электрической энергии и т. д.).

Одна форма энергии может переходить в другую, и при этом соблюдаются точные количественные соотношения различных видов энергии. Вообще говоря, переход одной формы энергии в другую никогда не происходит полностью, так как всегда возникают еще и другие (чаще всего нежелательные) виды энергии. Например, в электродвигателе не вся электрическая энергия переходит в механическую, а часть ее переходит в тепловую (нагрев про­водников токами, разогрев в результате действия сил трения).

Факт неполного перехода одного вида энергии в другой характеризует коэффициент полезного действия (КПД). Этот коэффициент определяется как отношение полезной энергии к ее общему количеству или же как отношение полезной мощности к общей.

Электрическая энергия имеет то преимущество, что ее можно сравнительно легко и с малыми потерями передавать на большие расстояния, и, кроме того, она имеет чрезвычайно широкий круг применений. Распределением электрической энергии относительно легко управлять, и в известных количествах ее можно аккумулировать и хранить.

В течение одного рабочего дня человек в среднем затрачивает энергию, равную 1000 кДж, или 0,3 кВт. Человеку нужно приблизительно 8000 кДж в виде пищи и 8000 кДж на отопление жилищ, производственных помещений, на приготовление пищи и т. д. Если добавить к этому энергетические затраты в промышленности и на транспорте, то на одного человека ежедневно приходятся энергетические затраты приблизительно в размере 200 000 ккал, или 60 кВт- ч.

Электрическая и механическая энергия

Электрическая энергия преобразуется в механическую в электродвигателях и в меньшей степени в электромагнитах. В обоих случаях используются эффекты, связанные с электромагнитным полем. Потери энергии, т. е. та часть энергии, которая не переходит в желаемую форму, складываются в основном из энергетических затрат на нагрев током проводников и потерь, связанных с трением.

Большие электродвигатели имеют КПД, превышающий 90%, а у небольших электродвигателей КПД несколько ниже этого уровня. Если, например, электродвигатель имеет мощность 15 кВт и КПД, равный 90 %, то его механическая (полезная) мощность 13,5 кВт. Если же механическая мощность электродвигателя должна быть равна 15 кВт, то потребляемая электрическая мощность при том же значении КПД — 16,67 кВт-ч.

Процесс перехода электрической энергии в механическую обратим, т. е. механическую энергию можно преобразовать в энергию электрическую (смотрите — Процесс преобразования энергии в электрическим машинах). Для этой цели применяются в основном генераторы, которые по своей конструкции подобны электродвигателям и могут приводиться в действие при помощи паровых турбин или гидротурбин. В таких генераторах также есть энергетические потери.

Электрическая и тепловая энергия

Если по проводнику протекает электрический ток, то электроны при своем движении сталкиваются с атомами материала проводника и побуждают их к более интенсивному тепловому движению. При этом электроны теряют часть своей энергии. Возникшая таким образом тепловая энергия, с одной стороны, приводит, например, к повышению температуры деталей и проводов обмоток в электрических машинах, и с другой — к повышению температуры окружающей среды. Следует различать полезную тепловую энергию и тепловую энергию потерь.

В электронагревательных приборах (электрокипятильники, утюги, нагревательные печи и т. д.) желательно стремиться к тому, чтобы электрическая энергия как можно полнее перешла в энергию тепловую. Иначе дело обстоит, например, в случае линий электропередачи или же электродвигателей, где возникающая тепловая энергия представляет собой нежелательное побочное явление, ввиду чего часто должны приниматься меры по ее отводу.

Вследствие возникшего повышения температуры тела тепловая энергия передается окружающей среде. Процесс передачи тепловой энергии реализуется в форме теплопроводности, конвекции и теплового излучения. В большинстве случаев весьма затруднительно дать точную количественную оценку общего количества выделяемой тепловой энергии.

Если какое-либо тело нужно разогреть, то значение его конечной температуры должно быть значительно выше требуемой температуры разогрева. Это необходимо для того, чтобы как можно меньше тепловой энергии передавалось окружающей среде.

Если же, напротив, разогрев температуры тела является нежелательным, то значение конечной температуры системы должно быть малым. Для этой цели создаются условия, способствующие отводу от тела тепловой энергии (большая поверхность контакта тела с окружающей средой, принудительная вентиляция).

Возникающая в электрических проводах тепловая энергия ограничивает значение тока, который допустим в этих проводах. Предельная допускаемая температура провода определяется термической стойкостью его изоляции. Для чего чтобы обеспечить передачу некоторой определенной электрической мощности, следует выбирать как можно меньшее значение тока и соответственно большое значение напряжения. При этих условиях снизятся затраты на материал проводов. Таким образом, электрическую энергию при большой мощности экономически целесообразно передавать при высоких напряжениях.

