Pollife.ru

Стройка и ремонт
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Зависимость силы тока от частоты падающего света

Зависимость силы тока от частоты падающего света

§ 4 Энергетическая светимость. Закон Стефана-Больцмана.

Закон смещения Вина

R Э (интегральная энергетическая светимость) — энергетическая светимость определяет количество энергии, излучаемой с единичной поверхности за единицу времени во всем интервале частот от 0 до ∞ при данной температуре Т.

— связь энергетической светимости и лу­чеиспускательной способности

Закон Й. Стефана (австрийский ученый) и Л. Больцмана (немецкий ученый)

σ = 5.67·10 -8 Вт/(м 2 · К 4 ) — постоянная Стефа­на-Больцмана.

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени термодинамической температуры.

Закон Стефана-Больцмана, определяя зависимость R Э от температуры, не даёт ответа относительно спектрального состава излучения абсолютно черного тела. Из экспериментальных кривых зависимости r λ от λ при различных Подпись: Рис. Зависимость лучеиспускательной способности rλ,Т абсолютно черного тела от длины волны λ при разных температурах Т следует, что распределение энергии в спектре абсолютно черного тела являет­ся неравномерным. Все кривые имеют максимум, который с увеличением Т смещается в сторону коротких длин волн. Площадь, ограниченная кривой за­висимости r λ от λ, равна R Э (это следует из геометрического смысла интегра­ла) и пропорциональна Т 4 .

Закон смещения Вина (1864 — 1928): Длина, волны (λmax), на которую приходится максимум лучеиспускательной способности а.ч.т. при данной тем­пературе, обратно пропорциональна температуре Т.

b = 2,9· 10 -3 м·К — постоянная Вина.

Смещение Вина происходит потому, что с ростом температуры максимум излучательной способности смещается в сторону коротких длин волн.

§ 5 Формула Рэлея-Джинса, формула Вина и ультрафиолетовая катастрофа

Закон Стефана-Больцмана позволяет определять энергетическую свети­мость R Э а.ч.т. по его температуре. Закон смещения Вина связывает темпера­туру тела с длиной волны, на которую приходятся максимальная лучеиспуска­тельная способность. Но ни тот, ни другой закон не решают основной задачи о том, как велика лучеиспускательная, способность, приходящаяся на каждую λ в спектре а.ч.т. при температуре Т. Для этого надо установить функциональ­ную зависимость r λ от λ и Т.

Основываясь на представлении о непрерывном характере испускания электромагнитных волн в законе равномерного распределения энергий по сте­пеням свободы, были получены две формулы для лучеиспускательной способ­ности а.ч.т.:

  • Формула Вина

  • Формула Рэлея-Джинса

k = 1,38·10 -23 Дж/K — постоянная Больцмана.

Опытная проверка показала, что для данной температуры формула Вина верна для коротких волн и даёт резкие расхождения с опытом в области длин­ных волн. Формула Рэлея-Джинса оказалась верна для длинных волн и не применима для коротких.

Исследование теплового излучения с помощью формулы Рэлея-Джинса показало, что в рамках классической физики нельзя решить вопрос о функции, характеризующей излучательную способность а.ч.т. Эта неудачная попытка объяснения законов излучения а.ч.т. с помощью аппарата классической физи­ки получила название “ультрафиолетовой катастрофы”.

Если попытаться вычислить R Э с помощью формулы Рэлея-Джинса, то

  • “ ультрафиолетовая катастрофа ”

§6 Квантовая гипотеза и формула Планка.

В 1900 году М. Планк (немецкий ученый) выдвинул гипотезу, согласно которой испускание и поглощение энергии происходит не непрерывно, а оп­ределенными малыми порциями — квантами, причем энергия кванта пропор­циональна частоте колебаний (формула Планка):

h = 6,625·10 -34 Дж·с — постоянная Планка или

где

Так как излучение происходит порциями, то энергия осциллятора (колеб­лющегося атома, электрона) Е принимает лишь значения кратные целому чис­лу элементарных порций энергии, то есть только дискретные значения

Впервые влияние света на ход электрических процессов было изучено Герцем в 1887 году. Он проводил опыты с электрическим разрядником и об­наружил, что при облучении ультрафиолетовым излучением разряд происхо­дит при значительно меньшем напряжении.

