※ [本文转录自 f94 信箱] 作者: [email protected] ([email protected]) 标题: [大师] 化工概论报告BETA版 题目光电效应以及ꠠ… 时间: Sun May 20 18:48:09 2007 作者: f94 (大师) 看板: IamMaster 标题: [大师] 化工概论报告BETA版 题目光电效应以及其应用 时间: Sun May 20 17:39:21 2007 光电效应的目的和范畴 光电效应是爱因斯坦於1912年所做的实验, 本实验证明了 1: 光具有粒子性 2: 光的频率愈高能量愈大 光具有粒子性这个结论解释了许多古典物理(光的波动性无法解释) 没办法解释的问题 例如 1:光照金属材料 要产生电流入射光的要大於某频率 才会有电流 而某频率和材料有关 2: 所放出的电子动能与入射光强度无关系但与频率成正比 光电效应这个实验不只拿到了Nobel Prize 还做出了非常非常多的应用产品 太阳能板 GPS导航系统 DVD拨放器 光纤网路 可以说是大大的改变了人类的生活 现在先让我来介绍光电效应的实验和原理吧 --------------------------------------------------------------------------- 光电效应实验介绍 首先先把仪器架好如下图 http://www.wretch.cc/album/show.php?i=master920735&b=1&f=1480712585&p=2 然後水银灯光源要往h/e装置打光 h/e装置接受光之後就会产生电流 然後选择一个频率的光打入h/e装置 再选择一个和所选频率的光依样颜色的滤片 盖住h/e装置的接收孔 然後不断的换颜色 然後纪录电流所产生的电压 这组实验数据可以看出频率和电流强度的关系 再来选择一个由黑逐渐到白的滤片 盖住h/e装置的接收口 此滤片可以降低光强度 然後纪录电压 这组实验数据可以看出光强度和和电流强度的关系 ----------------------------------------------------------------------------- 光电效应实验的解释和结论 光电效应只会发生在导体不会发生在绝缘体 有自由电子的材料才会有光电效应 所以常常用金属来做 因为要有自由电子给光电子撞出质子轨道 自由电子被撞的力突破凡得瓦力产生电流示意图如下 (我用小画家画的) http://www.wretch.cc/album/show.php?i=master920735&b=1&f=1480712586&p=3 上图代表的意思是自由电子在导线里面乱撞而产生电流的是意图 再没通电的时候自由电子并不是不会乱碰乱撞 而是随机碰撞 随机的结果 每个电子的平均向量平均起来会等於0 所以没通电是没电流的 通电流是给自由电子施加某一个方向的力 导致自由电子碰撞会偏向某方向 而光电子碰撞自由电子也是给自由电子某方向的意思 如果光没有粒子性的性质 光照金属材料绝对不会有电流发生 有电流发生正是爱因斯坦说明了光有粒子性 某些导电性比较差的金属材料 要被够高频率的光照才会出现电流 能量够高光电子才能把电子撞离轨道 以及频率愈高的光所产生的电压愈高 上面的实验数据说明了 光频率愈高能量愈高这件事 ------------------------------------------------------------------------- 太阳能电池的目的和范畴 太阳能取之不尽 用之不竭 太阳内部不断的进行核融合反应 每秒中有6X10的11次方的氢转变成氦 其中有4X10的3次方的质量损失 爱因斯坦相对论说: E=MC平方 E=Energy(J) M=Mass(Kg) C= Speed 3X10八次方(M/S) 带入公式可知 太阳每秒可以制造 3.6X10的20次方焦耳的能量 经过一亿五千万公里来到地球 还保有1.2X10的17次方瓦 所以太阳照地球一秒的能量如果能完全转换 可以让全世界的人类用2小时 太阳能电池与一般的电池不同 太阳能电池是将太阳能转换成电能的装置 且不需要透过电解质来传递导电离子 而是改采半导体产生 PN 结来获得电位 当半导体受到太阳光的照射时 大量的自由电子伴随而生 而此电子的移动又产生了电流 也就是在 PN 结处产生电位差因此 太阳能电池需要阳光才能运作 所以大多是将太阳能电池与蓄电池串联 将有阳光时所产生的电能先行储存 以供无阳光时放电使用 关於太阳能电池的应用有一般家庭安装於屋顶上以加热洗澡水或太阳能车上的动力来源 太阳能有许多优点：丰富 清洁 安全且不受任何垄断 它不从地球上带走任何东西 也不会导致污染 却默默地发出光和热 推动生命的成长 它确实是无後顾之忧的能源 ------------------------------------------------------------------------ 太阳能电池原理 太阳能电池系一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片 其将高纯度的半导体材料加入一些不纯物使其呈现不同的性质 如加入硼可形成 P 型半导体加入磷可形成 N 型半导体 PN 两型半导体相结合後 当太阳光入射时 产生电子与电洞 有电流通过时 则产生电力 发电原理可参考下图 http://www.wretch.cc/album/show.php?i=master920735&b=1&f=1480712589&p=6 导体受到太阳光的照射时 大量的自由电子伴随而生 而此电子的移动又产生了电流 也就是在 PN 结处产生电位差 因此 太阳能电池需要阳光才能运作 所以大多是将太阳能电池与蓄电池串联 将有阳光时所产生的电能先行储存 以供无阳光时放电使用 ---------------------------------------------------------------------------- 太阳能电池的类型与使用材料 太阳能电池分非晶、单晶及多晶三种： （一）单晶矽的组成原子均按照一定的规则，周期性地排列， 它的制作方法是把矽金属（纯度为 99.999999999％，11 个 9）熔融於石英坩埚中， 然後把晶种插入液面，以每分钟 2 ~ 20 转的速率旋转， 同时以每分钟 0.3 ~ 10 毫米的速度缓慢的往上拉引， 如此即可形成一直径 4 ~ 8 寸单晶矽碇， 此制作方法称为柴氏长晶法（Czochralski method）。 用单晶矽制成的太阳电池，效率高且性能稳定，目前已广泛应用於太空及陆地上。 （二）多晶矽的矽原子堆积方式不只一种， 它是由多种不同排列方向的单晶所组成。 多晶矽是以熔融的矽铸造固化而成， 因其制程简单，所以成本较低。 目前由多晶矽所制作出的太阳电池产量， 已经逐渐超越单晶矽的太阳电池。 （三）非晶矽乃是指矽原子的排列非常紊乱， 没有规则可循。一般非晶矽是以电浆式化学气相沈积法， 在玻璃等基板上成长厚度约一微米左右的非晶矽薄膜。 因为非晶矽对光的吸收性比矽强约 500 倍， 所以只需要薄薄的一层就可以把光子的能量有效地吸收， 且不需要使用昂贵的结晶矽基板，而用较便宜的玻璃、陶瓷或是金属等基板， 如此不仅可以节省大量的材料成本， 也使得制作大面积的太阳电池成为可能（结晶矽太阳电池的面积受限於矽晶圆的尺寸）。 单、多晶太阳能电池较非晶太阳能电池能够转化多一倍以上的太阳能为电能， 但单、多晶的价格比非晶的价格贵两三倍以上， 在阴天的情况下非晶体式反而与晶体式能够收集到差不多一样多的太阳能。 所以，除非受到每单位面积产电功率的限制，否则的话， 使用非晶体式太阳能电池板为更加划算的投资。 --------------------------------------------------------------------------- 参考书目 非常大量的网路资料 作者: FISHBANE,GASIOROWICZ,THORNTON 书名: Physics for Scientists and Engineers with Modern Physics(The Third Edition) 出版地点: USA 出版者: PEAESON 出版年份: 2005 作者: McMURRY FAY,ROBERT C. FAY 书名: Chemistry(The Fourth Edition) 出版地点: USA 出版者: PEAESON 出版年份: 2004 作者: 中国文化大学物理系 书名: 普通物理实验(下) 出版地点: 台湾 出版者: 中国文化大学物理系 出版年份: 2007年1月 --

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