Переход тепловой энергии в электрическую

Тепловая энергия непосредственно превращается в электрическую в так называемых термоэлектрических преобразователях. Термопара термоэлектрического преобразователя состоит из двух металлических проводников, изготовленных из разных материалов (например, из меди и константана) и спаянных вместе одними своими концами.

При некоторой разности температур между точкой спая и двумя другими концами обоих проводников возникает ЭДС, которая в первом приближении прямо пропорциональна этой разнице температур. Эта термо-ЭДС, равная нескольким милливольтам, может быть зарегистрирована при помощи высокочувствительных вольтметров. Если вольтметр проградуировать в градусах Цельсия, то вместе с термоэлектрическим преобразователем полученное устройство можно применить для непосредственного измерения температуры.

Мощность преобразования невелика, поэтому такие преобразователи практически не применяются как источники электрической энергии. В зависимости от того, какие материалы применены для изготовления термопары, она работает в различных диапазонах температур. Для сравнения можно привести некоторые характеристики различных термопар: термопара медь — константан применима до 600 °С, ЭДС приблизительно 4 мВ на 100 °С; термопара железо — константан применима до 800 °С, ЭДС приблизительно 5 мВ на 100 °С.

Пример практического использования преобразования тепловой энергии в электрическую — Термоэлектрические генераторы

Электрическая и световая энергия

С точки зрения физики свет представляет собой электромагнитное излучение, которое соответствует определенному участку спектра электромагнитных волн и которое способен воспринимать человеческий глаз. К спектру электромагнитных волн принадлежат также радиоволны, тепловое и рентгеновское излучение. Смотрите — Основные светотехнические величины и их соотношения

Получить световое излучение при помощи электрической энергии можно в результате теплового излучения и путем газового разряда. Тепловое (температурное) излучение возникает в результате разогрева твердых или жидких тел, которые вследствие разогрева испускают электромагнитные волны с различными длинами волн. Распределение интенсивности теплового излучения зависит от температуры.

При повышении температуры максимум интенсивности излучения смещается в сторону электромагнитных колебаний с более короткой длиной волны. При температуре приблизительно 6500 К максимум интенсивности излучения приходится на длину волны 0,55 мкм, т. е. на ту длину волны, которой соответствует максимальная чувствительность человеческого глаза. Однако для нужд освещения никакое твердое тело до такой температуры нагрето, разумеется, быть не может.

Самую большую температуру разогрева выдерживает вольфрам. В вакуумных стеклянных баллонах его можно разогревать до температуры 2100 °С, а при более высоких температурах начинается его испарение. Процесс испарения может быть замедлен путем добавления некоторых газов (азота, криптона), благодаря чему представляется возможным поднять температуру накала до 3000 °С.

Для снижения потерь в лампах накаливания в результате возникающей конвекции нить накаливания выполняется в виде одинарной или двойной спирали. Однако несмотря на эти меры, показатель светоотдачи для ламп накаливания составляет 20 лм/Вт, что еще весьма турах далеко от теоретически достижимого оптимума. Источники теплового излучения имеют весьма малый КПД, так как в них большая часть электрической энергии переходит в энергию тепловую, а не в световую.

В газоразрядных источниках света электроны сталкиваются с атомами или молекулами газа и тем самым побуждают их к излучению электромагнитных колебаний с определенной длиной волны. В процессе излучения электромагнитных волн принимает участие весь объем газа, причем, вообще говоря, линии спектра такого излучения не всегда лежат в диапазоне видимого света. В нстоящее врямя в освещении нибольшее распространение находят светодиодные источники света. Смотрите — Выбор источников света про промышленных помещений.

Переход световой энергии в электрическую

Световая энергия может переходить в электрическую, причем этот переход возможен двумя различными с физической точки зрения путями. Такое преобразование энергии может быть результатом фотоэлектрического эффекта (фотоэффекта). Для реализации фотоэффекта применяются фототранзисторы, фотодиоды и фоторезисторы.

На границе раздела между некоторыми полупроводниками (германием, кремнием и др.) и металлами образуется граничная зона, в которой атомы обоих контактирующих материалов обмениваются электронами. При падении света на граничную зону электрическое равновесие в ней нарушается, в результате чего возникает ЭДС, под действием которой во внешней замкнутой цепи возникает электрический ток. ЭДС и, следовательно, значение тока зависят от падающего светового потока и длины волны излучения.