В 1889-1895 гг. А.Г. Столетов изучал воздействие света на металлы, ис­пользуя следующую схему. Два электрода: катод К из исследуемого металла и анод А (в схеме Столетова – металлическая сетка, пропускающая свет) в ваку­умной трубке подключены к батарее так, что с помощью сопротивления R можно изменять значение и знак подаваемого на них напряжения. При облу­чении цинкового катода в цепи протекал ток, регистрируемый миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил сле­дующие основные закономерности:

  • Наиболее сильное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;
  • Под действием света из катода вырываются отрицательные заряды;
  • Сила тока, возникающего под действием света, прямо пропорциональна его интенсивности.

Ленард и Томсон в 1898 году измерили удельный заряд (е/ m ), вырывае­мых частиц, и оказалось, что он равняется удельному заряду электрона, следо­вательно, из катода вырываются электроны.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фо­тоэффекте, называются фотоэлектронами, а образуемый ими ток называется фототоком.

С помощью схемы Столетова была получена следующая зависимость фото­тока от приложенного напряжения при неизменном световом потоке Ф (то есть была получена ВАХ – вольт- амперная характеристика):

При некотором напряжении U Н фототок достигает насыщения I н – все электроны, испускаемые катодом, достигают анода, следовательно, сила тока насыщения I н определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Число высвобождаемых фотоэлектро­нов пропорционально числу падающих на поверхность катода квантов света. А количество квантов света определяется световым потоком Ф, падающим на катод. Число фотонов N , падающих за время t на поверхность определяется по формуле:

где W – энергия излучения, получаемая поверхностью за время Δ t ,

— энергия фотона,

Фе световой поток (мощность излучения).

Читайте так же:
Медный кабель 150 ток

1-й закон внешнего фотоэффекта (закон Столетова):

При фиксированной частоте падающего света фототок насыщения пропорционален падающему световому потоку:

Ф, ν = const

U з задерживающее напряжение — напряжение, при котором ни одному электрону не удается долететь до анода. Следовательно, закон сохранения энергии в этом случае можно записать: энергия вылетающих электронов равна задерживающей энергии электрического поля

следовательно, можно найти максимальную скорость вылетающих фотоэлектронов Vmax

2- й закон фотоэффекта : максимальная начальная скорость Vmax фото­электронов не зависит от интенсивности падающего света (от Ф), а определя­ется только его частотой ν

3- й закон фотоэффекта : для каждого вещества существует "красная граница» фотоэффекта, то есть минимальная частота νкp, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности, при которой ещё возможен внешний фотоэффект.

Второй и третий законы фотоэффекта нельзя объяснить с помощью вол­новой природы света (или классической электромагнитной теории света). Со­гласно этой теории вырывание электронов проводимости из металла является результатом их "раскачивания" электромагнитным полем световой волны. При увеличении интенсивности света (Ф) должна увеличиваться энергия, переда­ваемая электроном металла, следовательно, должна увеличиваться Vmax , а это противоречат 2-му закону фотоэффекта.

Так как по волновой теории энергия, передаваемая электромагнитным полем пропорциональна интенсивности света (Ф), то свет любой; частоты, но достаточно большой интенсивности должен был бы вырывать электроны из металла, то есть красной границы фотоэффекта не существовало бы, что про­тиворечит 3-му закону фотоэффекта. Внешний фотоэффект является безынерционным. А волновая теория не может объяснить его безынерционность.

§ 3 Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Работа выхода

В 1905 году А. Эйнштейн объяснил фотоэффект на основании квантовых представлений. Согласно Эйнштейну, свет не только испускается квантами в соответствии с гипотезой Планка, но распространяется в пространстве и поглощается веществом отдельными порциями — квантами с энергией E = hv. Кванты электромагнитного излучения называются фотонами.

Уравнение Эйнштейна (закон сохранения энергии для внешнего фото­эффекта):

Энергия падающего фотона hv расходуется на вырывание электрона из металла, то есть на работу выхода Авых, и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии .

Наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону для того, чтобы удалить его из твердого тела в вакуум называется работой выхода.

Так как энергия Ферм к Е F зависит от температуры и Е F , также изменяется при изменении температуры, то, следовательно, Авых зависит от температуры.

Кроме того, работа выхода очень чувствительна к чистоте поверхности. Нанеся на поверхность пленку (Са, S г , Ва) на W Авых уменьшается с 4,5 эВ для чистого W до 1,5 ÷ 2 эВ для примесного W .

