Номер 7, страница 31 - гдз по физике 11 класс тетрадь для лабораторных работ Парфентьева

Лабораторная работа № 5. Определение максимальной мощности химической и солнечной батарей - номер 7, страница 31.

Условие.

7. Контрольные вопросы

1. Какой из двух измеренных источников выделяет большую мощность?

2. Какой из двух измеренных источников является линейным?

3. В чём различия примесной и собственной проводимости полупроводников?

4. Какое применение $p-n$-перехода вам известно?

5. Дайте объяснение вольтамперной характеристики солнечной батареи.

6. Что мы не учли при расчётах и выводах?

7. Сформулируйте законы внутреннего и внешнего фотоэффекта.

Решение.

1. Какой из двух измеренных источников выделяет большую мощность?

Чтобы определить, какой из двух источников выделяет большую мощность, необходимо проанализировать их вольтамперные характеристики (ВАХ) — графики зависимости силы тока $I$ от напряжения $U$. Мощность, отдаваемая источником во внешнюю цепь, рассчитывается по формуле $P = U \cdot I$. Для каждого источника необходимо найти точку на его ВАХ, в которой это произведение максимально. Эта точка называется точкой максимальной мощности ($P_{max}$). Сравнив значения $P_{max}$ для двух источников, можно сделать вывод, какой из них выделяет большую мощность. Тот источник, у которого значение $P_{max}$ больше, и является источником, выделяющим большую мощность. Без конкретных графиков или данных измерений дать однозначный ответ невозможно.

Ответ: Большую мощность выделяет тот источник, у которого максимальное значение произведения тока на напряжение ($P_{max} = (U \cdot I)_{max}$) больше.

2. Какой из двух измеренных источников является линейным?

Источник тока считается линейным, если его вольтамперная характеристика (ВАХ) представляет собой прямую линию. Это означает, что его внутреннее сопротивление $r$ постоянно и не зависит от тока. ВАХ линейного источника описывается уравнением $U = \mathcal{E} - I \cdot r$, где $\mathcal{E}$ — ЭДС источника, а $U$ — напряжение на его клеммах. Нелинейный источник имеет криволинейную ВАХ, что указывает на зависимость его внутреннего сопротивления от режима работы (например, от силы тока). Чтобы определить, какой из источников линейный, нужно посмотреть на их графики ВАХ. Тот источник, чей график является прямой линией, является линейным.

Ответ: Линейным является тот источник, вольтамперная характеристика которого представляет собой прямую линию.

3. В чём различия примесной и собственной проводимости полупроводников?

Различия между собственной и примесной проводимостью полупроводников заключаются в природе носителей заряда и механизме их возникновения.

Собственная проводимость присуща химически чистым полупроводникам. Носители заряда — электроны и дырки — возникают парами в результате разрыва ковалентных связей под действием тепловой энергии. Концентрация электронов в зоне проводимости $n$ равна концентрации дырок в валентной зоне $p$ ($n_i=p_i$). Собственная проводимость, как правило, невелика и сильно зависит от температуры.

Примесная проводимость возникает в полупроводниках при введении в них специальных примесей (легировании). Она бывает двух типов:

- Электронная проводимость (n-тип): создается введением донорной примеси (например, фосфора в кремний). Примесные атомы легко отдают свои электроны в зону проводимости. Основными носителями заряда являются электроны ($n \gg p$), а неосновными — дырки.

- Дырочная проводимость (p-тип): создается введением акцепторной примеси (например, бора в кремний). Примесные атомы захватывают электроны из валентной зоны, создавая избыток дырок. Основными носителями заряда являются дырки ($p \gg n$), а неосновными — электроны.

Основные отличия: 1) природа возникновения носителей (тепловая генерация против ионизации примесей); 2) тип носителей заряда (в собственной — электроны и дырки в равных количествах, в примесной — преобладают либо электроны, либо дырки); 3) величина проводимости (примесная проводимость при комнатной температуре на много порядков выше собственной).

Ответ: Собственная проводимость обусловлена тепловой генерацией электронно-дырочных пар в чистом полупроводнике, а примесная — введением примесей, создающих избыток либо электронов (n-тип), либо дырок (p-тип), что приводит к значительно более высокой проводимости.

4. Какое применение p-n-перехода вам известно?

P-n-переход — это область на стыке двух полупроводников с p-типом и n-типом проводимости, обладающая свойством односторонней проводимости. Это свойство лежит в основе работы множества электронных приборов:

- Полупроводниковые диоды: используются для выпрямления переменного тока.

- Стабилитроны (диоды Зенера): применяются для стабилизации напряжения.

- Светодиоды (LED): излучают свет при прохождении прямого тока.

- Фотодиоды и солнечные батареи: генерируют ЭДС под действием света.

- Биполярные и полевые транзисторы: являются основой современной электроники, используются для усиления и переключения сигналов.