В качестве фоторезисторов используются некоторые полупроводниковые материалы. В результате воздействия света на фоторезистор в нем увеличивается число свободных носителей электрических зарядов, что вызывает изменение его электрического сопротивления. Если включить фоторезистор в электрическую цепь, то ток в этой цепи будет зависеть от энергий света, падающего на фоторезистор.

Химическая и электрическая энергия

Водные растворы кислот, оснований и солей (электролиты) проводят в той или иной степени электрический ток, что обусловлено явлением электрической диссоциации веществ. Некоторая часть молекул растворенного вещества (размер этой части определяет степень диссоциации) присутствует в растворе в виде ионов.

Если в растворе находятся два электрода, к которым приложена разность потенциалов, то ионы придут в движение, причем положительно заряженные ионы (катионы) будут двигаться по направлению к катоду, а отрицательно заряженные ионы (анионы) — к аноду.

Достигнув соответствующего электрода, ионы приобретают недостающие им электроны или же, наоборот, отдают лишние и в результате становятся электрически нейтральными. Масса материала, откладывающегося на электродах, прямо пропорциональна перенесенному заряду (закон Фарадея).

В граничной зоне между электродом и электролитом упругость растворения металлов и осмотическое давление противодействуют друг другу. (Осмотическое давление обусловливает осаждение ионов металлов из электролитов на электродах. Этот химический процесс сам является причиной возникновения разницы потенциалов).

Переход электрической энергии в химическую энергию

Для того чтобы в результате движения ионов добиться осаждения вещества на электродах, необходимо затратить электрическую энергию. Этот процесс называется электролизом. Такой переход электрической энергии в химическую находит применение в электрометаллургий для получения металлов (меди, алюминия, цинка и др.) в химически чистом виде.

В гальваностегии активно окисляющиеся металлы покрываются пассивными металлами (золочение, хромирование, никелирование и т. д.). В гальванопластике изготавливают объемные отпечатки (клише) различных тел, причем если такое тело сделано из непроводящего материала, то оно перед изготовлением отпечатка должно быть покрыто проводящим электрический ток слоем.

Переход химической энергии в электрическую

Если опустить в электролит два электрода, изготовленных из различных металлов, то между ними возникнет разность потенциалов, обусловленная различием в упругости растворения этих металлов. Если менаду электродами вне электролита включить приемник электрической энергии, например резистор, то в образовавшейся электрической цепи пойдет ток. Так устроены гальванические элементы (первичные элементы).

Первый медно-цинковый гальванический элемент был изобретен Вольта. В этих элементах происходит преобразование энергии химической в энергию электрическую. Работе гальванических элементов может помешать явление поляризации, возникающее в результате осаждения вещества на электродах.

Все гальванические элементы имеют тот недостаток, что в них химическая энергия преобразуется в электрическую необратимо, т. е. гальванические элементы нельзя заряжать вновь. Этого недостатка лишены аккумуляторы.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Группа МЖКХ 2 Физика 18.04. -30.04. Тема 1. Фотоэффект и его применение.
учебно-методический материал по физике

1. Изучить материал по теме «Фотоэффект и его применение». См. файл.

2. Составить опорный конспект.

3.Рассмотреть решение задач 1и2. Оформить их решения в тетрадь, изменив значения величин.

4.Подготовить сообщение или презентацию на тему «Применение фотоэффекта».

Скачать:

Предварительный просмотр:

Фотоэффект и его применение

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

энергия поглощается дискретными порциями – квантами .

Первый закон фотоэффекта : фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку. На основе фотоэффекта можно определить массу фотона, а также его импульс.

Законы фотоэффекта описываются формулами, которые связывают волновые и корпускулярные свойства света. Это заставило ученых принять корпускулярно-волновой дуализм , то есть, общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне . Оказалось, что при распространении свет ведет себя как волна, но при взаимодействии с веществом начинает проявлять корпускулярные свойства. В 1923 году Луи де Бройль высказал предположение о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только фотонам, но и другим частицам . Формула, описывающая соотношение де Бройля считается одной из основных формул в физике микромира.

благодаря фотоэффекту стало возможно передавать движущиеся изображение (то есть, телевидение), пришел конец эпохи немого кино, без участия человека включать или выключать уличное освещение, открывать или закрывать двери, поднимать и опускать шлагбаумы и так далее. Для подобных целей были изобретены особые устройства, которые называются фотоэлементами . Фотоэлементы – это устройства, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё .

Надо сказать, что явление фотоэффекта делится на внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект . Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света. Это явление применяется в вакуумных фотоэлементах. Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света. Это явление применяется в полупроводниковых фотоэлементах .