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить в c е три закона внешнего фо­тоэффекта,

1-й закон: каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интен­сивности (Ф) света

3-й закон: При уменьшении ν уменьшается Vmax и при ν = ν Vmax = 0, следовательно, = Авых, следовательно, т.е. существует минимальная частота, начиная с которой возможен внешний фотоэффект.

46. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента, ток насыщения и запирающее напряжение (от каких параметров они зависят).

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.

Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока — фототок насыщения — определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U. При U = U ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью vmax, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Т.е., измерив задерживающее напряжение U, можно определить максимальные значения скорости кинетической энергии фотоэлектронов.

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает

Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v2> v1> v)

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v, то фотоэффекта не происходит. Частоту v называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Краткий итог: фототок насыщения зависит только от интенсивности, а запирающее напряжение U зависит от кинетической энергии вырываемых светом электронов, в свою очередь кинетическая энергия зависит только от частоты света.

47. Работа выхода при внешнем фотоэффекте, красная граница фотоэффекта.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Читайте так же:
Включение торшера от выключателя

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

(1)

Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно растет с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни A, ни v от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А=const), то при некоторой достаточно малой частоте v = v кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (1) получим, что

(2)

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности. Выражение (1) можно записать в виде

VIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум — 2016

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА УРАВНЕНИЯ ЭЙНШТЕЙНА ДЛЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ ПЛАНКА ПРИ ИЗУЧЕНИИ КВАНТОВОЙ КОНЦЕПЦИИ СВЕТА

Под действием электромагнитного излучения электроны могут вылетать из вещества. Это явление называют фотоэффектом.

С точки зрения квантовой теории света взаимодействие света с электронами вещества можно рассматривать как неупругое столкновение фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, в результате единичного акта столкновения электрон приобретает дополнительную энергию.

Кинетическая энергия электрона частично тратится на совершение выхода А против задерживающих сил, действующих в поверхностном слое вещества, а оставшаяся часть кинетической энергии и есть максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Уравнение Эйнштейна, описывающее закон сохранения энергии при фотоэффекте для взаимодействия фотона с электроном имеет следующий вид

где hν – энергия поглощенного фотона, А – работа выхода электрона, Еmax – максимальная кинетическая энергия вылетевшего фотоэлектрона. Здесь предполагается, что кинетическая энергия электрона в веществе до поглощения фотона много меньше энергии фотона.

При экспериментальном изучении фотоэффекта используется двухэлектродная лампа-диод. Один из электродов – катод, освещается светом определенной частоты. Вылетающие фотоэлектроны достигают анода. При фиксированной частоте и постоянной мощности падающего света типичная зависимость силы фототока I от приложенного напряжения U между катодом и анодом приведена на рис.1:

Рисунок 1 – Вольтамперная характеристика фотоэлемента

Поясним ход кривой вольтамперной характеристики. При некотором отрицательном напряжении Uз, называемым запирающим напряжением, фототок становится равным нулю. Это связано с тем, что максимальной кинетической энергии вылетающих фотоэлектронов Еmax недостаточно для совершения работы, равной eUз против тормозящих сил электрического поля между катодом и анодом (e – заряд электрона). При достаточно больших ускоряющих потенциалах (U > Uз) все фотоэлектроны, выбитые из катода, попадают на анод. Поэтому ток насыщения в этом режиме не изменяется при увеличении ускоряющего потенциала. При задерживающих потенциалах (Uз < U) на анод могут попасть лишь электроны, обладающие достаточно большим запасом кинетической энергии. Наконец, начиная с некоторого значения (потенциал запирания – Uз) даже наиболее быстрые электроны не могут попасть на анод. Очевидно, что запирающий потенциал связан с максимальной кинетической энергией фотоэлектронов соотношением

Согласно уравнению Эйнштейна, величина Uз для определённого фотокатода прямо пропорциональна частоте ν падающего света:

Для каждого вещества существует минимальная частота νmin, при превышении которой может наблюдаться фотоэффект. Она определяется из условия Еmax = 0 и описывается формулой

Соответствующая длина волны, называемая красной границей фотоэффекта, равна

где с – скорость света.

В данной работе осуществляется экспериментальная проверка уравнения Эйнштейна для фотоэффекта и измеряются значения постоянной Планка.

