اثر فوتوالکتریک
توضیحات
این یک مونوگراف تکمیل بوده که دارای پرپوزل هم میباشد شما میتوانید با پیام گذاشتن در وتسپ ما آن را دریافت کنید
وتسپ:۰۷۹۹۱۱۸۸۳۱
مونوگراف به صورت تضمینی بوده که نیاز به تغیرات نداشته قبلا دفاع و ارایه شده است
---------------------------------------------
تاریخچه
در سال 1887، اثر فوتو الکتریک توسط هرتز کشف شد. او در حالیکه سرگرم آزمایشهای معروف خود درباره امواج الکترومغناطیسی بود، دریافت که طول جرقه القا شده در مدار ثانویه هنگامی کاهش می‌یابد که دو انتهای شکاف جرقه در برابر نور ماورا بنفش که از جرقه در مدار اولیه می‌آمد، پوشانده شود. بر اساس اصل دوبروي ، در مورد ذرات دو حالت ذره‌اي و موجي در نظر گرفته مي‌شود، که البته اين خاصيت در دنياي ميکروسکوپي بيشتر مورد مطالعه است. به عنوان مثال ، اگر ذره‌اي به جرم یک گرم که با سرعت معمولی در حال حرکت است، در نظر بگیریم طول موج منتسب به این ذره ، چنان کوچک خواهد بود که اصلا قابل ملاحظه نیست. اما در مورد ذراتی مانند الکترون ، این طول موج قابل توجه است. بنابراین با توسل به این اصل میتوان تابش الکترومغناطیسی را نیز متشکل از ذراتی دانست که این ذرات را فوتون می‌گویند. نظریه پلانک در ارتباط با بسته‌های انرژی تابشی ، تا اندازه‌ای مبهم بود و فقط به عنوان مبنایی برای توزیع آماری انرژی میان طول موجهای مختلف در طیف الکترومغناطیسی بکار می‌رفت. پنج سال بعد از “پلانک” ، “آلبرت اینشتین” توانست این مفهوم را به صورت مشخص‌تری بیان کند. انیشتین مفهوم کوانتومی نور را برای توجیه اثر فوتوالکتریک بکار برد. بر این اساس ، فوتونها که دارای انرژی معینی هستند، بعد از برخورد با الکترونهای اتم ، انرژی خود را به آنها داده ، خود از بین می‌روند. این امر می‌تواند به عنوان یک مسئله برخورد میان دو ذره با استفاده از نظریه برخورد توضیح داده شود.
بعد از برخورد ، فوتون از بین می‌رود و الکترون با انرژیی که از فوتون می‌گیرد، از ماده جدا میشود و سبب ایجاد یک جریان فوتوالکترونی در مدار خارجی می‌گردد. مقدار جریان در مدار خارجی ، بسته به تعداد فوتونهایی که بر سطح ماده موجود در کاتد تابیده میشود، متفاوت خواهد بود.
زمایش دیگری که توانست وجود فوتونها را بصورت تجربی به اثبات رساند، مربوط به آزمایشی است که توسط “کامپتون” انجام شد. این آزمایش که بعدها نام اثر کامپتون را بر خود گرفت، به این صورت بود که تابش الکترومغناطیسی یا فوتونها توسط مواد مختلف پراکنده میشود. به بیان دیگر ، در این آزمایش فوتون بعد از تابش مقداری از انرژی خود را به یک الکترون تقریبا آزاد منتقل می‌کرد و خود با انرژی کمتر در راستای دیگر منحرف می‌شد. نتایج این آزمایش که با استفاده از مفهوم کوانتومی نور صورت می‌گرفت، با نتایج تجربی کاملا تطابق داشت. واقعیت جرم فوتون ، به خاصیت عکس مجذوری قانون کولن بر می‌گردد. بر اساس قانون کولن ، نیروی الکتریکی که دو ذره باردار به یکدیگر وارد می‌کنند، نیرویی است که با مجذور فاصله بین آنها نسبت معکوس دارد. اما این مطالب در تمام شرایط دقیقا درست نیستند، یعنی در فواصل خیلی کوچکتر انحرافاتی وجود دارد و این نیرو دقیقا عکس مجذوری نیست. در این حالت باید فوتونها را ذراتی دارای جرم بدانیم. اما در موارد دیگر که تقریبا بیشتر موارد را شامل میشود، این نیرو دقیقا عکس مجذوری است. بنابراین در این حالت باید فوتونها را ذراتی بدون جرم تصور کنیم
تعریف فوتوالکتریک
می‌دانیم که کلمه «Photo» به معنی نور است. پس به طور ساده، فوتوالکتریسیته را می‌توانیم تولید برق (جریان الکتریکی) به وسیله نور معنی کنیم. پدیده فوتوالکتریک امروزه به واسطه پنل‌های خورشیدی برای همگان آشنا است. اثر فوتوالکتریک اولین بار در سال 1887 توسط دانشمند آلمانی مشهور، هاینریش هرتز کشف شد. اما تا سال‌های زیادی چرایی و سازوکار این اثر ناشناخته باقی ماند تا در سال 1905 میلادی توسط «آلبرت اینشتین به طور کامل تشریح شد.