Рассмотрим устройство современного вакуумного фотоэлемента . Он представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла. Этот слой изготовлен из металла с малой работой выхода. Он служит катодом . Анодом служит проволочная петля (или диск), находящаяся в центре колбы. Анод улавливает фотоэлектроны. Анод присоединяется к положительному полюсу батареи, а катод – к отрицательному.

Когда свет через прозрачную часть колбы попадает на катод, в цепи возникает электрический ток (за счет движения электронов, вырванных из металла). Этот ток регистрируется тем или иным устройством, в результате чего включается (или наоборот выключается) реле. Эта схема работы лежит в основе всех, так называемых, видящих автоматов – тех же автоматических дверей . Когда человек подходит к такой двери, он закрывает собой свет, и на это незамедлительно реагирует фотоэлемент, а за ним и реле. Можно заметить похожую картину и в современных лифтах: если стоять в дверном проеме, то дверь не будет закрываться. По тому же принципу действуют турникеты в метро или освещение, которое автоматически включается, когда вы входите в помещение.

Под действием света образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к тому, что в полупроводнике n -типа накапливается все больше электронов, а в полупроводнике p -типа накапливается все больше дырок.

Таким образом, потенциал полупроводника p -типа увеличивается, а потенциал полупроводника n -типа уменьшается. В итоге, между полупроводниками образуется разность потенциалов, которая и создает ЭДС (эта ЭДС называется фотоЭДС ). При замыкании цепи в ней возникнет электрический ток, равный разности токов основных и неосновных носителей. Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и от сопротивления цепи.

Необходимо отметить, что полупроводниковые фотоэлементы создают ЭДС порядка 1–2 В, а их полезная мощность достигает

100 Вт, при коэффициенте полезного действия около двадцати 20 %. Поэтому встал вопрос об использовании полупроводниковых фотоэлементов в качестве экономичных источников тока. Ярким примером таких источников являются солнечные батареи. Солнечные батареи можно устанавливать на крышах домов и, таким образом, получать абсолютно бесплатную энергию от Солнца.

Например, Германия за 2013 год выработала 5,1 ТВт×ч электрической энергии, используя солнечные батареи. Однако, следует отметить, что изготовление солнечных батарей на данный момент стоит довольно дорого . Кроме того, для производства достаточного количества энергии в промышленных масштабах, требуются огромные площади для солнечных батарей . Тем не менее, солнечные батареи активно используются на космических станциях и кораблях.

Во многих случаях отдельные молекулы поглощают световые кванты, то есть получают определенную энергию. Этой энергии часто может быть достаточно, чтобы молекула расщепилась – то есть, чтобы произошла химическая реакция. Именно такие химические реакции легли в основу фотографии .

– Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

– В вакуумных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

– В полупроводниковых фотоэлементах используется внутренний фотоэффект.

– ФотоЭДС – это ЭДС создаваемое разностью потенциалов между полупроводниками p и n типа, из-за возникновения пар электрон-дырка под действием света.

– На явлении фотоэффекта основано устройство солнечных батарей .

– Явление фотоэффекта лежит в основе фотографии.

Все современные электронные устройства используют для передачи информации электроны. Сейчас идет разработка квантовых компьютеров. Однако есть и еще один, при этом не менее интересный путь развития. Создание, так называемых, фотонных компьютеров. И недавно группа исследователей из Университета Эксетера ( Великобритания ) обнаружила свойство частицы, которое может помочь в разработке новых компьютерных схем.

Электроны неплохо было бы заменить чем-то другим. Фотоны , имеющие гораздо большую скорость, подойдут для этого как нельзя кстати.

Группе исследователей из лаборатории Hewlett Packard удалось создать оптический процессор, на чипе которого присутствует 1052 оптических компонента, способные быстро и эффективно выполнять достаточно сложные вычисления.

Совсем недавно мы писали о совместной разработке российских и японских физиков по замедлению света . Но их австралийским коллегам удалось продвинуться еще дальше. Они смогли «заморозить» световой пучок. Отчет о проведенном исследовании опубликован в свежем номере журнала Nature Physics .

Группа ученых из МГУ имени М. В. Ломоносова и Технологического университета Тойохаши (что в Японии) разработала метод управления поворотом поляризации света. Как утверждают физики, это сможет открыть новые горизонты для развития систем оптической обработки информации, а также поможет в создании нового типа сверхбыстрых компьютеров.

Теперь, когда фотонные чипы уже стали реальностью, они должны пройти последний, самый важный тест: в космосе. NASA разрабатывает интегрированный фотонный модем, который будет использован для тестирования высокоскоростной лазерной связи между Землёй и космическим кораблём на низкой околоземной и геостационарной орбитах.