- Тиристоры и симисторы: используются в силовой электронике для управления большими токами.

- Варикапы: используются как конденсаторы с электрически управляемой ёмкостью.

Ответ: p-n-переход является основой для диодов, транзисторов, светодиодов, фотодиодов, солнечных батарей, тиристоров и многих других полупроводниковых приборов.

5. Дайте объяснение вольтамперной характеристики солнечной батареи.

Вольтамперная характеристика (ВАХ) солнечной батареи — это график зависимости силы тока $I$, отдаваемого батареей, от напряжения $U$ на её выводах при постоянной освещенности и температуре.

ВАХ солнечной батареи имеет несколько ключевых точек:

- Ток короткого замыкания ($I_{кз}$): максимальный ток, который может генерировать батарея при нулевом напряжении на выводах ($U=0$). $I_{кз}$ прямо пропорционален интенсивности падающего света.

- Напряжение холостого хода ($U_{хх}$): максимальное напряжение на выводах батареи при разомкнутой цепи ($I=0$). $U_{хх}$ логарифмически зависит от интенсивности света.

- Точка максимальной мощности (ТММ): точка на ВАХ, в которой произведение $P = U \cdot I$ достигает максимума ($P_{max} = U_{раб} \cdot I_{раб}$). Это оптимальный режим работы батареи.

Форма кривой объясняется тем, что солнечная батарея является p-n-переходом. Под действием света генерируется фототок $I_{ф}$. Одновременно через p-n-переход течет "темновой" ток диода $I_d$ в обратном направлении. Суммарный ток во внешней цепи равен $I = I_{ф} - I_d(U)$. При малых $U$ ток $I_d$ мал, и $I \approx I_{ф} \approx I_{кз}$. С ростом напряжения $U$ ток $I_d$ экспоненциально растет, что приводит к резкому спаду суммарного тока $I$ до нуля при $U = U_{хх}$.

Ответ: ВАХ солнечной батареи показывает зависимость отдаваемого тока от напряжения и имеет характерную нелинейную форму с точками короткого замыкания ($I_{кз}$) и холостого хода ($U_{хх}$). Максимальная мощность отдается в определенной рабочей точке на этой кривой.

6. Что мы не учли при расчётах и выводах?

При проведении расчётов и формулировании выводов в рамках типовой лабораторной работы обычно допускается ряд упрощений. Вероятно, не были учтены следующие факторы:

- Влияние температуры: Характеристики полупроводниковых приборов (ЭДС, внутреннее сопротивление, ВАХ) сильно зависят от температуры. Расчёты, скорее всего, проводились в предположении постоянной температуры.

- Внутреннее сопротивление измерительных приборов: Идеальный вольтметр имеет бесконечное, а идеальный амперметр — нулевое сопротивление. Реальные приборы вносят погрешность в измерения.

- Сопротивление соединительных проводов: Провода обладают собственным сопротивлением, которое может влиять на результаты, особенно при больших токах.

- Нестабильность внешних условий: Например, при измерениях для солнечной батареи могли происходить колебания интенсивности или спектрального состава света.

- Систематические и случайные погрешности измерений: Погрешности, связанные со снятием показаний с приборов и их классом точности.

Ответ: При расчётах и выводах, вероятно, не учитывались зависимость параметров от температуры, внутреннее сопротивление измерительных приборов и проводов, а также возможные погрешности измерений.

7. Сформулируйте законы внутреннего и внешнего фотоэффекта.

Внешний фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Его законы:

1. Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности падающего света.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого вещества существует минимальная частота света $\nu_{min}$ ("красная граница" фотоэффекта), ниже которой фотоэффект не наблюдается.

4. Фотоэффект практически безынерционен.

Эти законы описываются уравнением Эйнштейна: $h\nu = A_{вых} + E_{к,max}$, где $h\nu$ — энергия фотона, $A_{вых}$ — работа выхода, $E_{к,max}$ — максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона.

Внутренний фотоэффект — это явление увеличения электропроводности вещества (полупроводника или диэлектрика) под действием света за счет генерации в нем дополнительных носителей заряда. Его законы:

1. Для возникновения внутреннего фотоэффекта энергия кванта света должна быть не меньше ширины запрещенной зоны вещества: $h\nu \ge E_g$. Это определяет "красную границу" для внутреннего фотоэффекта.

2. Изменение проводимости (фотопроводимость) пропорционально интенсивности поглощенного света.

3. Количество образующихся пар носителей заряда (электрон-дырка) пропорционально числу поглощенных фотонов с энергией $h\nu \ge E_g$.

Ответ: Законы внешнего фотоэффекта описывают испускание электронов с поверхности вещества под действием света (зависимость от интенсивности и частоты, наличие красной границы). Законы внутреннего фотоэффекта описывают увеличение проводимости внутри вещества за счёт генерации носителей заряда светом (условие $h\nu \ge E_g$ и пропорциональность интенсивности).