Фотоэлемент способ разделения зарядов

Презентация к уроку по физике «Источники электрического тока»

Данная презентация способствует улучшению качества знаний

Скачать:

Вложение	Размер
prezentaciya_istochniki_toka.ppt	2.05 МБ

Предварительный просмотр:

Подписи к слайдам:

Источники электрического тока

Электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц. Для существования электрического тока необходимы следующие условия: наличие свободных электрических зарядов в проводнике; наличие внешнего электрического поля для проводника.

♦ Сравни опыты, показанные на рисунках. Что общего и чем отличаются опыты? Источник тока – это устройство, в котором происходит преобразование какого-либо вида энергии в электрическую энергию. Устройства, разделяющие заряды, т.е. создающие электрическое поле, называют источниками тока .

Первая электрическая батарея появилась в 1799 году. Её изобрел итальянский физик Алессандро Вольта (1745 — 1827) — итальянский физик, химик и физиолог, изобретатель источника постоянного электрического тока. Его первый источник тока – «вольтов столб» – был построен в точном соответствии с его теорией «металлического» электричества. Вольта положил друг на друга попеременно несколько десятков небольших цинковых и серебряных кружочков, проложив меж ними бумагу, смоченную подсоленной водой.

Механический источник тока — механическая энергия преобразуется в электрическую энергию. До конца XVIII века все технические источники тока были основаны на электризации трением. Наиболее эффективным из этих источников стала электрофорная машина (диски машины приводятся во вращение в противоположных направлениях; в результате трения щеток о диски на кондукторах машины накапливаются заряды противоположного знака). Электрофорная машина

Тепловой источник тока – внутренняя энергия преобразуется в электрическую энергию. Термопара Если две проволоки из разных металлов спаять с одного края, а затем нагреть место спая, то в них возникает ток – заряды при нагревании спая разделяются. Термоэлементы применяются в термодатчиках и на геотермальных электростанциях в качестве датчика температуры. Термоэлемент (термопара)

Энергия света c помощью солнечных батарей преобразуется в электрическую энергию. Солнечная батарея При освещении некоторых веществ светом, в них появляется ток – световая энергия превращается в электрическую энергию. В данном приборе заряды разделяются под действием света. Фотоэлементы применяются в солнечных батареях, световых датчиках, калькуляторах, видеокамерах. Фотоэлемент

Электромеханический генератор. Заряды разделяются путем совершения механической работы. Применяется для производства промышленной электроэнергии. Электромеханический генератор Генератор (от лат. generator — производитель) – устройство, аппарат или машина, производящая какой-либо продукт.

3 2 1 ♦ Какие источники тока вы видите на рисунках?

Устройство гальванического элемента Гальванический элемент – химический источник тока, в котором электрическая энергия вырабатывается в результате прямого преобразования химической энергии окислительно-восстановительной реакцией.

Источники тока прошлого века…

Из нескольких гальванических элементов можно составить батарею.

Батарея (элемент питания) – обиходное название источника электричества для автономного питания портативного устройства. Может представлять собой одиночный гальванический элемент, аккумулятор или их соединение в батарею для увеличения напряжения.

Аккумулятор – химический источник тока многоразового действия. Если поместить в раствор соли два угольных электрода, то гальванометр не показывает наличие тока. Если же аккумулятор предварительно зарядить, то его можно использовать в качестве самостоятельного источника тока. Существуют различные типы аккумуляторов: кислотные и щелочные. Заряды в них разделяются также в результате химических реакций. Аккумулятор Электрические аккумуляторы используются для накопления энергии и автономного питания различных потребителей.

Аккумулятор (от лат. accumulator — собиратель) – устройство для накопления энергии с целью ее последующего использования.

♦ Назовите источники тока, обозначенные цифрами 1, 2, 3, 4, 5.

Источник тока Способ разделения зарядов Применение Фотоэлемент Действие света Солнечные батареи Термоэлемент Нагревание спаев Измерение температуры Электромехани-ческий генератор Совершение механической работы Производство промышленной электрической энергии Гальванический элемент Химическая реакция Фонарики, радиоприемники Аккумулятор Химическая реакция Автомобили Классификация источников тока

Герметичные малогабаритные аккумуляторы (ГМА) ГМА используются для малогабаритных потребителей электрической энергии (телефонные радиотрубки, переносные радиоприемники, электронные часы, измерительные приборы, сотовые телефоны и др.).

Применение источников тока ♦ Назовите приборы, изображённые на рисунках. 1 2 6 3 4 5

Наука о природе скорость

Электрический ток Упорядоченное движение заряженных частиц Источники тока: Термоэлемент, фотоэлемент, гальванический элемент, аккумулятор, электромеханический генератор Фотоэлемент В данном приборе заряды разделяются под действием света Термоэлемент Две проволоки, спаянные из разных металлов, если нагреть место спая, то в них возникнет электрический ток Аккумулятор Химический источник тока многоразового действия Условия необходимые для существования электрического тока. 1)наличие свободных электрических зарядов 2)наличие внешнего электрического поля НАЧАЛО Конец

Сегодня на уроке я узнал …. Теперь я могу … Было интересно… Знания, полученные сегодня на уроке, пригодятся… Рефлексия Продолжите фразу:

Для опыта тебе понадобится: прочное бумажное полотенце, пищевая фольга, ножницы, медные монеты, поваренная соль, вода, два изолированных медных провода, маленькая лампочка (1,5 В). Инструкция Раствори в воде немного соли. Нарежь аккуратно бумажное полотенце и фольгу на квадратики чуть крупнее монет. Намочи бумажные квадратики в солёной воде. Положи друг на друга стопкой: медную монету, кусочек фольги, снова монету, и так далее несколько раз. Сверху стопки должна быть бумага, внизу – монета. Защищённый конец одного провода подсунь под стопку, второй конец присоедини к лампочке. Один конец второго провода положи на стопку сверху, второй тоже присоедини к лампочке. Что получилось? Домашний проект «Сделай батарейку»

Домашнее задание § 32, стр. 73-77, вопросы 1-8 (устно). Домашний проект. Сделать батарейку по инструкции.

Источник

Принцип работы фотоэлемента

Принцип работы фотоэлемента

Примеров использования солнечной энергии великое множество. Это и солнечная энергетика и сельское хозяйство, фотоэлектрические системы и, наконец, фотосинтез без которого не было бы жизни. Одним из важных современных технологических решений является преобразование энергии Солнца в источник электрической энергии. В основу этого преобразования заложен принцип работы солнечного элемента.

Принцип получения электроэнергии

Батареи собраны из некоторого количества элементов, в которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическое напряжение. Каждый из упомянутых элементов – это фотодиод, изготовленный из специального полупроводящего материала.

Каждый элемент батареи состоит из двух частей. Обе части – это определенным образом обработанный полупроводниковый материал.

Электроны в полупроводниках расположены в определенных диапазонах по энергии, диапазоны называют зонами. В каждой упомянутой части, как во всяком полупроводнике, существует заполненная зона, проводимости и разделяющая их зона. Если электрон находится в зоне проводимости, он может перемещаться. В заполненной зоне электроны вообще неподвижны. Но, если электрону сообщить добавочную энергию, он перейдет в зону проводимости и сможет перемещаться.

Возможен также переход электронов из заполненной на какой-нибудь уровень в промежуточной зоне. В обоих случаях в заполненной зоне окажется пустой уровень. На этот уровень может перейти другой электрон, оставив свой уровень незаполненным. Последний может занять соседний из этой же зоны, вместо того следующий и т.д.

Таким образом, перемещение зарядов в заполненной зоне приведет к тому, что электроны тоже могут проводить ток. Такие создающие ток заряды, в отличие от электронов в зоне проводимости, называют дырками, так как при перемещении в этом случае перемещается дырка – в место, где нет электрона.

А теперь представим себе, что мы соединили друг с другом полупроводники, в одном из которых электрический ток проводят электроны, а в другом – дырки. Падение солнечных лучей на элемент сгенерирует неравновесные электронно-дырочные пары с образованием тока.

Электрические процессы в такой паре весьма сложны. Поэтому упростим их насколько возможно, для этого положим, что освещается только один из двух полупроводников, скажем для определенности тот, в котором ток проводят свободные электроны. Тогда при соединении двух полупроводников, благодаря тому, что электроны совершают тепловое движение, часть из них перейдет в дырочный полупроводник. Значит, в электронном полупроводнике возникает недостача зарядов, и он благодаря этому получит положительный заряд.

Дырочный же полупроводник, получивший электроны от соседа, очевидно, получит отрицательный заряд.

А для внешней цепи соединение двух таких полупроводников будет как источник напряжения, и будет создавать во внешней цепи ток, который нужен для движения чего-либо.

Это практический пример использования солнечного электричества, который положен в основу и принцип работы солнечных элементов и батарей в целом.

Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов

На протяжении почти всего XIX века ученые наблюдали странное поведение веществ, металлов и электролитов под действием на них прямого света. Эти вещества увеличивали свою проводимость. Первым, кто смог собрать и обосновать данное явление, был Альберт Эйнштейн. Он доказал, что свет существует в виде квантовых порций и может оказывать влияние на некоторые элементы, увеличивая проводимость, то есть высвобождая свободные электроны.

Фотоэффект

Фотоэффектом называют явление испускания веществом свободных электронов под воздействием света или другого электромагнитного облучения. Протекает он в твердых веществах и конденсированных жидкостях. Применение фотоэффекта привело к открытию и обоснованию квантовой теории. На основе этой теории удалось объяснить закономерности фотоэффекта.

Из этой теории выходит, что свободный электрон облучаемого вещества не может поглотить фотон, отдаваемый излучателем, ввиду того, что невозможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Связь электрона вещества с окружением обуславливает фотоэффект в молекулах и конденсированной среде. Такая связь характеризуется ионизирующей энергией, так называемой энергией выхода электрона. Применение фотоэффекта в настоящее время на практике очень широко.

Виды фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов под воздействием электромагнитного излучения. При этом электроны, выходящие из вещества, называются фотоэлектронами, соответственно, электрический ток в нем называется фототоком. Непосредственно элемент в аппарате, подвергающийся облучению и отдающий электроны, называется фотокатодом. Спектральная характеристика фотокатода — это зависимость чувствительности к воздействию от частоты и длины волны излучения.

Внутренним фотоэффектом называют перераспределение внутри вещества согласно энергетическим особенностям. Применение фотоэффекта внутреннего объяснило явление фотопроводимости, то есть изменения концентрации заряда в веществе под воздействием излучения, при этом выход электронов не происходит.

Фотовольтаический эффект возникает под воздействием конкретно электромагнитного излучения на вещество со свободными электронами.

Ядерный фотоэффект возникает при поглощении ядром атома гамма-излучения при неизменном нуклонном количестве. При этом происходит распад ядра и выход ядерной энергии.

Фотоэлемент

Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента.

Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам.

Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук.

Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии.

Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.

Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов

Он основан на использовании внешнего фотоэффекта, при котором падающий на поверхность материала лучистый поток вызывает эмиссию электронов в вакуум. Эти фотоэлектроны увлекаются внешним электрическим полем, создающимся приложенным напряжением между двумя электродами.

При этом роль катода играет фоточувствительный слой (фотокатод). Вторым электродом является анод. Фотоэлектроны под действием приложенного напряжения устремляются к аноду, создавая ток во внешней цепи.

Эмиссия электронов из фотокатода порождается следующими процессами: поглощением падающего фотона, которое приводит к передаче энергии фотона к электрону; диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум.

Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.

Эмиссионная способность материала характеризуется квантовым выходом, равным отношению числа освобожденных электронов к числу падающих фотонов. Величина квантового выхода будет тем больше, чем выше эффективность первых двух этапов фотоэмиссии и чем меньше работа выхода. Удачным сочетанием таких качеств обладают некоторые сложные полупроводники, являющиеся эффективными фотокатодами.

Анализ показывает, что для данного материала существует оптимальная длина волны, на которой наблюдается максимальное значение квантового выхода.

В соответствии с законом Столетова, величина фототока пропорциональна потоку излучения, поглощенному веществом. максимальная же кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем больше частота падающего излучения и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).

где – работа выхода электрона;

h – постоянная Планка.

Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, определяемой выражением

Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянный вакуумированный баллон, на одну из стенок которого наносится фотокатод. Роль анода выполняет металлическая пластинка или кольцо, находящиеся в центре баллона. В некоторых конструкциях фотоэлементов, предназначенных для измерения слабых потоков, имеется третий вспомогательный электрод – охранное кольцо, помещаемое таким образом, чтобы улавливать токи утечки по баллону между выводами катода и анода. Баллон выполняется полностью из стекла или имеет окно для прохождения регистрируемого излучения из увиолевого стекла или кварца, или сапфира.

Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.

1 Фотоэлементы с массивными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми с фронта (рисунок 9, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.

а – с массивным фотокатодом; б – измерительного фотоэлемента с торцевым фотокатодом и охранным кольцом; в – сильноточного коаксиального фотоэлемента; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – охранное кольцо.

Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента

Такие фотоэлементы используются в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной технике. Сферическая форма баллона является оптимальной, так как отраженное от поверхности фотокатода излучение снова попадает на соседние участки фотокатода.

2 Измерительные фотоэлементы (рисунок 9, б) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно меняющихся по величине или модулированных с определенной частотой. Они выполняются как с массивным фотокатодом, так и с торцевым полупрозрачным. Они, как правило, имеют охранное кольцо.

3 Специальные сильноточные фотоэлементы коаксиальной конструкции (ФЭК), предназначенные для регистрации лазерных импульсов с длительностью в несколько наносекунд. Для этого фотокатод выполнен в виде плоской пластинки, а анод в виде сетки располагается перед фотокатодом. Вся конструкция фотоэлемента выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, согласованной с коаксиальным кабелем. Такие фотоэлементы имеют линейную световую характеристику для фототоков вплоть до нескольких ампер. Для снижения времени пролета электронов анодное напряжение увеличивают до 2-5 кВ. а расстояние между анодом и фотокатодом уменьшают до нескольких миллиметров.

4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения интегральной чувствительности прибегают к усилению первичного фототока с помощью инертного газа, которым наполняется баллон фотоэлемента. В газе под воздействием приложенного анодного напряжения при движении электронов возникает лавинная ионизация, что вызывает увеличение тока в цепи. Так, чувствительность газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных вакуумированных.

При выборе типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптико-электронных приборах руководствуются следующими требованиями.

1. Для работы в ИК области пригоден лишь серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод. Но он не пригоден для работы со слабыми потоками из-за большой термоэмиссии и малой интегральной чувствительности.

2. Для монохроматических источников выбирают фотокатоды с максимальным квантовым выходом в заданной области спектра. В коротковолновой области спектра используют сурьмяно-цезиевые или бищелочные фотокатоды с пониженной термоэмиссией. В более длинноволновой (600-900 нм) – многощелочные.

3. Многощелочные, а также более простые в изготовлении сурьмяно-цезиевые фотокатоды, сенсибилизированные кислородом, имеют более высокую интегральную чувствительность.

4. В телевидении и других областях, требующих характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза, используют висмут-серебряно-цезиевые или сурьмяно-рубидиево-цезиевые фотокатоды.

Источник