Разработка демонстрационной установки для изучения явления фотоэффекта на базе школы

VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Разработка демонстрационной установки для изучения явления фотоэффекта на базе школы

Павловская В.А. 1
1МОУ "Гимназия №4"
Бочко Е.С. 1
1МОУ "Гимназия № 4"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Использование аккумуляторов и батареек приносит большой вред экологии. Но что бы исправить экологическую ситуацию, необходимо находить альтернативные источники энергии, которые будут безопасны для окружающей среды. Не иссекаемый поток энергии - Солнце. Современные учёные уже давно научились преобразовывать солнечную энергию в электрическую с использованием фотоэлементов. Однако, в большинстве школ явление фотоэффекта подробно не изучается. В первую очередь это связано с отсутствием наглядного демонстрационного оборудования. Изучив литературу и интернет, мы пришли к выводу, что отсутствие оборудования связано в большей степени с его дороговизной.

Цели и задачи

Цели работы:

- изучить явления фотоэффекта;

- создать демонстрационную установку для наглядного изучения явления фотоэффекта.

Для достижения поставленных целей необходимо:

- изучить теоретические вопросы, а именно: понятие фотоэффекта, его открытие, основные законы и, виды фотоэлементов, а также их применение;

- на основании изученного материала экспериментально изучить явление фотоэффекта на созданной демонстрационной установке.

Основная часть.

Теоретическая часть. Фотоэффект

Фотоэффект — процесс взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние) фотоэффект.

Первым, кто наблюдал фотоэффект, был французский физик Александр Беккерель, в 1839 году. Томсон в 1898 году экспериментально установил, что поток электрического заряда, выходящий из металла при внешнем фотоэффекте, представляет собой поток открытых им ранее частиц (позже названных электронами). Поэтому увеличение фототока с ростом освещённости следует понимать, как увеличение числа выбитых электронов с ростом освещённости. В 1888—1890 годах фотоэффект систематически изучал русский физик Александр Столетов, опубликовавший 6 работ. Им были сделаны несколько важных открытий в этой области.

Фотоэффект был объяснён в 1905 году Альбертом Эйнштейном. В работе Эйнштейна содержалась важная новая гипотеза — если Планк в 1900 году предположил, что свет излучается только квантованными порциями, то Эйнштейн уже считал, что свет и существует только в виде квантованных порций. Из закона сохранения энергии, при представлении света в виде частиц (фотонов), следует формула Эйнштейна для фотоэффекта:

, где

А - работа выхода (минимальная энергия, необходимая для удаления электрона из вещества;

максимальная кинетическая энергия вылетающего электрона;

V - Частота падающего фотона с энергией h×v.

h - Постоянная планка, или основная константа квантовой теории, или коэффициент, связывающий величину энергии кванта электромагнитного излучения с его частотой, так же как и вообще величину кванта энергии любой линейной колебательной физической системы с её частотой.

Классификация фотоэффектов

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэффект - явление возрастания электропроводности и уменьшения сопротивления, вызванное облучением. Объясняется перераспределением электронов по энергетическим состояниям в твёрдых и жидких полупроводниках и диэлектриках, происходящее под действием излучений, проявляется в изменении концентрации носителей зарядов в среде, приводит к возникновению фотопроводимости

Вентильный фотоэффект

Вентильный фотоэффект - явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит).

Фотовольтаический эффект

Фотовольтаический эффект - возникновение электродвижущей силы под действием электромагнитного излучения.

Сенсибилизированный фотоэффект

Сенсибилизированным фотоэффект - фотоэффект, сопровождающийся явлением сенсибилизации, то есть изменением величины и спектра фоточувствительности в широко зонных фотопроводниках органической и неорганической природы в зависимости от структуры молекулярных соединений.

Фотопьезоэлектрический эффект

Фотопьезоэлектрический эффект - явление появления в полупроводнике фотоэлектродвижущей силы в условиях внешнего неравномерного сжатия полупроводника.