البته در نظر داشته باشید که منظورمان از نور تنها طیف مرئی نیست. فوتوسل یا سلول فوتوالکتریک بسته به ماده‌ای که از آن ساخته میشود، توانایی کار در تمامی فرکانس‌های اپتیکی را می‌تواند داشته باشد. فرکانس‌های اپتیکی در شکل زیر نشان داده شده است.
ساختار فوتو الکتریک
یک محفظه شیشه‌ای در نظر بگیرید که در دو انتهای آن ، آند و کاتدی تعبیه شده است و داخل محفظه خلا میباشد. اگر بر سطح کاتد ، نوری با فرکانس معین بتابانیم، با احراز شرایط خاص ، فلز کاتد الکترون گسیل می‌کند. اگر آند و کاتد را به یک مدار خارجی وصل بکنیم، الکترون گسیل شده ، جذب آند شده و یک جریان فوتو الکترونی در مدار خارجی برقرار می‌گردد.
مشخصات اثر فوتوالکتریک
هر فلزی دارای یک فرکانس ویژه است، بطوری که اگر فرکانس نور تابشی کمتر از این مقدار ویژه باشد، هیچ الکترونی از سطح کاتد گسیل نمی‌شود. این فرکانس ویژه را فرکانس آستانه می‌گویند. شایان ذکر است که فرکانس آستانه از فلزی به فلز دیگر ، تغییر می‌کند و هر فلزی دارای فرکانس آستانه مخصوص به خود است. براساس نظریه کلاسیک این خصوصیت غیرقابل توجیه بود
بزرگی جریان فوتو الکترونی با شدت نور تابیده بر سطح کاتد مناسب است، بطوری که اگر شدت افزایش یابد، مقدار جریان فوتو الکترونی نیز افزایش پیدا می‌کند. این موضوع توسط نظریه کلاسیک قابل توجیه بود
انرژی فوتو الکترونها از شدت نور تابیده بر سطح کاتد مستقل است ولی با فرکانس نور تابشی بصورت خطی تغییر می‌کند. این خاصیت در نظریه کلاسیک غیرقابل‌توجیه بود
گسیل الکترون از سطح کاتد بصورت آنی صورت می‌گیرد، یعنی بلافاصله بعد از تابش ، الکترون گسیل میشود. به عبارت دیگر ، تاخیر زمان بین تابش و گسیل الکترون هرگز مشاهده نشده است، یا لااقل زمانی بیشتر از 10-9 ثانیه ، حتی با تابش فرودی با شدت بسیار کم نیز مشاهده نشده است
اثر فوتو الکتریک توسط الکترونهای تقریبا آزاد صورت می‌گیرد، یعنی الکترونهای لایه‌های داخلی فلز در این اثر دخالت ندارند
فوتوسل و فوتوالکتریسیته
شکل 1 نمایی از مقاومت حساس به نور (LDR) |
همان‌طور که بیان کردیم، «فوتوالکتریسیته[1] به معنی تبدیل انرژی نوری (انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی) به انرژی الکتریکی است. این امر به سه طریق مختلف که در زیر به معرفی آنها می‌پردازیم، رخ می‌دهد.