При выполнении точных экспериментов по определению постоянной Планка применяются фотоэлементы, имеющие вид сферического конденсатора, с фотокатодом на внутренней сфере (рис. 2):

Рисунок 2 – Схема экспериментальной установки для исследования фотоэлемента

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении технологическими процессами.

В полупроводниковых фотоэлементах, под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в качестве невозобновляемых источников тока в часах, микрокалькуляторах, в автомобилях, где применяются фотогальванические источники энергии, с явлением фотоэффекта связаны и многие фотохимические процессы, протекающие под действием света.

Для получения монохроматического света используется набор светодиодов.

Используя данные измерений, построили графики зависимости фототока I от задерживающего напряжения U для различных значений частоты падающего света. Экстраполируя полученные кривые до их пересечения с осью U, были найдены значения запирающего напряжения Uз для используемых частот света.

Читайте так же:
Как правильно подключить выключатель света легранд

Построили график зависимости запирающего напряжения Uз от частоты света ν. Экспериментально убедились, что запирающее напряжение линейно зависит от частоты света:

причём угловой коэффициент k наклона прямой равен h/e. Это позволило определить постоянную Планка: h = ke.

Коэффициент k наклона прямой был определён при помощи построенной зависимости Uз(ν).

СПИСОК ИНФОРМАЦИОННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Копытин И.В., Корнев А.С., Манаков Н.Л., Фролов М.В. Квантовая теория. Часть 3: Курс лекций для вузов. 3-е изд. – Воронеж: Изд-во ВГУ, 2008. – 88 с.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Т.4 Оптика. – М.: Наука, 1980. – С. 205–209.

Фотоэффект — Световые кванты — Квантовая физика

Цель: рассмотреть явление фотоэффекта и выяснить основные его законы.

I. Организационный момент

— Как изменится частота измерения, если энергию кванта увеличить в 2 раза?

— Какие из физических явлений не смогла объяснить классическая физика?

— Как испускают энергию атомы согласно гипотезе Планка?

— Как излучает энергию нагретое тело согласно теории Максвелла?

— Все ли тела излучают энергию?

— Запишите формулу энергии М. Планка?

— Чему равна постоянная Планка?

III. Изучение нового материала

Цинковая пластинка соединена с электродом и освещается электрической дугой без стеклянной оптики. Цинковую пластину заряжают один раз отрицательным зарядом, а другой раз потенциально. В первом случае электрометр разряжается, во втором — нет.

Опыт с отрицательно заряженной цинковой пластинкой повторяют. Но пучок света перекрывают непрозрачным экраном, а затем убирают, эффект обнаруживается при освещении практически сразу (через 10 -9 с).

Эксперимент с отрицательно заряженными пластинками других металлов. По времени разряда электрометра до нуля делают вывод о скорости разряда пластин.

Повторяют опыт с отрицательно амальгамированной пластинкой, установленной один раз на расстоянии 1 м от источника света, а другой — на расстоянии вдвое меньше. Скорость разряда электрометра увеличивается.

Эксперимент с отрицательно заряженными пластинками цинка и меди. Экраном из органического стекла перекрывают источник ультрафиолетового излучения. На цинке фотоэффект есть, на меди — нет.

Выводы: фотоэффект состоит из вырывания электронов из поверхности металла при его освещении. Электрическое поле отрицательно заряженной пластинки металла способствует уносу эмитированных электронов с поверхности металла, а электрическое поле положительно заряженной пластинки возвращает электроны в металл. Данное явление практически безинерционно. Интенсивность фотоэффекта зависит от рода металла, величины светового потока и спектрального состава излучения.

image177

Влияние знака электрического заряда пластинки на фотоэлектрон

Освобождение электронов с поверхности металла не является механическим эффектом. При падении электромагнитной волны на поверхность металла переменное электрическое поле вызывает колебания свободных электронов в металлах: их кинетическая энергия возрастает. При большой интенсивности электромагнитного излучения, а значит, напряженности Е электрического поля, кинетическая энергия электрона может достичь величины, достаточной для того, чтобы преодолеть силы притяжения к металлу и покинуть его. Однако опыты показывают, что фотоэффект наступает даже при малых интенсивностях света. Это не может быть объяснено на основе волновой теории.

При поглощении фотона энергия фотона E = hv передается свободному электрону. Она расходуется на освобождение электрона из металла — на работу выхода и на сообщении ему кинетической энергии.

При этом энергия фотона передается электрону в металле только целиком, а сам фотон перестает существовать.

Сегодня внешним фотоэффектом мы называем явление, когда под действием электромагнитного излучения вещество испускает электроны. Начало этому открытию было положено еще в 1887 г., когда Генрих Герц, занимаясь опытами с электромагнитными волнами, заметил, что если осветить цинковую пластину ультрафиолетовым светом, то она зарядится.

Количественная закономерность фотоэффекта была установлена А. Г. Столетовым.

Фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на металл:

где v — коэффициент пропорциональности, называемый фоточувствительностью вещества.

Следовательно, число электронов, выбиваемых за 1 с из вещества, пропорционально интенсивности света, падающего на это вещество.

Изменяя условия освещенности А. Г. Столетов установил, что кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты.

Если к освещенному электроду подключить положительный полюс батареи, то при некотором напряжении фототок прекращается. Это явление не зависит от величины светового потока. Используя закон сохранения энергии:

где е — заряд; m — масса электрона; v — скорость электрона; U3 — запирающее напряжение, — устанавливают, что если частоту лучей, которыми облучают электрод, увеличить, то поэтому

Таким образом, кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света.

Заменяя в приборе материал фотокатода, Столетов установил третий закон фотоэффекта.

Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. существует наименьшая частота vmin, при которой еще возможен фотоэффект.

При v < vmin — ни при какой интенсивности волны падающего света на фотокатод фотоэффект не произойдет.

Фотоэффект практически безинерционен.

А. Эйнштейн, развив идею Планка (1905 г.), показал, что законы фотоэффекта могут быть объяснены при помощи квантовой теории.

Явление фотоэффекта экспериментально доказывает, что свет имеет прерывистую структуру.

Излученная порция Е = hv сохраняет свою индивидуальность и поглощается веществом только целиком. На основании закона сохранения энергии:

image179

Так как image180то:

image181

Шестнадцать лет спустя классическую простоту уравнения Эйнштейна Шведская академия наук отметила Нобелевской премией. Но в 1905 г. когда уравнение было написано впервые, на него ополчились все, даже Планк.

Читайте так же:
Как правильно подключить выключатель с подсветкой шнайдер

А. Эйнштейн поступил так, как будто до него вообще не существовало физики, или, по крайней мере, как человек, ничего не знающий об истинной природе света. Здесь сказалась замечательная особенность Эйнштейна: в совершенстве владея логикой, он больше доверял интуиции и фактам, причем случайных фактов в физике для него не существовало. Поэтому в явлении фотоэффекта он видел не досадное исключение из правил волновой оптики, а сигнал природы о существовании еще неизвестных, но глубоких законов. Так уж случилось, что исторически сначала были изучены волновые свойства света. Только в явлении фотоэффекта физики впервые столкнулись с его корпускулярными свойствами. У большинства из них инерция мышления была настолько велика, что они отказывались верить.

IV. Закрепление изученного материала

— В чем состоит явление фотоэффекта?

— Когда и кем было открыто явление фотоэффекта?

— Нарисуйте схему установки опыта Герца и объясните, в чем суть опыта.

— Объясните опыты А. Г. Столетова.

— Объясните законы фотоэффекта с точки зрения квантовой теории света.

— Напишите формулу Эйнштейна для фотоэффекта и объясните ее физическую суть.

— Каково условие существования фотоэффекта?

— Что называют красной границей фотоэффекта?

— Запишите формулу для красной границы фотоэффекта.

V. Решение задач

Определить наибольшую длину волны света, при которой может происходить фотоэффект для пластины.

Определить наибольшую скорость электрона, вылетевшего из цезия, при освещении его светом с частотой 7,5 · 10 14 Гц.

image183

Наибольшая длина волны света, при которой происходит фотоэффект для вольфрама, 0,275 мкм.

1) работу выхода электронов из вольфрама;

2) наибольшую скорость электронов, вырываемых из вольфрама светом длиной волны 0,18 мкм;

3) наибольшую энергию этих элементов.

VI. Подведение итогов урока

Первые опыты по исследованию фотоэффекта А. Г. Столетов Начал 20 февраля 1888 г., исследования продолжались практически непрерывно до 21 июня 1889 г.

В опытах использовался гальванометр с ценой деления 6,7 «на 10 в минус 10-й степени» А. С помощью специального магнита чувствительность гальванометра увеличивалась, цена деления составляла 2,7 «на 10 в минус 10-й степени» А. Источники тока применялись различные, иногда опыт проводился без источника тока.

А. Г. Столетов назвал два диска (сплошной и в виде сетки) сетчатым конденсатором. Сплошной диск освещался с той стороны, где накапливался электрический заряд, а сетка освещалась со стороны, где зарядов практически не было. Это позволяло наилучшим образом исследовать «разряжающее» действие световых лучей.

Размеры дисков подбирались так, чтобы при небольшом расстоянии от электрической дуги (примерно 20 см) сплошной диск полностью освещался от отверстия, окружавшего лампу, диаметром 10 см. Расстояние от диска до лампы подбиралось так, чтобы не было сильного нагрева диска.

С чувствительным гальванометром А. Г. Столетов обнаружил ток в цепи сплошного диска и сетки даже при очень маленьких значениях напряжения между ними, но при непременном условии, что к освещаемому диску был присоединен отрицательный полюс батареи гальванических элементов, а к сетке — положительный. При малых напряжениях ток возникал при близком расположении электродов (диска и сетки), при более высоких напряжениях ток был заметен даже при расстояниях больше 10 см.

Если освещаемый диск соединялся с положительным полюсом батареи, а сетка с отрицательным, электрический ток в цепи отсутствовал. А. Г. Столетов назвал это свойство наблюдаемого явления — нечувствительности положительных зарядов к световым лучам — униполярностью «актиноэлектрического действия» (именно так называл А. Г. Столетов явление, которое он исследовал).

А. Г. Столетов обнаружил, что на протекание явления существенным образом влияет состояние поверхности металлического диска. Даже плохо окисляемые на воздухе металлы (никель, серебро, платина) давали слабые токи, если их поверхность не зачищалась непосредственно перед проведением эксперимента (хотя на взгляд они выглядели вполне чистыми). Очень трудно, практически невозможно было наблюдать явление с дисками, поверхности которых давно не зачищались или из легко окисляемых металлов, например, цинка. Даже малейший слой окисла существенно влиял на ход явления.

Столетов установил, что источником тока должна была быть именно дуговая лампа — электрическая дуга. С другими источниками света опыт не получался.

В опытах Столетова было выявлено, что действие света — электрический ток — зависит от того, насколько интенсивно освещается электрод. Как писал сам Столетов: «. действие (сила тока) пропорционально напряженности освещения или, лучше сказать, количеству активных лучей».

В опытах применялось и прерывистое освещение диска с помощью картонного круга с семью окошками по секторам (окошки и промежутки между ними были одинаковы по ширине). Картонный круг приводился во вращение с различной скоростью — от одного до одиннадцати оборотов в секунду. Измерения силы тока при таком освещении показали прямую пропорциональную зависимость силы тока от световой энергии, падающей на металлический диск.

Этот опыт с прерывистым освещением дал еще один очень важный результат. Электрический ток обнаруживался даже если диск освещался очень маленьких промежуток времени — около 1/150 с при самой большой скорости вращения диска. Однако Столетов понимал, что эти результаты не могут дать окончательного ответа на вопрос, обладает ли излучение, вызывающее электрический ток, прерывистыми или непрерывными свойствами.

Читайте так же:
Монтаж накладного выключателя света

Удивительно, как со столь несложными с точки зрения современной науки установками А. Г. Столетову удалось обнаружить даже безинерционность фотоэффекта. Это было очень нелегко! А. Г. Столетов сделал вывод о том, что электрический ток возникает практически мгновенно после освещения диска, с помощью хитроумных приспособлений, позволявших очень быстро менять освещенность диска и одновременно очень быстро замыкать и размыкать цепь гальванометра. При этом оказалось, что при всех доступных в опытах скоростях прерывания светового потока и электрической цепи пропорциональность силы тока и энергии света не нарушалась. Столетов сделал вывод о том, что электрический ток «устанавливается мгновенно и в каждый момент соответствует силе освещения».

Библиотека образовательных материалов для студентов, учителей, учеников и их родителей.

Наш сайт не претендует на авторство размещенных материалов. Мы только конвертируем в удобный формат материалы из сети Интернет, которые находятся в открытом доступе и присланные нашими посетителями.

Если вы являетесь обладателем авторского права на любой размещенный у нас материал и намерены удалить его или получить ссылки на место коммерческого размещения материалов, обратитесь для согласования к администратору сайта.

Разрешается копировать материалы с обязательной гипертекстовой ссылкой на сайт, будьте благодарными мы затратили много усилий чтобы привести информацию в удобный вид.

Зависимость силы тока от напряжения

Электрический ток — это упорядоченное движение электрических зарядов или заряженных макроскопических тел. Направление электрического тока I совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц: заряды движутся под воздействием электрического поля, которое создается в проводнике в результате приложенного к концам проводника напряжения U. Как величина силы тока зависит от величины напряжения? Попробуем разобраться.

Величина силы тока

По определению силой тока называется физическая величина равная величине заряда q, прошедшего через поперечное сечение проводника за время t:

Если сила тока не зависит от времени, то такой электрический ток называется постоянным. Рассмотрим далее именно такой случай, когда ток постоянен. Измерить величину заряда чрезвычайно трудно, поэтому в 1826 г. немецкий физик Георг Ом поступил следующим образом: в электрической цепи, состоящей из источника напряжения (батареи) и сопротивления, он измерял величину тока при разных значениях сопротивления. Затем, не меняя величину сопротивления, он стал изменять параметры источника напряжения, подключая сразу, например, два-три источника. Измеряя величину тока в цепи, он получил зависимости силы тока от напряжения U и от сопротивления R.

Схема измерений тока и напряжения Георга Ома

Рис. 1. Схема измерений тока и напряжения Георга Ома.

Закон Ома

В результате проведенных исследований Георг Ом обнаружил, что отношение напряжения U между концами металлического проводника, являющегося участком электрической цепи, к силе тока I в цепи есть величина постоянная:

где R электрическое сопротивление. Данная формула называется законом Ома, который до сих пор является основным расчетным инструментом при проектировании электрических и электронных схем.

Если по оси абсцисс отложить значения напряжения, а по оси ординат — значения тока в цепи при данных значениях напряжения, то получится график зависимости силы тока I от напряжения U.

График зависимости силы тока от напряжения

Рис. 2. График зависимости силы тока от напряжения.

Из этого графика видно, что эта зависимость линейная. Угол наклона прямой зависит от величины сопротивления. Чем больше R, тем меньше угол наклона.

График зависимости силы тока от сопротивления

Рис. 3. График зависимости силы тока от сопротивления.

Если зафиксировать напряжение U и по оси абсцисс откладывать значения R электрического сопротивления, то из полученного графика видно, что эта зависимость уже нелинейная — с ростом сопротивления поведение тока описывает обратно пропорциональной функцией — гиперболой.

Закон Ома перестает работать при больших величинах тока, так как начинают работать дополнительные эффекты, связанные с тепловым разогревом вещества, ростом температуры. В газах при больших токах возникает пробой, ток растет лавинообразно, отклоняясь от линейного закона.

От чего зависит величина сопротивления

Эксперименты показывают, что сопротивление проводника прямо пропорционально его длине L и обратно пропорционально площади поперечного сечения S:

где ρ удельное электрическое сопротивление вещества.

Единицы измерения

В международной системе единиц СИ единица измерения электрического сопротивления называется “ом” в честь физика Георга Ома. По определению электрическим сопротивлением 1 Ом обладает участок цепи, на котором падает напряжение 1 В при силе тока 1 А.

Единица измерения удельного сопротивления получается производной от единиц величин, входящих в фориулу: сопротивления, длины и площади. То есть в системе СИ получатся, что если R = 1 Ом, S = 1 м 2 , а L = 1 м, то ρ = 1 .

Это и есть единица измерения удельного сопротивления. Но на практике оказалось, что у реальных проводов площади сечений гораздо меньше 1 м 2 . Поэтому было решено при вычислении ρ использовать значение площади S в мм 2 , чтобы итоговое значение имело компактный вид. Тогда получаются более удобные (меньше нулей после запятой) для восприятия числовые значения удельного сопротивления:

Величину тока измеряют амперметром, а величину напряжения — вольтметром. При проведении очень точных измерений, необходимо учитывать внутреннее сопротивление этих приборов.

Что мы узнали?

Итак, мы узнали, что зависимость силы тока в электрической цепи описывается с помощью закона Ома. Сила тока I прямо пропорциональна величине U напряжения, и обратно пропорциональна сопротивлению R.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector