Фотоэлектрический эффект . Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой механики

Какое-то время ученых вполне устраивала идея о том, что все во Вселенной состоит по меньшей мере из двух типов никак между собой не связанных микрочастиц: различных видов относительно тяжелых атомов элементов и одинаковых электронов, составляющих электрический ток.

Но так ли уж они между собой не связаны? Вольт еще за сто лет до открытия электронов использовал для получения электрического тока устройство, состоявшее из помещенных в химический раствор металлических пластин. С тех пор химические источники тока претерпели большие изменения и превратились в современные батарейки и аккумуляторы.

Если несколько обладающих нейтральным зарядом химических элементов вместе способны давать состоящий из огромного количества электронов электрический ток, значит, связь между атомами и электронами все-таки существует. Теперь нужно выяснить, образуются ли электроны в процессе соединения и разъединения атомов, или же они всегда присутствуют в веществах, а во время реакции просто-напросто высвобождаются.

И у того и у другого взгляда были свои недостатки. Образование электронов, согласно закону сохранения массы (см. ч. II), а в 90-х годах XIX века ученые свято ему верили, просто невозможно. С другой стороны, если электроны в химических элементах существовали всегда, то почему тогда они никак себя не проявляли и почему заряд химических элементов остается нейтральным?

Масло в огонь подливал и следующий феномен, известный еще до открытия электрона.

Когда в 80-х годах XIX века Герц экспериментировал с радиоволнами, то обнаружил, что гораздо проще получить искру между металлическими иглами его устройства для обнаружения радиоволн, если на иглы падает свет. То есть под действием света в металле возникает электрический ток. Герц дал феномену название

фотоэлектрический эффект.

В 1888 году немецкий физик Вильгельм Гальвакс (1859–1922) обнаружил, что свет действует на разноименные электрические заряды по-разному. Под действием ультрафиолета отрицательно заряженная цинковая пластина отдает свой заряд, а положительно заряженная — не отдает.

Объяснение появилось сразу после открытия электрона. Под действием света из металла высвобождались электроны, благодаря которым и появлялась искра. Отрицательно заряженная цинковая пластина содержит избыток электронов, который и высвобождается под действием ультрафиолета, в то время как в положительно заряженной пластине избытка электронов, понятное дело, нет.

В 1899 году Томсон доказал это утверждение, сравнив соотношение e/m электронов катодного луча и частиц, высвобождающихся под действием света, и оказалось, что соотношения эти равны друг другу, и с тех пор эти частицы также считаются электронами.

Снова встал тот же вопрос. Появляются ли электроны в металле под действием света, или же они присутствуют в нем всегда? В 1905 году Эйнштейн, доказал, что существовавшая в XIX веке формулировка закона сохранения массы является неполной.

На самом деле энергия может переходить в массу, и наоборот, поэтому следует говорить скорее о законе сохранения массы и энергии. Тем не менее энергии света, пусть даже и ультрафиолетового, просто недостаточно для образования электронов.

Значит, электроны присутствуют в самом металле. Тогда возникает еще один вопрос. Существуют ли электроны сами по себе, или же они находятся внутри атомов? Согласиться с последним оказалось не так-то просто: ведь тогда получается, что атом вовсе не та целостная, неделимая микрочастица, о которой говорили Демокрит и Дальтон и в существование которой научный мир поверил с таким трудом.

Доказательством верности второго утверждения стал следующий феномен. Филипп Ленард обнаружил, что энергия, с которой высвобождаются электроны, зависит от длины световой волны и электроны высвобождаются под действием света только с длиной волны меньше определенного значения (пороговая величина). Зарождающаяся в начале XX века квантовая теория (см. ч. II) смогла объяснить причину этого феномена. Дело в том, что свет состоит из фотонов, и чем меньше длина волны, тем выше энергия фотонов.

Энергии света с пороговым значением длины волны достаточно для того, чтобы разорвать связи, удерживающие электроны внутри вещества. У каких-то химических элементов эти связи сильнее, а у каких-то — слабее. Скажем, для выделения электронов из одних металлов необходим обладающий высокой энергией ультрафиолетовый свет, а для других достаточно и «слабого» красного. Если электроны «привязаны» внутри вещества, значит, между атомами и электронами существуют связи, и сила этих связей зависит от веса и размеров конкретного атома. А если электроны удерживаются внутри атомов определенными силами, то логично предположить, что они являются частью атомов.

Новая теория помогла ученым лучше понять структуру атомов. Дело в том, что атомов существует великое множество, а электроны-то все одинаковые (исследования показали, что электроны, выделяющиеся под действием света из различных металлов, абсолютно идентичны), и, может быть, существование всего этого разнообразия атомов можно объяснить различным количеством электронов внутри атома, их местоположением, величиной удерживающей их силы и т. д. Появлялась возможность еще больше упорядочить элементы периодической таблицы, расставленные только лишь на основании умозаключений. Новая теория похоронила идею Демокрита о неделимости атома.

Действительно, поведение химических элементов вполне соответствует их месту в периодической системе. Например, наиболее интенсивно под действием света электроны отдают щелочные металлы, причем интенсивность растет с ростом атомного веса, т. е. чем ниже элемент находится в таблице, тем легче он отдает электроны. Таким образом, проще всего выделить электроны из цезия[121] — встречающегося в природе щелочного металла с самым большим атомным весом. Именно поэтому Зворыкин для своего иконоскопа использовал именно цезий.

Это еще раз доказывает, что Менделеев опередил свое время, ведь ученому ничего не было известно о фотоэлектрическом эффекте. Впрочем, настоящий ученый и должен быть впереди своего времени, создавая то, что порой невозможно объяснить, пользуясь уже существующими знаниями.

Фотоэлектрическому эффекту можно найти массу применений. Можно, например, изготовить электровакуумный прибор без применения нити накаливания, достаточно просто поместить в трубку спираль из металла, в котором под действием света будет возникать электрический ток. Такая трубка называется фотоэлементом.

Фотоэлемент можно подключить, например, к электромагниту, удерживающему дверь. С одной стороны от двери устанавливается фотоэлемент, а с другой — источник направленного света. Пока свет попадает на фотоэлемент, в цепи присутствует электрический ток и дверь закрыта. Подходя к двери, человек загораживает источник света, напряжение в цепи падает, электромагнит отключается, а дверь отпирается.

Январь 2023 ᐈ 🔥 (+9 фото) С какой скоростью перемещается электрический ток по проводам?

Содержание

1. Электрический ток и его скорость
2. Скорость электрического тока
3. Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки…
4. Что такое электрический ток?
5. Популярные заблуждения о скорости света
6. Что быстрее: молния или гром?
7. Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока
8. Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света
9. История развития кабелей
10. Почему лампочка загорается практически мгновенно?
11. От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?
12. Тепловое действие тока

Любой человек, разбирающийся в физике, ✨ скажет, что скорость движения электрического тока равна скорости света 🔆 и составляет 300 тысяч километров в секунду. 🕐 С одной стороны он прав на 100%, но есть нюансы.

Электрический ток и его скорость

Жизнь современного человека полна комфорта. Сегодня мы имеем все блага цивилизации в свободном доступе. Главным достижением, которое совершенствовалось в течение долгого времени, является электрическая энергия, доступная практически в любой части мира. Мы привыкли к тому, что электроэнергия повсюду и задумываемся о ней лишь в тот момент, когда она внезапно пропадает.

На самом деле явление электричества таит в себе много интересного, что желательно было бы знать каждому человеку.

Например, одним из вопросов, которым нужно задаться, является скорость электрического тока. Мало кто думал о том, как быстро зажжется лампочка, находящаяся в сотне километров от источника энергии. Этот вопрос актуален для населенных пунктов, которые находятся вдали от цивилизации.

Опытным путем учеными и исследователями было доказано, что электрический сигнал движется по кабелю со скоростью света, а именно 300 тысяч км/сек.

Важно отметить, что электроны и ионы в проводнике при этом движутся совсем не с такой скоростью. Они просто на просто не могут иметь столь высокую скорость в проводящем материале.

Под скоростью света в случае с электрическим током понимается показатель скорости, с которым заряженные частицы приходят в движение друг за другом, а не движутся относительно друг друга. Носители заряда при этом обладают средней скоростью, равной, как правило, нескольким миллиметрам за 1 сек.

Более подробно объясним данную ситуацию примером:

К заряженному конденсатору присоединяются провода большой длины, идущие к лампе, что находится на расстоянии около 100 км. Замыкание цепи происходит вручную. После этого носители зарядов приходят в движение на том отрезке провода, который подключен к конденсатору. При этом начинается покидание электронами минусовой обкладки конденсатора, следовательно, происходит уменьшение электрического поля в конденсаторе параллельно с уменьшением плюсовой обкладки.

Таким образом, между обкладками сокращается разность потенциалов. При этом электроны, пришедшие в движение, приходят на место тех, что ушли. То есть, запущен процесс перераспределения электронов внутри провода за счет влияния электрического поля. Данный процесс растет, как снежный ком, и переходит дальше по всей длине провода, достигая в итоге нити накаливания лампы.

Получается, что перемены в состоянии электрического поля распространяются внутри проводника со скоростью, равной скорости света. При этом происходит активация электронов в электрической цепи с аналогичной скоростью. Хотя сами электроны движутся друг за другом по проводнику с гораздо меньшей скоростью.

Теперь разберемся в явлении гидравлической аналогии. Рассмотрим это понятие на примере движения водного потока из пункта А в пункт Б.

Допустим, что из небольшого населенного пункта по трубе в город поступает вода. Для этого функционирует специальный насос, который повышает давление внутри трубы, и вода под влиянием давления движется гораздо быстрее. Малейшие перемены в давлении по трубе распространяются очень быстро (приблизительно 1400 км/сек). Скорость распространения данных перемен напрямую зависит от показателя плотности жидкости, ее температуры и степени оказываемого давления. Через совсем короткий промежуток времени (доля секунды) вода уже поступила в город. Но это уже совсем другая вода. Ведь молекулы в ее составе провоцируют движение друг друга из-за столкновений между собой.

При этом скорость движения данных молекул гораздо меньше, ведь дрейфовая скорость имеет прямую связь с силой напора. То есть, столкновения молекул друг с другом распространяются очень быстро, а скорость одной молекулы при этом не увеличивается.

Абсолютно аналогичный процесс происходит с электрическим током. Проведем параллели: скорость распространения поля есть скорость распространения давления, а скорость движения молекул, следовательно, есть скорость электронов, создающих ток.

Дрейфовая скорость – это скорость последовательного движения заряженных частиц. Электронами данная скорость приобретается за счет действия внешнего электрического поля.

В случае, если внешнее электрическое поле отсутствует, то движение электронов внутри проводника происходит хаотично. Иными словами, конкретного направления у электрического тока нет, а дрейфовая скорость при этом нулевая.

При наличии внешнего электрического поля у проводника носители заряда приходят в движение, скорость которого зависит от ряда факторов (концентрация свободных электронов, площадь сечения провода, величины тока).

Таким образом, электрический ток имеет скорость распространения по проводнику равную скорости света. При этом скорость  движения тока в проводнике – очень мала.

Скорость электрического тока

Давайте проведем такой мысленный эксперимент. Представьте, что на расстоянии в 100 километров от города находится некая деревня, и что из города в эту деревню проложена проводная сигнальная линия длиной примерно в 100 километров с лампочкой на конце. Линия экранированная двухпроводная, она проложена на опорах вдоль автомобильной дороги.

И если теперь послать сигнал по этой линии из города в деревню, то через какое время он сможет быть там принят?

Расчеты и опыт говорят нам, что сигнал в виде засветившейся лампочки появится на другом конце минимум через 100/300000 секунд, то есть минимум через 333,3 мкс (без учета индуктивности провода) в деревне загорится лампочка, значит в проводнике установится ток (допустим, мы используем постоянный ток от заряженного конденсатора).

100 — это длина каждой из жил нашего провода в километрах, а 300000 километров в секунду — скорость света — скорость распространения электромагнитной волны в вакууме. Да, «движение электронов» распространится по проводнику со скоростью света.

Но тот факт, что электроны начинают приходить в движение друг за другом со скоростью света вовсе не означает, что сами электроны движутся в проводнике со столь огромной скоростью. Электроны или ионы, в металлическом проводнике, в электролите или в другой проводящей среде, не могут двигаться так быстро, то есть носители заряда не движутся друг относительно друга со скоростью света.

Скорость света в данном случае — это та скорость, с которой носители заряда в проводнике начинают друг за другом приходить в движение, то есть это скорость распространения поступательного движения носителей заряда. Сами же носители заряда имеют «дрейфовую скорость» при установившемся токе, скажем в медном проводнике, всего несколько миллиметров в секунду!

Поясним этот момент. Допустим, у нас есть заряженный конденсатор, и мы присоединяем к нему длинные провода от нашей лампочки, установленной в деревне на расстоянии в 100 километров от конденсатора. Присоединение проводов, то есть замыкание цепи осуществляем выключателем вручную.

Что произойдет? При замыкании выключателя начинается движение заряженных частиц в тех частях проводов, которые присоединены к конденсатору. Электроны покидают минусовую обкладку конденсатора, электрическое поле в диэлектрике конденсатора уменьшается, положительный заряд противоположной (плюсовой) обкладки уменьшается — на нее забегают электроны из присоединенного провода.

Так разность потенциалов между обкладками уменьшается. А так как электроны в прилегающих к конденсатору проводах начали двигаться, то на их места приходят другие электроны из отдаленных мест провода, иначе говоря начинается процесс перераспределения электронов в проводе из-за действия электрического поля в замкнутой цепи. Этот процесс распространяется все дальше и дальше по проводу и наконец достигает нити накаливания сигнальной лампы.

Итак, изменение электрического поля распространяется по проводнику со скоростью света, активируя электроны в цепи. Но сами электроны движутся гораздо медленнее.

Прежде чем пойти дальше, рассмотрим гидравлическую аналогию. Пусть из деревни в город по трубе подается минеральная вода. Утром в деревне запустили насос, и он стал повышать давление воды в трубе, чтобы заставить воду из деревенского источника двигаться в город. Изменение давления распространяется по трубопроводу очень быстро, примерно со скоростью 1400 км/с (зависит от плотности воды, от ее температуры, от величины давления).

Спустя долю секунды после пуска насоса в деревне, вода начала двигаться уже в городе. Но та же ли это вода, что движется в данный момент в деревне? Нет! Молекулы воды в нашем примере толкают друг друга, а сами движутся значительно медленнее, поскольку скорость их дрейфа зависит от величины напора. Толкотня молекул между собой распространяется на много порядков быстрее чем движение молекул вдоль трубы.

Так и с электрическим током: скорость распространения электрического поля аналогична распространению давления, а скорость движения электронов, образующих ток, аналогична движению непосредственно молекул воды.

Теперь вернемся непосредственно к электронам. Скорость упорядоченного движения электронов (или других носителей заряда) называют дрейфовой скоростью. Ее электроны приобретают благодаря действию внешнего электрического поля.

Если внешнего электрического поля нет, то электроны движутся хаотично внутри проводника лишь в тепловом движении, но направленного тока нет, и следовательно дрейфовая скорость в среднем оказывается равной нулю.

Если внешнее электрическое поле приложено к проводнику, то в зависимости от материала проводника, от массы и заряда носителей заряда, от температуры, от разности потенциалов, – носители заряда придут в движение, но скорость этого движения будет существенно меньше скорости света, порядка 0,5 мм в секунду (для медного проводника сечением 1 мм2, по которому течет ток 10 А, средняя скорость дрейфа электронов составит 0,6–6 мм/c).

Эта скорость зависит от концентрации свободных носителей заряда в проводнике n, от площади сечения проводника S, от заряда частицы e, от величины тока I. Как видите, несмотря на то, что электрический ток (фронт электромагнитной волны) распространяется по проводнику со скоростью света, сами электроны движутся куда медленнее. Получается, что скорость тока — это очень малая скорость.

Почему ток в розетке и проводах не бежит со скоростью света? Или все-таки…

Со светом все просто и прозрачно: скорость полета фотона равна скорости распространения светового луча. С электронами сложнее. Электрический ток сильно отличается от видимого излучения.

Почему считается, что скорость полета фотонов в вакууме и скорость электронов в проводнике одинакова? Утверждение основано на фактических результатах. В 1888 году немецкий ученый Генрих Герц экспериментально установил, что электромагнитная волна распространяется в вакууме так же быстро как свет. Но можно ли говорить, что электроны в проводнике летят со скоростью света? Надо разобраться с природой электричества.

Что такое электрический ток?

Из школьного курса физики известно, что электричество – это поток электронов, упорядоченно перемещающихся в проводнике. Пока источника электричества нет, электроны движутся в проводнике хаотически, в разных направлениях. Если суммировать траектории всех заряженных частиц, получится ноль. Поэтому кусок металла не бьет током.

Если металлический предмет подсоединить к электрической цепи, все электроны в нем выстроятся в цепочку и потекут от одного полюса к другому. Насколько быстро произойдет упорядочение? Со скоростью света в вакууме. Но это не означает, что электроны полетели от одного полюса к другому также стремительно. Это заблуждение.

Просто люди настолько привыкли к утверждению, что электричество распространяется так же быстро как свет, что не особо задумываются над деталями.

Популярные заблуждения о скорости света

Еще одним примером такого поверхностного восприятия можно назвать понятие о природе молнии. Многие ли задумываются, какие физические процессы происходят во время грозы? Какова, например, скорость молнии? Можно ли без приборов узнать, на какой высоте бушуют грозовые разряды? Разберемся со всем этим по порядку.

Кто-то может сказать, что молния бьет со скоростью света, и будет не прав. Настолько быстро распространяется вспышка, вызванная гигантским электрическим разрядом в атмосфере, но сама молния гораздо медленнее. Грозовой разряд – это не удар луча света наподобие лазера, хотя визуально похоже. Это сложная структура в насыщенной электричеством атмосфере.

Ступенчатый лидер или главный канал молнии формируется в несколько этапов. Каждая ступень в десятки метров образуется со скоростью около 100 км/сек вдоль разрядных нитей из ионизированных частиц. Направление меняется на каждом этапе, поэтому молния имеет вид извилистой линии. 100 километров в секунду – это быстро, но до скорости электромагнитной волны очень далеко. В три тысячи раз.

Что быстрее: молния или гром?

Этот детский вопрос имеет простой ответ – молния. Из того же школьного курса физики известно, что скорость звука в воздухе равна примерно 331 м/сек. Почти в миллион раз медленнее электромагнитной волны. Зная это, легко понять, как высчитать расстояние до молнии.

Свет вспышки доходит до нас в момент разряда, а звук летит дольше. Достаточно засечь промежуток времени между вспышкой и громом. Теперь просто считаем, насколько далеко от нас ударила молния, по простой формуле:

L =T × 331

Где T – это время от вспышки до грома, а L – это расстояние от нас до молнии в метрах.

Например, гром прогремел через 7.2 секунды после вспышки. 331 × 7.2 = 2383. Получается, что молния ударила на высоте 2 километра 383 метра.

Скорость электромагнитной волны – это не скорость тока

Теперь будем более внимательны к цифрам и терминам. На примере молнии убедились, что маленькое неверное допущение может привести к большим промахам. Точно известно, что скорость распространения электромагнитной волны равна 300 000 километров в секунду. Однако это не означает, что электроны в проводнике перемещаются с такой же скоростью.

Представим, что две команды соревнуются, кто быстрее доставит мяч с одного края поля на другой. Обязательное условие – каждый член команды сделает несколько шагов с мячом в руках. В одной команде пять человек, а в другой – один. Пятеро, выстроившись в цепочку, сыграют в пас, сделав каждый несколько шагов в направлении от старта к финишу. Одиночке придется бежать всю дистанцию. Очевидно, что победят пятеро, потому что мяч летит быстрее, чем человек бегает.

Так же и с электричеством. Электроны «бегают» медленно (собственная скорость элементарных частиц в направленном потоке исчисляется миллиметрами в секунду), но передают друг другу «мячик» заряда очень быстро. При отсутствии разности потенциалов на разноименных концах проводника все электроны движутся хаотично. Это тепловое движение, присутствующее в каждом веществе.

Если бы электроны двигались в проводах со скоростью света

Представим, что скорость электронов в проводнике все-таки близка к световой. В этом случае современная энергетика была бы невозможна в привычном для нас виде. Если бы электроны двигались по проводам, пролетая 300 000 километров в секунду, пришлось бы решать очень сложные технические задачи.

Самая очевидная проблема: на такой скорости электроны не смогут следовать за поворотами проводов. Разогнавшись на прямом участке, заряженные частицы будут вылетать по касательной как не вписавшиеся в вираж автомобили. Чтобы удержать летящие на космических скоростях электроны внутри энергетических магистралей, придется снабжать провода электромагнитными ловушками. Каждый участок проводки станет похожим на фрагмент адронного коллайдера.

К счастью элементарные частицы передвигаются гораздо медленнее и для передачи энергии на дальние расстояния вполне пригодны неизолированные алюминиевые провода для ЛЭП

Надеемся, что ознакомившись с этим обзором, вы нашли ответ на вопрос почему ток не бежит по кабелям со скоростью света и вспомнили кое-что из школьного курса физики, а это, согласитесь, крайне полезно в любом возрасте.

История развития кабелей

Поскольку электрический сигнал передается по кабелям, не лишним будет познакомиться с историей их появления. Первые предприятия, которые занялись производством телеграфных каналов связи, появились в Англии, в 1851-ом году.

Интересный факт: первые кабеля производились на фабриках, занимающихся изготовлением канатов. Поскольку принцип создания был схожим, цехам не пришлось тратить много времени на смену деятельности.

Первые образцы предназначались для слаботочных систем, но в 1874-ом году в Германии на их основе началось производство силового кабеля. На территории России производство электрических проводов началось в 1878-ом году в Санкт-Петербурге. Его основал инженер М.М. Победов. В качестве изоляции использовались шелк и хлопчатая бумага. И если изначально за создание кабелей отвечала небольшая фабрика, на которой трудилось несколько человек, спустя 10 лет уже во всю силу работал завод, производивший электрические провода в большом количестве. Примерно в то же время началось производство телеграфных проводов, поскольку предприятие получило разрешение на использование изолированной проволоки.

С тех пор кабельная индустрия быстро развивается, и в мире уже используется более десяти видов различных проводов.

Почему лампочка загорается практически мгновенно?

Прежде всего, нужно различать и не смешивать понятия «скорость распространения электрического тока» и «скорость движения носителей заряда» – это не одно и то же.

Когда мы говорим о скорости распространения электрического тока в проводнике, то имеется в виду скорость распространения по проводнику электрического поля, которая примерно равна скорости света (≈ 300 000 км/сек). Однако это не означает, что движение носителей зарядов в проводнике происходит с этой огромной скоростью. Совсем нет.

Движение носителей заряда (в проводнике – это свободные электроны) происходит всегда довольно медленно, со скоростью направленного дрейфа от долей миллиметра до нескольких миллиметров в секунду, поскольку электрические заряды, сталкиваясь с атомами вещества, преодолевают большее или меньшее сопротивление своему движению в электрическом поле.

Но дело в том, что свободных электронов в проводнике очень, очень много (если каждый атом меди имеет один свободный электрон, то в проводнике столько подвижных электронов, сколько и атомов меди). Свободные электроны имеются везде в электрической цепи, включая, в том числе, и нить накаливания лампочки, которая является частью этой цепи.

При присоединении проводника к источнику электрической энергии в нем распространяется электрическое поле (со скоростью, близкой к скорости света), которое  начинает действовать на ВСЕ свободные электроны практически одновременно.

Поэтому мы не наблюдаем никакого запаздывания между замыканием контактов выключателя и началом свечения лампочки, находящейся за десятки или сотни километров от электростанции. Включили напряжение, свободные электроны начали движение (во всей цепи одновременно), перенесли заряд, передали кинетическую энергию атомам вольфрама (нить накаливания), последняя нагрелась до свечения – вот и светит лампочка.

В случае переменного тока для получения требуемого тепла (рассеиваемой мощности нити накаливания) направление тока не имеет значения. Свободные электроны совершают колебания в соответствии с изменениями электрического поля и переносят заряд туда-обратно. При этом электроны сталкиваются с атомами кристаллической  решетки вольфрама, передавая им свою энергию. Это приводит к нагреву нити накаливания лампочки и ее свечению.

От чего зависит скорость дрейфа носителей зарядов?

Скорость направленного дрейфа носителей зарядов в электрическом поле пропорциональна величине электрического тока: небольшой ток означает медленную скорость потока зарядов, большой ток означает большую скорость.

На скорость носителей заряда влияет также сопротивление проводника. Тонкий проводник имеет большее сопротивление, проводник большого диаметра имеет меньшее сопротивление. Соответственно, в тонком проводнике скорость потока свободных электронов будет больше, чем в толстом проводнике (при одном и том же токе).

Имеет значение и материал проводника: в алюминиевом проводнике скорость потока электронов будет больше, чем в медном проводнике такого же сечения. Это означает, кроме прочего, что один и тот же ток будет нагревать алюминиевый проводник больше, чем медный.

Тепловое действие тока

Рассмотрим природу теплового действия тока более подробно.

При отсутствии электрического поля свободные электроны перемещаются в кристалле металла хаотически. Под действием электрического поля свободные электроны, кроме хаотического движения, приобретают упорядоченное движение в одном направлении, и в проводнике возникает электрический ток.

Свободные электроны сталкиваются с ионами кристаллической решетки, отдавая им при каждом столкновении кинетическую энергию, приобретенную при свободном пробеге под действием электрического поля. В результате упорядоченное движение электронов в металле можно рассматривать как равномерное движение с некоторой постоянной скоростью.

Поскольку кинетическая энергия электронов, приобретаемая под действием электрического поля, передается ионам кристаллической решетки при столкновении, то при прохождении постоянного тока проводник нагревается.

В случае переменного тока имеет место тот же эффект. С той лишь разницей, что электроны не перемещаются в одном направлении, а под действием переменного электрического поля они колеблются вперед-назад с частотой сети (50/60 Гц), оставаясь практически на месте.

При этом электроны также сталкиваются с атомами кристаллической  решетки металла, передают свою кинетическую энергию и это приводит к нагреву кристаллической  решетки. При достаточно больших  значениях тока сильно разогретая решетка может даже потерять постоянные связи (металл начнет плавиться).

Ключи темы

1. какая скорость тока в проводах
2. скорость тока
3. с какой скоростью идет ток
4. скорость тока по проводам
5. тепловая и дрейфовая скорость
6. скорость электричества в проводах
7. чему равна скорость электрического тока
8. скорость электричества км с
9. скорость распространения тока
10. скорость электрического поля
11. с какой скоростью течет ток
12. скорость передачи электрического тока
13. скорость движения тока
14. скорость тока в медном проводнике
15. скорость движения заряда
16. скорость электричества по проводам
17. скорость распространения тока в проводниках
18. скорость электрического тока в проводах
19. скорость электрического тока в км ч
20. с какой скоростью движется ток
21. скорость тока в проводах
22. скорость электрического сигнала
23. чему равна скорость тока
24. какая скорость электрического тока
25. с какой скоростью движется электричество
26. скорость движения тока в проводнике
27. что быстрее скорость света или скорость тока
28. скорость электрона в проводнике с током
29. с какой скоростью двигается электрический ток
30. скорость движения электронов в проводнике с током
31. с какой скоростью движутся электроны в проводнике
32. скорость распространения электрического тока в проводнике
33. как найти скорость тока в проводнике
34. какова скорость тока
35. с какой скоростью движется электрический ток
36. какая скорость тока
37. скорость эл тока
38. какова скорость электрического тока
39. скорость движения электричества
40. скорость движения электрического поля
41. скорость электричества и скорость света
42. скорость движения электрического тока
43. с какой скоростью движется электрон
44. скорость электрического тока

Фотоэлектрический эффект — Гиперучебник по физике

[закрыть]

дилемма

При определенных обстоятельствах свет можно использовать для выталкивания электронов, освобождая их от поверхности твердого тела. Этот процесс называется

фотоэлектрическим эффектом (или фотоэлектрической эмиссией или фотоэмиссией ), материал, который может проявлять это явление, называется фотоэмиссией , а выброшенные электроны называются фотоэлектронами ; но нет ничего, что отличало бы их от других электронов. Все электроны идентичны друг другу по массе, заряду, спину и магнитному моменту.

Фотоэффект впервые наблюдал в 1887 году Генрих Герц во время экспериментов с генератором с искровым разрядником (самое раннее устройство, которое можно было назвать радиоприемником). В этих экспериментах искры, генерируемые между двумя маленькими металлическими сферами в передатчике, вызывают искры, которые прыгают между двумя разными металлическими сферами в приемнике. По сравнению с более поздними радиоустройствами, с генератором искрового промежутка было очень сложно работать. Воздушный зазор часто должен быть меньше миллиметра, чтобы приемник надежно воспроизводил искру передатчика. Герц обнаружил, что может повысить чувствительность своего искрового разрядника, освещая его видимым или ультрафиолетовым светом. Более поздние исследования J.J. Томсон показал, что эта повышенная чувствительность была результатом воздействия света на электроны — частицу, открытую им в 189 г.7.

Хотя это интересно, вряд ли это удивительно. Все формы электромагнитного излучения переносят энергию, и довольно легко представить, что эта энергия используется для выталкивания мельчайших частиц отрицательного заряда с поверхности металла, где они изначально не так сильно ограничены. Однако эпоха современной физики — это эпоха совершенно неожиданных и необъяснимых открытий. Последующие исследования фотоэффекта дали результаты, не согласующиеся с классической теорией электромагнитного излучения. Когда он взаимодействовал с электронами, свет вел себя не так, как предполагалось. Теоретически для устранения этого разрыва требовалось больше, чем просто заплата. Это означало воссоздание значительной части физики с нуля.

Филипп Ленард, ассистент Герца, провел самые ранние и окончательные исследования фотоэлектрического эффекта. Ленард использовал металлические поверхности, которые сначала очищали, а затем помещали в вакуум, чтобы можно было изучить эффект только на металле и на него не влияли какие-либо поверхностные загрязнения или окисление. Образец металла помещали в вакуумированную стеклянную трубку со второй металлической пластиной, закрепленной на противоположном конце. Затем трубку каким-то образом позиционировали или ограничивали так, чтобы свет падал только на первую металлическую пластину, сделанную из исследуемого фотоэмиссионного материала. Такая трубка называется 9Фотоэлемент 0007 (формально) или электрический глаз (неофициально). Ленард подключил свой фотоэлемент к цепи с регулируемым источником питания, вольтметром и микроамперметром, как показано на схеме ниже. Затем он освещал фотоэмиссионную поверхность светом разной частоты и интенсивности.

Выбивание электронов из фотоэмиссионной пластины придаст ей небольшой положительный заряд. Поскольку вторая пластина была соединена с первой проводкой цепи, она тоже стала бы положительной, что затем притянуло бы фотоэлектроны, свободно плавающие в вакууме, где они приземлились бы и вернулись обратно к пластине, с которой они стартовали. Имейте в виду, что этот эксперимент не создает электроны из света, он просто использует энергию света, чтобы проталкивать электроны, которые уже есть, по цепи. Фотоэлектрический ток, генерируемый этим средством, был довольно мал, но его можно было измерить с помощью микроамперметра (чувствительный гальванометр с максимальным отклонением всего в несколько микроампер). Он также служит мерой скорости, с которой фотоэлектроны покидают поверхность фотоэмиссионного материала.

Обратите внимание, как источник питания подключен к цепи — его отрицательный конец подключен к пластине, которая не подсвечивается. Это создает разность потенциалов, которая пытается вытолкнуть фотоэлектроны обратно на фотоэмиссионную поверхность. Когда источник питания настроен на низкое напряжение, он улавливает наименее энергичные электроны, уменьшая ток через микроамперметр. Увеличение напряжения отбрасывает все более энергичные электроны назад, пока, наконец, ни один из них не сможет покинуть поверхность металла, а микроамперметр не покажет ноль. Потенциал, при котором это происходит, называется 9.0007 останавливающий потенциал . Это мера максимальной кинетической энергии электронов, испускаемых в результате фотоэлектрического эффекта.

Ленард обнаружил, что интенсивность падающего света не влияла на максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов. Те, что были выброшены под воздействием очень яркого света, имели ту же энергию, что и те, что были выброшены под воздействием очень тусклого света той же частоты . Однако в соответствии с законом сохранения энергии яркий источник выбрасывает больше электронов, чем тусклый.

Более поздние эксперименты других, в первую очередь американского физика Роберта Милликена в 1914 году, показали, что свет с частотами ниже определенного порогового значения, называемого пороговой частотой , не будет выбрасывать фотоэлектроны с поверхности металла независимо от того, насколько ярким был источник. Эти результаты были совершенно неожиданными. Учитывая, что электроны можно перемещать с помощью света, и учитывая, что энергия в луче света связана с его интенсивностью, классическая физика предсказывает, что более интенсивный луч света будет выбрасывать электроны с большей энергией, чем менее интенсивный луч не важно какая частота . Однако это было не так.

Красный свет не выбрасывает фотоэлектронов (даже если он очень яркий). Зеленый свет выбрасывает фотоэлектронов (даже если он очень тусклый). Синий свет выбрасывает фотоэлектроны с большей энергией, чем зеленый свет (даже если он очень тусклый).

На самом деле, возможно, эти результаты не так уж и типичны. Большинство элементов имеют пороговые частоты, которые соответствуют ультрафиолетовому излучению, и только некоторые из них опускаются достаточно низко, чтобы быть зелеными или желтыми, как в примере, показанном выше. Все материалы с самыми низкими пороговыми частотами являются полупроводниками. Некоторые имеют пороговые частоты в инфракрасной области спектра.

Классическая модель света описывает его как поперечную электромагнитную волну. В этом мало кто сомневался в конце 19 века. Волновая природа света была подтверждена, когда она успешно применялась для объяснения таких оптических явлений, как дифракция, интерференция, поляризация, отражение и преломление. Если мы сможем представить свет в виде волн в электромагнитном океане и преуспеем в этом, то нам будет несложно представить электроны на металлической поверхности чем-то вроде привязанных буев, плавающих в электромагнитной гавани. Приходят волны (свет), которые тянут и тянут буйки (электроны). Слабые волны не действуют, но сильные могут просто вырвать буй из причала и пустить его по течению. Волновая модель света будет предсказывать соотношение энергии и амплитуды, а не соотношение энергии и частоты, описанное выше. Фотоэлектрические эксперименты описывают электромагнитный океан, где чудовищные волны не опрокинут каноэ, а крошечная рябь подбросит вас в воздух.

Если этого недостаточно, то фотоэлектроны, кажется, слишком быстро выскакивают из поверхности. Когда интенсивность света очень низкая, скорость, с которой энергия доставляется на поверхность, совершенно вялая. Каждому конкретному электрону требуется некоторое время, чтобы захватить достаточное количество этой рассеянной энергии, чтобы освободиться. Это должно, но это не так. В тот момент, когда свет соответствующей частоты любой интенсивности падает на фотоэмиссионную поверхность, по крайней мере один электрон всегда немедленно выскочит (9).0063 t  < 10 ⁻⁹  с). Продолжая аналогию с океаном, представьте себе гавань, полную маленьких лодок (электронов). Море спокойное, за исключением крошечной ряби на поверхности (низкая интенсивность, коротковолновый свет). Эти волны не затрагивают большинство лодок в гавани, но одну вырывает из гавани и отправляет вверх, как реактивный самолет. Просто что-то здесь не так. Никакие механические волны не ведут себя так, но свет ведет себя так.

новая идея

Двумя факторами, влияющими на максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов, являются частота падающего излучения и материала на поверхности. Как показано на графике ниже, энергия электрона увеличивается с частотой простым линейным образом выше порога. Все три кривые имеют одинаковый наклон (равный постоянной Планка ), что показывает, что соотношение энергия-частота является постоянным для всех материалов. Ниже пороговой частоты фотоэмиссии не происходит. Каждая кривая имеет разную точку пересечения на оси энергии, которая показывает, что пороговая частота является функцией материала.

Увеличить

Гением, который понял, что здесь происходит, был не кто иной, как самый известный в мире физик Альберт Эйнштейн. В 1905 году Эйнштейн понял, что свет ведет себя так, как будто он состоит из мельчайших частиц (первоначально названных квантов , а позже названных фотонов ) и что энергия каждой частицы пропорциональна частоте электромагнитного излучения. часть. Напомним из предыдущего раздела этой книги, что Макс Планк изобрел понятие квантованного электромагнитного излучения как способ решения технической проблемы с идеализированными источниками электромагнитного излучения, называемыми черными телами. Вспомните также, что Планк не верил, что излучение на самом деле распадается на маленькие частицы, как показал его математический анализ. Он думал, что все это было просто выдумкой, которая давала ему правильные ответы. Гениальность Эйнштейна заключалась в том, что он признал, что изобретение Планка на самом деле было разумным описанием реальности. То, что мы воспринимаем как непрерывную волну электромагнитного излучения, на самом деле является потоком дискретных частиц.

Es scheint mir nun in der Tat, daß die Beobachtungen über die «schwarze Strahlung», Photolumineszenz, die Erzeugung von Kathodenstrahlen durch ultraviolettes Licht und andere die Erzeugung bez. Verwandlung des Lichtes betreffende Erscheinungsgruppen besser verstandlich erscheinen unter der Annahme, daß die Energie des Lichtes diskontinuierlich im Raume verteilt sei. Nach der hier ins Auge zu fassenden Annahme ist bei Ausbreitung eines von einem Punkte ausgehenden Lichtstrahles die Energie nicht kontinuierlich auf größer und größer werdencle Räume verteilt, sondvern es besteht dieselbe aus einer endlichen Zahl von in Raumpunkten lokalisierten Energiequanten, welche sich bewegen, ohne sich zu teilen und nur als Ganzesorbiert und erzeugt werden können.

Альберт Эйнштейн, 1905 год

В самом деле, мне кажется, что наблюдения за «излучением черного тела», фотолюминесценцией, образованием катодных лучей ультрафиолетовым светом и другими явлениями, связанными с испусканием или преобразованием света, можно лучше понять, если предположить, что энергия свет распространяется в пространстве прерывисто. Согласно рассматриваемому здесь предположению, при распространении луча света, исходящего из точки, энергия не распределяется непрерывно по все возрастающему объему, а состоит из конечного числа квантов энергии, локализованных в пространстве, которые движутся, не разделяясь. и которые могут быть поглощены или испущены только целиком.

Альберт Эйнштейн, 1905 год

уравнений

Эйнштейн и Милликен описали фотоэлектрический эффект, используя формулу (в современных обозначениях), которая связывает максимальную кинетическую энергию ( K _max ) фотоэлектронов с частотой поглощенных фотонов ( f ) и пороговой частотой ( f ₀ ) фотоэмиссионной поверхности.

K _max  =  ч ( f  −  ж ₀ )

или, если хотите, к энергии поглощенных фотонов ( E ) и работе выхода (φ) поверхности

K _макс.  =  E  − φ

где первый член представляет собой энергию поглощенных фотонов ( E ) с частотой ( f ) или длиной волны (λ)

E  =  hf  =
	λ

, а второй член — работа выхода (φ) поверхности с пороговой частотой ( f ₀ ) или пороговой длиной волны (λ ₀ )

φ = hf 0  =
	λ 0

Максимальная кинетическая энергия ( K _max ) фотоэлектронов (с зарядом e ) может быть определена из тормозного потенциала ( В ₀ ).

В 0  =	Вт	=	К макс.
	q		и

Итак…

K _max  =  эВ ₀

Если заряд ( e ) указан в кулонах, энергия будет рассчитываться в джоулях. При зарядке ( e ) дается в элементарных зарядах, энергия будет рассчитываться в электрон-вольт . Это приводит к большому количеству констант. Используйте тот, который наиболее подходит для вашей проблемы.

Постоянная Планка с вариациями

	Единицы СИ	приемлемо не в единицах СИ
ч	6,626 070 15  × 10 −34 Дж с	4,135 667 696 9  × 10 −15 эВ с
	1,986 445 857  × 10 −25 Дж·м	1 239,841 984 эВ нм

Наконец, скорость ( n / t ), с которой фотоэлектроны (с зарядом e ) испускаются с фотоэмиссионной поверхности, может быть определена из фотоэлектрического тока ( I ).

I  =	q	=	ne
	т		т

Итак…

нет	=	я
т		и

технология

• «электрический глаз», экспонометр, звуковая дорожка кинофильма
• фотопроводимость: увеличение электропроводности неметаллического твердого тела под воздействием электромагнитного излучения. Увеличение проводимости связано с добавлением свободных электронов, высвобождаемых при столкновении с фотонами. Скорость, с которой генерируются свободные электроны, и время, в течение которого они остаются свободными, определяют степень увеличения.
• фотогальваника: выброшенный электрон проходит через излучающий материал и входит в твердый электрод, соприкасаясь с фотоэмиттером (вместо прохождения через вакуум к аноду), что приводит к прямому преобразованию энергии излучения в электрическую энергию
• фотостатическое копирование

Фотоэлектрическая эмиссия

Электрон эмиссия Электрон эмиссия из металла Термоэмиссионный эмиссия Электрический полевая электронная эмиссия Фотоэлектрический эмиссия вторичная эмиссия электронов

Электроника приборы и схемы >> Электрон эмиссия >> Фотоэлектрическая эмиссия процесс, посредством которого бесплатно электроны испускаются с поверхности металла применение света называется фотоэлектрической эмиссией. Это также определяется как процесс, посредством которого свободные электроны выделяется из металла, когда он поглощает световую энергию. Фотоэлектрическая эмиссия также называется фотоэмиссией или фотоэлектронная эмиссия или фотоэлектрический эффект. В этот метод, свет или фотоны используются для удаления свободного электроны из твердого металла. Следовательно, свободные электроны испускаемые твердым металлом, называются фотоэлектронами. ток, возникающий в результате этого процесса, называется фотоэлектрическим. текущий. Металлы без световой энергии Когда световая энергия не распространяется на металлы, свободная электроны не могут покинуть металл. Однако некоторые из валентность электроны освобождаются от атомов. В нормальная температура, некоторые валентные электроны получают достаточно энергии от источника тепла. Валентные электроны, которые получают достаточная энергия разрывает связь с родительским атомом и становится бесплатно. свободные электроны, разрывающие связь с родительским атомом, имеют какой-то кинетический энергия. Таким образом, они свободно перемещаются из одной точки в другую. точка. Однако им не хватает энергии, чтобы стать свободными. из металла. Сильная сила притяжения ядер препятствует свободным электронам, которые пытаются вырваться из металл. Кому преодолеть силу притяжения ядер, свободное электронам нужна достаточная энергия света. Свобода электроны, разрывающие связь с металлом, переходят в вакуум. фотонов и его влияние на металлы Фотоны являются мельчайшими частицами света. В отличие от электронов и протоны, фотоны не имеют массы. Однако у фотонов есть энергия. Видимый свет и все другие формы света, такие как радио волны, микроволны, инфракрасный свет, ультрафиолет свет, и гамма лучи состоят из фотонов. Тем не менее, энергия фотоны не одинаковы для всех этих огней. например, гамма лучи (фотоны) обладают большей энергией, чем инфракрасный свет (фотоны). Энергия фотона зависит от его частоты, тогда как интенсивность света зависит от количества фотоны. Когда световая энергия прикладывается к металлу, свободные электроны набирает энергию. Другими словами, когда легкие частицы (фотоны) сталкиваются со свободными электронами в металле, они переносят свою энергию свободным электронам. свободные электроны, получающие дополнительную энергию от света, будут попытаться преодолеть силу притяжения ядер. Если световая энергия, воздействующая на металл, дополнительно увеличивается до более высокое значение, свободные электроны в металлах получают достаточную энергию и преодолеть сильную притягательную силу ядра. Свободные электроны, преодолевающие притяжение сила ядер, будет прыгать в вакуум. Фотоэлектрический излучение зависит от частоты света и не зависит от интенсивности света Частота света энергия фотона зависит от его частоты. Фотоны с низкая частота имеет низкую энергию, тогда как фотоны с высокой частоты обладают высокой энергией. Фотоны высоких энергий или высокие Частотные фотоны необходимы для испускания свободных электронов из металлы. Когда фотоны высокой энергии воздействуют на металлы, свободные электроны покидают поверхность металла. минимальная энергия или минимальная частота фотонов требуется для удаления свободных электронов из металлов. называется пороговой частотой или пороговой энергией фотонов. Эта пороговая частота не одинакова для всех металлов. Это разные для разных металлов. Если световая энергия, приложенная к металлу, достигает или превышает пороговой частоты, он начинает испускать свободные электроны. На с другой стороны, если световая энергия, приложенная к металлу, ниже пороговой частоты он не излучает свободный электроны. Интенсивность света число фотонов попадает на свободные электроны в металле зависит от интенсивности света. Свет низкой интенсивности имеет меньше фотонов. Следовательно, если свет низкой интенсивности приложенный к металлу, меньшее количество фотонов попадает на свободный электроны в металле. Вкл. с другой стороны, свет высокой интенсивности имеет большее количество фотоны. Таким образом, если свет высокой интенсивности подается на металла, большее количество фотонов сталкивается со свободными электронами в металл. Высокий частота и свет низкой интенсивности Если свет высокой частоты и низкой интенсивности применяется к металл, меньшее количество фотонов сталкивается со свободными электронами в металлы. Однако каждый отдельный фотон, попавший в свободный электрон, имеет энергию или частоту больше порога частота или пороговая энергия. Следовательно, каждый отдельный фотон обеспечивает достаточно энергии для свободного электрон покидает металл. Таким образом, свободные электроны, испускаемые с поверхности металла, равны зависит от частоты света. Низкий частота и свет высокой интенсивности Если низкочастотный и высокоинтенсивный свет применяется к металла, большее количество фотонов сталкивается со свободными электронами в металлы. Однако каждый отдельный фотон, попавший в свободный электрон, имеет энергию или частоту меньше порога частота или пороговая энергия. Следовательно, каждый отдельный фотон не дает достаточно энергии свободный электрон покидает металл. alexxlab Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт Рубрики Прост Радио Разное Своими руками Советы Схем Схемы Транзист Транзисторы Электрон Электроника