رسانای حساس به نور
آشناترین مثالی که برای معرفی یک فوتوسل میتوان از آن استفاده کرد، مقاومت‌های حساس به نور هستند. این دست از مقاومت‌ها بر اساس رسانایی نوری کار می‌کنند. در تصویر زیر نمونه‌ای از یک LDR نمایش داده شده است. همان‌طور که در تصویر مشخص است، بالای LDR یک لنز جهت متمرکز کردن نور به سلول
شکل 1شیرآلات اتوماتیک |
وجود دارد. در صورت اتصال LDR در مدار الکتریکی، متناسب با جنس ماده سلول، هنگام قرار گرفتن مدار در تاریکی یا نور معمولی (مرئی)، LDR مقاومت الکتریکی بالایی از خود نشان می‌دهد. اما هنگامی که نوری با فرکانس مناسب به سلول (به طور مثال از جنس کلسیم سولفید) آن برخورد کند، از خود مقاومت کمی نشان می‌دهد.در واقع با برخورد نور به سلول، مطابق با اثر فوتوالکتریک، نور تابشی به جریانی الکتریکی تبدیل شده و به جریان عبوری از LDR اضافه میشود. در اینجا نور تابش شده با تولید فوتوالکترون‌هایی در داخل ماده (افزایش الکترونهای آزاد) باعث کاهش مقاومت الکتریکی آن میشود.از کاربردهای مهم مقاومت‌های حساس به نور (LDR)، استفاده در شیرآلات اتوماتیک یا در‌های کشویی اتوماتیک است. به طور ساده ساختار ماده مورد استفاده در آنها به گونه‌ای است که توسط نور (موج) مادون قرمز محیط به طور پیوسته جریان ثابتی را تولید می‌کند. هنگامی که دست یا بدن شما جلوی این مقاومت قرار بگیرد، میزان نور ورودی به مقاومت LDR تغییر می‌کند. در نتیجه مقاومت تغییر پیدا کرده به منزله تغییر جریان بوده که مدار الکترونیکی تعبیه شده در آن تغییرات جریان را تشخیص می‌دهد. آنگاه دستور مربوطه (باز شدن مسیر آب یا باز شدن در یا صادر میشود.همان‌طور که در تصویر مشخص است، بالای LDR یک لنز جهت متمرکز کردن نور به سلول وجود دارد. در صورت اتصال LDR در مدار الکتریکی، متناسب با جنس ماده سلول، هنگام قرار گرفتن مدار در تاریکی یا نور معمولی (مرئی)، LDR مقاومت الکتریکی بالایی از خود نشان می‌دهد. اما هنگامی که نوری با فرکانس مناسب به سلول (به طور مثال از جنس کلسیم سولفید) آن برخورد کند، از خود مقاومت کمی نشان می‌دهد.در واقع با برخورد نور به سلول، مطابق با اثر فوتوالکتریک، نور تابشی به جریانی الکتریکی تبدیل شده و به جریان عبوری از LDR اضافه میشود. در اینجا نور تابش شده با تولید فوتوالکترون‌هایی در داخل ماده (افزایش الکترونهای آزاد) باعث کاهش مقاومت الکتریکی آن میشود.از کاربردهای مهم مقاومت‌های حساس به نور (LDR)، استفاده در شیرآلات اتوماتیک یا در‌های کشویی اتوماتیک است. به طور ساده ساختار ماده مورد استفاده در آنها به گونه‌ای است که توسط نور (موج) مادون قرمز محیط به طور پیوسته جریان ثابتی را تولید می‌کند. هنگامی که دست یا بدن شما جلوی این مقاومت قرار بگیرد، میزان نور ورودی به مقاومت LDR تغییر می‌کند. در نتیجه مقاومت تغییر پیدا کرده به منزله تغییر جریان بوده که مدار الکترونیکی تعبیه شده در آن تغییرات جریان را تشخیص می‌دهد. آنگاه دستور مربوطه (باز شدن مسیر آب یا 
شکل 2یک پنل خورشیدی کوچک که می‌تواند ولتاژ ۱ ولت و جریان 0.5 آمپر را تولید کند. |
باز شدن در)صادر میشود.
فوتوولتائیک (Photovoltaic)
یکی از مهم‌ترین کاربردهای فوتوسل یا سلول‌های فوتوالکتریک، استفاده از آنها برای تولید برق (جریان ثابت) است که امروزه در بحث منابع انرژی تجدید‌پذیر و حفظ محیط زیست از اهمیت بالایی برخوردار است. پنل‌های خورشیدی (Solar Cell) که در ماشین‌حساب‌ها، ساعت‌های دیجیتالی یا نوع بزرگ آن برای تولید برق
[1] Photoelectricity
خلاصه تحقیق
اثر فوتوالکتریک عبارت از نتیجه عمل متقابل یک فوتون با یک الکترون موظف میباشد. با این فرضیه میتوان مشاهدات کیفی را در اثر فوتوالکتریک به آسانی پیش بینی نمود. مطابق به تیوری انیشتاین هنگامیکه فوتون با انرژی h f بالای سطح فلز وارد گردد، در این حالت انرژی آن به یک الکترون در فلز انتقال می نماید. انرژی فوتون به دو قسمت تجزیه میشود، یک قسمت این انرژی جهت غالب آمدن بالای تابع کار )یعنی سبب آزاد ساختن الکترون از سطح فلز میشود
اشتراک‌گذاری:
