Явище фотоефекту

     

 

         Реферат на тему:

   Явище фотоефекту

 

 

 

 

                                                                                              Виконала:

                                                                                 учениця 11-Б класу

                                                                                    Опацька Оксана

 

 

 

 

 

 

                                                     м.Чортків

                                                        2013

                   1.Фотоефекти

У 1887 році Г. Герц спостерігав  явище, яке згодом стало поштовхом  у розвитку квантових уявлень  про природу світла. Під час  опромінення ультрафіолетовим світлом  негативно зарядженої пластинки  відбувався сильніший електричний  розряд, ніж за відсутності такого опромінення. Як з'ясувалося пізніше, це було проявом явища фотоефекту — виходу електронів з тіла в інше середовище або вакуум під дією електромагнітного випромінювання. Цей вид фотоефекту називають зовнішнім, або фотоелектронною емісією (Мал.1.).

       Мал . Ілюстрація вибивання фотоелектронів із металевої пластини.

Фотоефект є  результатом трьох послідовних  процесів: поглинання фотона, внаслідок чого енергія одного електрона стає більшою за середню; руху цього електрона до поверхні тіла; виходу його за межі тіла в інше середовище через поверхню поділу.                                                                    У 1888—1889 р. це явище докладно вивчав російський учений О. Г. Столєтов (1839— 1896). Він виготовив конденсатор, одна з обкладок якого С була сітчастою, й увімкнув його в електричне коло з гальванометром (Додаток Б).       Коли на негативно заряджену цинкову обкладку Р падає ультрафіолетове світло, у колі виникає струм, який фіксує гальванометр. Якщо джерело струму Е увімкнути протилежно (обкладку Р приєднати до позитивного полюса), то струм у колі не йтиме. За допомогою потенціометра R напругу на конденсаторі можна змінювати.                                 Вивчивши за допомогою такої установки залежність сили струму від частоти хвилі світла, його інтенсивності, інших характеристик випромінювання, О. Г. Столєтов установив три закони фотоефекту:                                                                                                                                                            1)число електронів, що вилітають із поверхні тіла під дією електромагнітного випромінювання, пропорційне його інтенсивності. У 1888 р. німецький фізик В.Гальвакс встановив, що під дією світла металева пластинка заряджається позитивно ;                                                                                     2) для кожної речовини залежно від її температури і стану поверхні існує мінімальна частота світла VQ, за якої ще можливий зовнішній фотоефект;                                                                                                3) максимальна кінетична енергія фотоелектронів залежить від частоти опромінення і не залежить від його інтенсивності.

При поясненні цих висновків  на основі хвильової теорії виникли  протиріччя між її положеннями й  одержаними результатами. Це змусило  вчених шукати інше тлумачення механізму  поглинання світлового випромінювання. З цією метою А.Ейнштейн застосував квантові уявлення про природу світла і на їх основі вивів рівняння фотоефекту.

де ν — частота світла, h — стала Планка, m — маса електрона, v — його швидкість, A — робота виходу. Це співвідношення називають рівнянням Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту. За пояснення законів зовнішнього фотоефекту А. Ейнштейн у 1922 р. був удостоєний Нобелівської премії.   Як відомо, для того щоб електрон покинув тверде тіло або рідину, він має виконати роботу виходу A0, тобто подолати енергетичний бар'єр взаємодії з атомами і молекулами, які утримують його всередині тіла. За квантовою теорією поглинання світла, це передавання фотоном усієї своєї енергії мікрочастинкам речовини. Отже, фотоефект може відбутися лише за умови, що фотон має енергію більшу за роботу виходу (hv > A0); якщо ж hv < А0, то фотоефект неможливий. Якщо енергія фотона, передана електрону внаслідок поглинання світла, більша за роботу виходу, то електрон набуває кінетичної енергії.                                                                                              Мінімальну частоту v0 (або максимальну довжину хвилі 0) випромінювання, яке ще викликає зовнішній фотоефект, називають червоною межею фотоефекту.                                               

 

              

                 2.Практичне застосування фотоефекту.

Явище фотоефекту практично  було застосоване в пристроях  для прямого перетворення світлової  або сонячної енергії в електроенергію, які називаються фотоелементами (з англійської Photovoltaics, від грецького photos – світло і назви одиниці електрорушійної сили – вольт) Історія фотоелементів бере початок в 1839 році, коли французький фізик Едмон Беккерель відкрив фотогальванічний ефект. За цим послідували подальші відкриття:                                                             У 1883 р. електрик з Нью-Йорка Чарльз Фріттс виготовив фотоелементи з селену, які перетворять світло у видимому спектрі в електрику і мають ККД 1-2%. (світлочутливі елементи для фотоапаратів до цих пір роблять з селену).                                                                                                                                  На початку 50-х років ХХ століття був винайдений метод Чохральського, який застосовується для вирощування кристалічного кремнію.                                                                                                           Перша сонячна батарея була створена в 1953 році вченими Національного аерокосмічного агентства США, які створили справжню сонячну батарею - пристрій, що безпосередньо перетворює енергію сонця в електрику.                                                                                                                                             У 1954 р. в лабораторії компанії «Bell Telephone» синтезували силіконовий фотоелектричний елемент з ККД 4%, надалі ефективність досягла 11%.

Подальша історія розвитку технології фотоелементів:                                                                                     1974 - перша аморфна кремнієва батарея;                                                                                                    1983 - перша електростанція на основі сонячних батарей з потужністю більш 1мегаватт;              1984 - США, електростанція на основі сонячних батарей потужністю 6,5 мегават;                                  1985 - перша сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 20%;                                                1987 - перше серійне виробництво сонячних батарей в Європі;                                                                  1989 - сонячна батарея з коефіцієнтом корисної дії більше 30%;                                                              2007 - дослідники з Делавера (США) створили сонячну батарею, яка володіє рекордною ефективністю - 42,8%. Батарея, виконана на основі полікристалічного кремнію.

                    3.Сонячні батареї.

Напівпровідникові фотоелектричні елементи, що працюють на принципі перетворення світлової енергії сонячного  випромінювання безпосередньо в  електрику називають сонячними  батареями.

Мал. 2. Схема роботи кремнієвої сонячної батареї: 1 - чистий монокристалічний кремній;                    2 - «забруднений» кремній; 3 – акумулятор.

Тонка пластина складається  з двох шарів кремнію з різними  фізичними властивостями. Внутрішній шар являє собою чистий монокристалічний кремній. Зовні він покритий дуже тонким шаром «забрудненого» кремнію, наприклад з домішкою фосфору. Після  опромінення такої «вафлі» сонячними  променями між шарами виникає  потік електронів і утворюється  різниця потенціалів, а в зовнішньому  ланцюзі, що з'єднує шари, з'являється електричний струм.                                          При цьому генерується постійний струм. Енергія може використовуватися як напряму різними навантаженнями постійного струму, запасатися в акумуляторних батареях для подальшого використовування або покриття пікового навантаження, а також перетворюватися в змінний струм напругою 220 В для живлення різного навантаження змінного струму.                                           

           

                      4.Сонячні модулі.

Сонячний модуль - це батарея  взаємозв'язаних сонячних елементів, укладених  під скляною кришкою. Фотоелектричну систему можна довести до будь-якого  розміру. Власник такої системи  може збільшити або зменшити її, якщо зміниться його потреба в  електроенергії. У міру зростання  енергоспоживання і фінансових можливостей, домовласник може додавати модулі (Додаток  Г). Чим інтенсивніше світло, падаюче  на фотоелементи і чим більше їх площа, тим більше виробляється електрики  і тим більше сила струму. Модулі класифікуються по піковій потужності у ватах (Втп). Ват - одиниця вимірювання потужності. Один піковий ват - технічна характеристика, яка указує на значення потужності установки в певних умовах, тобто коли сонячне випромінювання в 1 кВт/м2 падає на елемент при температурі 25 оC. Така інтенсивність досягається за хороших погодних умов і Сонця в зеніті. Щоб виробити один піковий ват, потрібен один елемент розміром 10 x 10 см. Крупніші модулі, площею 1 м x 40 см, виробляють близько 40-50 Втп. Проте сонячна освітленість рідко досягає величини 1 кВт/м2. Більш того, на сонці модуль нагрівається значно вище за номінальну температуру. Обидва ці чинника знижують продуктивність модуля. В типових умовах середня продуктивність складає близько 6 Вт·ч в день і 2000 Вт·ч в рік на 1 Втп. 5 ват-година - це кількість енергії, споживана лампочкою 50-вата протягом 6 хвилин (50 Вт x 0,1 ч = 5 Вт·ч) або портативним радіоприймачем протягом години (5 Вт x 1 ч = 5 Вт·ч).                                                                                                                                                                         

                        5.Використання сонячних батарей.

Технології використання сонячної енергії активно розвиваються в багатьох країнах світу. Деякі  з них вже досягли комерційної  зрілості, успішно конкурують на ринку  енергетичних послуг і навіть увійшли до повсякденного вжитку.  У Німеччині, наприклад, в рамках проекту «Тисяча дахів» 2250 будинків було обладнано фотоелектричними сонячними батареями. В США була прийнята ще масштабніша програма «Мільйон сонячних дахів», яка розрахована на період до 2010 року і склала 6,3 млрд доларів бюджетних вкладень. Встановлена потужність сонячних фотоелектричних перетворювачів в світі перевищує 1 ГВт, причому на частку Японії доводиться 50%. Україна, на жаль, набагато відстає по рівню вживання цих джерел енергії, хоча по праву може вважатися одним з родоначальників цього напряму. Багато космічних апаратів обладнано сонячними панелями, розробленими і випущеними в Києві.                                                                         В Каракумах для зварки конструкцій ферми застосували розроблений туркменськими фахівцями апарат, що використовує енергію сонця. Замість того, щоб привозити з собою громіздкі балони із стислим газом, зварювачі можуть використовувати невеликий акуратний чемоданчик, куди поміщена сонячна батарея. Народжений сонячним промінням постійний електричний струм використовується для хімічного розкладання води на водень і кисень, які подаються в пальник газозварювального апарату. Вода і сонце в Каракумах є біля будь-якого колодязя, так що громіздкі балони, які нелегко возити по пустелі, стали непотрібними.                                                                        Велика сонячна електростанція потужністю близько 300 кіловат створюється в аеропорту міста Фенікс в американському штаті Арізона. Сонячну енергію в електрику перетворюватиме сонячна батарея, що складається з 7 200 сонячних елементів. В тому ж Штаті діє одна з найбільших в світі іригаційних систем, насоси якої використовують енергію сонця, перетворену в електрику фотоелементами. В Нігері, Малі і Сенегалі теж діють сонячні насоси. Величезні сонячні батареї живлять електроенергією мотори насосів, які піднімають прісну воду, необхідну в цих пустинних місцевостях, з величезного підземного моря, розташованого під пісками.                                          Сонячні батареї поступово входять в наш побут. Вже нікого не дивують мікрокалькулятори, що працюють без батарей. Джерелом живлення для них служить невелика сонячна батарея, вмонтована в кришку приладу. Замінюють інші джерела живлення мініатюрною сонячною батареєю і в електронному годиннику, радіоприймачах і магнітофонах, садових ліхтарях. З'явилися сонячні радіотелефони-автомати уздовж доріг в пустелі Сахара. Перуанське місто Тірунтам стало володарем цілої радіотелефонної мережі, що працює від сонячних батарей. Японські фахівці сконструювали сонячну батарею, яка за розмірами і формою нагадує звичайну черепицю. Якщо такою сонячною черепицею покрити будинок, то електроенергії вистачить для задоволення потреб його мешканців. Правда, поки неясно, як вони обходитимуться в періоди снігопадів, дощів і туманів? Без традиційної електропроводки обійтися, мабуть, не вдасться.                                   Конкуренції сонячним батареям не має там, де сонячних днів багато, а інших джерела енергії не використовуються. Наприклад, зв'язківці з Казахстану встановили між Алма-Атою і містом Шевченка на Мангишлаці дві радіорелейні станції ретрансляцій для передачі телепередач.Але не прокладати ж для їх живлення лінію електропередачі. Допомогли сонячні батареї, які дають в сонячні дні, а їх на Мангишлаке багато - цілком достатньо енергії для живлення приймача і передавача.

Хорошим сторожем для тварин, що пасуться, служить тонкий дріт, по якому пропущений слабкий електричний  струм. Але пасовища звичайно розташовані  оддалік ліній електропередач. Вихід  запропонували французькі інженери. Вони розробили автономну огорожу, яку живить сонячна батарея. Сонячна  панель вагою всього півтора кілограми  дає енергію електронному генератору, який посилає в подібний забір імпульси струму високої напруги, безпечні, але достатньо чутливі для тварин. Однієї такої батареї вистачає, щоб побудувати огорожу завдовжки 50 кілометрів.

Мексиканські конструктори розробили електромобіль, енергію  для двигуна якого доставляють  сонячні батареї. По їх розрахунках, при поїздках на невеликі відстані цей електромобіль зможе розвивати  швидкість до 40 кілометрів на годину. Світовий рекорд швидкості для сонцемобіля - 50 кілометрів на годину - розраховують встановити конструктори з ФРН.

А ось австралійський інженер  Ганс Толструп назвав свій сонцемобіль «Тихіше їдеш - далі будеш». Конструкція його гранично проста: трубчаста сталева рама, на якій укріплені колеса і гальма від гоночного велосипеда. Корпус машини зроблений з склопластика і нагадує собою звичайну ванну з невеликими віконцями. Зверху вся ця споруда накрита плоским дахом, на якому закріплено 720 кремнієвих фотоелементів. Струм від них поступає в електромотор потужністю в 0,7 кіловати. Мандрівники (а окрім конструктора, в пробігу брав участь інженер і автогонщик Ларрі Перкинс) поставили своєю задачею перетнути Австралію від Індійського океану до Тихого (це 4130 кілометрів!) не більше ніж за 20 днів. На початку 1983 року незвичайний екіпаж стартував з міста Перт, щоб фінішувати в Сіднеї. Не дивлячись на труднощі, сонцемобіль неухильно просувався до мети, знаходячись в дорозі 11 годин щодня. Середня швидкість машини склала 25 кілометрів на годину.

 

 

                        6.Висновки.

1.Ще в старовині люди почали замислюватися про можливість вживання сонячної енергії.

2.Явище фотоефекту практично застосовується в пристроях для прямого перетворення світлової або сонячної енергії в електроенергію.

3.Одним з найперспективніших напрямків енергозабезпечення на сьогодні є сонячна енергетика за рахунок того, що сонячне випромінювання надходить в достатній кількості на майже усю поверню Землі.

4.Загальним недоліком традиційних електростанцій є згубний вплив на середовище. Альтернативнне джерело енергії – сонячні батареї - можуть гарантувати певну екологічну безпеку.

5.Людина може використовувати сонячні батареї для забезпечення своїх потреб вже сьогодні.