Фотомагнитныйэффект

Фотомагнитный эффект - возникновение электродвижущей силы в освещенном однородном полупроводнике в магнитном поле.

Ядерный фотоэффект

При поглощении гамма-кванта ядро получает избыток энергии без изменения своего нуклонного состава, а ядро с избытком энергии является составным ядром. Как и другие ядерные реакции, поглощение ядром гамма-кванта возможно только при выполнении необходимых энергетических и спиновых соотношений. Если переданная ядру энергия превосходит энергию связи нуклона в ядре, то распад образовавшегося составного ядра происходит чаще всего с испусканием нуклонов, в основном нейтронов. Такой распад ведёт к ядерным реакциям, которые и называются фотоядерными, а явление испускания нуклонов (нейтронов и протонов) в этих реакциях — ядерным фотоэффектом.

Многофотонный фотоэффект

В сильном электромагнитном поле с атомом в элементарном акте фотоэффекта могут взаимодействовать несколько фотонов. В этом случае ионизация атома возможна с помощью излучения с энергией квантов h ν > E n.

Внешний фотоэффект.

Внешний фотоэффект - процесс взаимодействия света или любого другого электромагнитного излучения с веществом, в результате которого энергия фотонов передается электронам вещества. В конденсированных (твёрдых и жидких) веществах выделяют внешний (поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела) и внутренний (электроны, оставаясь в теле, изменяют в нем свое энергетическое состояние) фотоэффект.

Законы внешнего фотоэффекта.

Первый закон фотоэффекта (закона Столетова): Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения.

Второй закон фотоэффекта: максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его плотности.

Третий закон фотоэффекта: для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта.

Объяснение этих законов было дано в 1905 году Альбертом Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией h ν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода A, покидает металл: h ν = A + W k — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.

Фотоэлемент.

Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века. Представляет собой прибор двумя электродами – фотокатодом и анодом, помещёнными в вакуумированный или наполненный газом стеклянный баллон.

Принцип работы фотоэлемента.

Устройство представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. С ее внутренней стороны нанесен светочувствительный слой щелочного металла (катод). Он контактирует с проводом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания. В середине устройства расположен электрод, называемый анодом. Он соединен с положительным полюсом. Под воздействием света из катода вырываются электроны. В электромагнитном поле они устремляются к аноду, создавая в цепи ток. Принцип работы фотоэлемента представлен на рисунке 1

Рисунок 1. Принцип работы фотоэлемента.

Виды фотоэлементов

Фоторезистор - полупроводниковый резистор, сопротивление которого чувствительно к электромагнитному излучению в оптическом диапазоне спектра. Изображение фоторезистора, а также его схематическое изображение представлено на рисунке 2

Рисунок 2. Фоторезистор. Изображение Фоторезистора на схеме.

Фотодиод (Рисунок 3). Физические процессы, протекающие в фотодиодах, носят обратный характер по отношению к процессам, протекающим в светодиодах. Может работать в двух режимах: Фотогальванический, без внешнего напряжения и фотодиодный, с внешним обратным напряжением

Рисунок 3. Фотодиод. Изображение фотодиода на схеме.

Рисунок 4. Фототранзистор. Изображение фототранзистора на схеме.

Фототранзистор (Рисунок 4): Выходные характеристики фототранзистора подобны выходным характеристикам обычного биполярного транзистора, но теперь положение характеристик определяется не током базы, а уровнем освещенности (или величиной светового потока). Обеспечивает усиление фототока. Изображение на схеме (Рисунок 7 Приложения).

Солнечные батареи.

Солнечная батарея — объединение фотоэлектрических преобразователей — полупроводниковых устройств, прямо преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток, в отличие от солнечных коллекторов, производящих нагрев материала-теплоносителя, соединены в виде массива элементов и заключены в металлическую конструкцию.

Преобразователи — полупроводниковые элементы из кремния для генерации постоянного тока.

Они производятся трех видов:

- Монокристаллический

- Поликристаллический

- Амфорный (тонкоплёночный)

Монокристаллические пластины.

КПД этих пластин 12–14%. Однако, они чувствительны к количеству попадающего света. Срок службы до 30 лет.

Поликристаллические пластины. Эти элементы способны выдавать КПД 7–9%. Но на них не влияет качество освещенности. Эксплуатационный период — 20 лет.

Амфорные пластины изготавливаются на основе гибкого кремния. Вырабатывают КПД около 10%. Количество производимого электричества не снижается из-за качества погоды. Но дорогое и сложное производство делает их труднодоступными.

Изображение солнечной батареи на схеме представлено на рисунке 5

Рисунок 5. Солнечная батарея на схеме.

Принцип работы устройства основан на фотоэлектрическом эффекте. Солнечный свет, падая на фотоэлементы, выбивает свободные электроны с последних орбит каждого атома кремниевой пластины. Перемещение большого количества свободных электронов между электродами батареи вырабатывают постоянный ток.

Практическая часть

Для разработки установки демонстрации явления фотоэффекта, а также изучения данного явления были проведены ряд экспериментов, описание которых представлены ниже. При выборе материалов и источников световых потоков были и ряды неудачных экспериментов. В результате проведенной работы подобраны материалы и собрана установка, схема которой представлена на рисунке 6. Основные составляющие установки: ламповая гирлянда (светодиодная гирлянда, светодиодный фонарь), штатив, солнечная батарея, мультиметр. Для снижения погрешности измерения все снятия показаний значений проводились 10 раз.

Рисунок 6. Схема установки для демонстрации фотоэффекта

Эксперимент «Зависимость фотоэффекта от длины волны».

Для наблюдения зависимости явления фотоэффекта от длины волны светового потока была разработана методика, которая описана ниже. В ходе эксперимента получили данные, приведенные в таблицах 1,2,3.

Ход работы:

Выбрав нужный цвет лампочки, установить гирлянду в кожухе на штативе; 2. Отрегулировать высоту расположения лампочки (все измерения проводилось на высоте 5 см от фотоэлемента). 3. Произвести измерения силы тока; 4. Произвести измерения напряжения; 5. Произвести измерение температуры; 6. Записать данные в таблицу; 7. Поменять лампу

Таблица 1. Светодиодная гирлянда, красный свет.

Номер опыта, измеряемая величина

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Среднее значение

Сила тока, мA

0,01

0,02

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

Напряжение, В

0,2

0,3

0,2

0,2

0,3

0,4

0,3

0,4

0,2

0,3

0,28

Работа, мДж

0,12

0,36

0,12

0,12

0,09

0,24

0,18

0,12

0,12

0,18

0,17

Таблица 2. Светодиодная гирлянда, синий свет.

Номер опыта, измеряемая величина

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Среднее значение

Сила тока, мA

0,01

0,01

0,02

0,01

0,02

0,01

0,02

0,01

0,02

0,01

0,01

Напряжение, В

0,5

0,4

0,6

0,6

0,6

0,5

0,05

0,5

0,5

0,5

0,52

Работа, мДж

0,3

0,24

0,72

0,36

0,72

0,3

0,06

0,3

0,6

0,3

0,39

Таблица 3. Светодиодная гирлянда, зеленый свет.

Номер опыта, измеряемая величина

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Среднее значение

Сила тока, мA

0,01

0,02

0,01

0,01

0,02

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

0,01

Напряжение, В

0,5

0,4

0,4

0,5

0,5

0,6

0,4

0,4

0,5

0,5

0,47

Работа, мДж

0,3

0,48

0,24

0,15

0,15

0,36

0,24

0,24

0,3

0,3

0,28

Эксперимент «Зависимость фотоэффекта от интенсивности света».

Что бы определить действительность демонстрации первого закона фотоэффекта, был проведен дополнительный опыт со светодиодным фонариком. Это обосновано тем, что такой фонарик обладает более мощным световым потоком, чем гирлянда. Данные приведены в таблице 4. Опыт проводился по следующей методике.

Ход работы:

Разместить фонарик на штативе; 2. Отрегулировать высоту его расположения (все измерения проводилось на высоте 5 см от фотоэлемента); 3. Произвести измерения силы тока; 4. Произвести измерения напряжения; 5. Записать данные в таблицу; 6. Вычислить работу;

Таблица 4. Светодиодный фонарик.

Номер опыта, измеряемая величина

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Среднее значение

Сила тока, мA

0,1

0,2

0,2

0,3

0,2

0,3

0,3

0,2

0,2

0,1

0,21

Напряжение, В

2,6

2,4

2,1

2,4

2,1

2,1

2,2

2

1,9

2

2,18

Расчет КПД фотоэлемента.

Для расчета КПД фотоэлемента при использовании нашей установки необходимо в первую очередь определиться – по какой формуле производить расчет.

Основная формула для расчета КПД:

, где

Ап– работа электрического тока, который образуется в процессе освещения фотоэлемента, Дж;

Аз– работа, совершаемая световым потоком при освещении фотоэлемента, Дж.

Полезную работу можно рассчитать по формуле работы электрического тока:

Сложнее рассчитать работу, которая совершается световым потоком. Исходя из уравнения Эйнштейна для внешнего фотоэффекта для того, чтобы наблюдалось явление, необходима энергия одного кванта, которая рассчитывается по формуле:

, где

h – Постоянная планка, которая равняется 6,63*10-34 Дж*с;

ν – частота светового потока, Гц.

Так же известно, что частота светового потока связана со скоростью светового потока и его длиной волны:

, где

с- скорость света, величина постоянная и равна 3*108 м/с;

λ - длина волны, м.

Согласно теореме об изменении энергии работа, работа, совершаемая при данных условиях, равна изменению энергии тела. Таким образом, работу светового потока можно рассчитать по формуле:

.

Однако, нам не известно – какое количество квантов совершает работу при проведении экспериментов. В первую очередь учтём, что в основе описания явления фотоэффекта лежит: один квант выбивает один электрон. Обозначим число квантов, а следовательно, и число электронов – N. Выведем формула для расчета числа электронов.

Нам известна сила тока, которая получается в результате освещения световым потоком, тогда воспользуемся формулой для расчета силы тока:

, где

I – сила тока, А;

q – электрический заряд, Кл;

t – время, за которое рассчитывается электрический заряд, с.

Откуда следует, что заряд электрона в течение времени t рассчитывается по формуле:

Тогда заряд электрона можно определить по формуле:

, где

е- заряд одного электрона, равен 1,6*10-19 Кл.

Подставив полученную формулу в формулу для расчета работы светового потока, получаем:

Подставим формулу для расчета полезной работы и затраченной в общую формулу для расчета КПД, получаем:

Для того, чтобы убедиться в правильности выведения формулы проведем проверку на единицы измерения:

Проверка на размерность показала, что выведенная формула может применяться для расчета КПД солнечной батареи.

Воспользуемся данной формулой для расчета КПД экспериментов, результаты которых приведены в Таблицах 1-3. Данные по расчетам приведены в Таблице 5.

Таблица 5. Расчет КПД фотоэлемента ранее проведенных экспериментов.

Напряжение, В

Цвет волны

Длина волны, нм

КПД, %

0,52

синий

500

20,95

0,47

зеленый

520

19,69

0,28

красный

620

13,99

Экономическое обоснование полученной установки.

Как уже отмечалось ранее, изучив ресурсы интернета по приобретению установки для демонстрации фотоэффекта в школе, пришли к выводу о необходимости удешевления данного оборудования. Ниже приведены данные по стоимости оборудования.

Изучение базы предложений готовых установок по демонстрации фотоэффекта представлены в таблице 8.

Таблица 6. Стоимость оборудования по фотоэффекту

Наименование компании

Стоимость установки, руб.

ООО «КЛ Электроника»

15800,0

ОА «Учтех-Профи»

94870,0

ОАО «Медиус»

41040,0

СП «Проект-Сервис»

82490,0

В зависимости от того, что необходимо продемонстрировать на уроке возможно добавлять дополнительные элементы. Так, если необходимо проследить зависимость фотоэффекта от последовательного или параллельного соединения фотоэлементов, возможно подсоединение как одного, так и несколько их. На данной установке, если заменить светодиодную гирлянду на ламповую, то можно проследить зависимость фотоэффекта от нагревания фотоэлемента. По показаниям мультиметра можно посчитать: мощность фотоэлемента, работу, которую он совершает при вырабатывании электрического тока, изучить зависимость фотоэффекта от длины волны световой волны, освещающей фотоэлемент.

Не стоит забывать об лабораторных работах по расчету КПД солнечных батарей. В программе по изучению физики, к сожалению, данных работ не проводится. Да и для расчета КПД везде предлагается использовать данные с интенсивностью света. Интенсивность света измеряется прибором – люксометром. Его ценовой диапазон варьируется от 1 013 руб. до 11 500 руб. На нашей же установке это можно сделать абсолютно бесплатно.

Все составляющие нашей установки мы взяли из завалявшихся домашних вещей в гараже и на балконе. Конечно, не во всех школах есть и мультиметр, но его покупка обойдется от 290 руб. до 890 руб. в зависимости от производителя. Таким образом, наша установка обходится весьма дешевле, чем самая дешевая компании «КЛ Электроника».

Заключение.

Анализ полученных результатов показал, что:

- с увеличением длины волны напряжение, а, следовательно, и совершаемая работа, в электрической цепи уменьшается. С теоретической точки зрения это подтверждается формулой для расчета энергии кванта. Данный вывод показывает действительность демонстрации подобного опыта на нашей установке;

- с увеличением светового потока фотоэффект увеличивается. Это подтверждает возможность демонстрации данного эксперимента на собранной демонстрационной установке;

- выведена формула для расчета КПД светового потока при использовании разработанной демонстрационной установки. Расчет КПД фотоэлемента при условиях, описанных выше, показал, что формула получена верная, а значение КПД не превышает 21 %. Это так же подтверждает, что разработанная нами установка действительно применима для демонстрации явления фотоэффекта на уроках.

- помимо отмеченных выше экспериментов, на разработанной демонстрационной установке можно изучать следующие явления фотоэффекта: зависимость фотоэффекта от последовательного и параллельного соединения фотоэлементов; рассчитать мощность и работу, создаваемого электрического тока;

- Разработана установка, которая в десятки раз дешевле самого недорого оборудования.

5. Список использованной литературы

Буров В.А, Зворкин Б. С., Кузьмин А.П., Демонстрационный эксперимент по физике в старших классах средней школы. Т. 2. Электричество. Оптика. Физика атома. Пособие для учителей. Изд. 2-е, перераб. М., «Просвещение» 1972 – 448 с.

Бытько. Н.Д. Физика ч. 3 и 4 – 13 уч. изд. Тематический план издательства «Высшая школа ». 1967-320 с.

Ревич Ю.В. Занимательная электроника. -4-е изд., перераб. И доп. – СПб; БХВ-Петербург, 2017. – 640 с

Мякишев Г.Я. Физика 11 класс: учеб. Для общеобразоват. Организаций с прил. На электронном носителе: базовый уровень. Просвещение, 2014.-432с.

Селезнев Ю. А. Основы элементарной физики: Учебное пособие. Издательство «Наука» Главная редакция физико-математической литературы М.,1974г. – 544 с.

Просмотров работы: 112