Творческое задание, страница 134 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Творческое задание

Подготовьте сообщение по темам (на выбор):

1. Опыт Столетова.

2. КПД солнечной батареи, перспективы ее использования.

1. Опыт Столетова.

Опыт Столетова – это серия фундаментальных экспериментов, проведенных русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым в 1888–1890 годах. Эти опыты были посвящены изучению явления, открытого Генрихом Герцем в 1887 году, – влияния ультрафиолетового света на электрический разряд. Работа Столетова позволила детально исследовать внешний фотоэлектрический эффект (фотоэффект) и сформулировать его основные законы.

Экспериментальная установка Столетова состояла из вакуумного стеклянного баллона с двумя металлическими электродами. Один электрод (катод) был выполнен в виде сплошной пластины из цинка, а второй (анод) – в виде сетки, чтобы не заслонять катод от света. Электроды подключались к батарее, позволяющей создавать и изменять напряжение между ними, а в цепь был включен чувствительный гальванометр для измерения слабого электрического тока.

В ходе эксперимента катод освещался светом от вольтовой дуги (источника, богатого ультрафиолетовым излучением). Столетов обнаружил, что под действием света с поверхности цинкового катода вырываются отрицательно заряженные частицы (позже названные электронами), которые, двигаясь к положительно заряженному аноду-сетке, создают в цепи электрический ток. Этот ток был назван фототоком.

Систематически изучая это явление, Столетов установил три ключевых закона фотоэффекта:

1. Первый закон: Сила фототока насыщения прямо пропорциональна интенсивности (световому потоку) падающего на катод света. Это означает, что чем ярче свет, тем больше электронов вылетает с поверхности металла в единицу времени.

2. Второй закон: Максимальная начальная скорость (и, следовательно, кинетическая энергия) вылетающих фотоэлектронов зависит от химической природы вещества катода и от частоты света, но не зависит от его интенсивности. Для каждого вещества существует минимальная частота света (или максимальная длина волны), называемая "красной границей" фотоэффекта, ниже которой фотоэффект не наблюдается, какой бы сильной ни была интенсивность света.

3. Третий закон: Фотоэффект является практически безынерционным. Фототок возникает почти мгновенно после начала освещения катода, задержка составляет менее $10^{-9}$ секунды.

Открытия Столетова имели огромное значение. Они вошли в противоречие с классической волновой теорией света, которая не могла объяснить, почему энергия электронов зависит от частоты, а не от интенсивности света, а также наличие "красной границы" и безынерционность. Эти экспериментальные законы легли в основу квантовой теории. В 1905 году Альберт Эйнштейн, опираясь на гипотезу Макса Планка о квантах, объяснил законы фотоэффекта, введя представление о световых частицах – фотонах. Согласно Эйнштейну, энергия каждого фотона равна $E = h\nu$, где $\text{h}$ – постоянная Планка, а $\nu$ – частота света. Это объяснение стало одним из важнейших подтверждений квантовой природы света.

Ответ: Опыт Столетова заключается в экспериментальном исследовании явления фотоэффекта, в ходе которого были установлены его основные количественные законы: пропорциональность фототока интенсивности света, зависимость энергии фотоэлектронов от частоты света (а не от его интенсивности) и практическая безынерционность явления. Эти открытия легли в основу квантовой теории и были объяснены А. Эйнштейном.

2. КПД солнечной батареи, перспективы ее использования.

Коэффициент полезного действия (КПД) солнечной батареи (или фотоэлектрического преобразователя) – это ключевой параметр, характеризующий её эффективность. Он определяется как отношение электрической мощности, генерируемой батареей, к мощности солнечного излучения, падающего на её поверхность.

Формула для расчета КПД ($\eta$) выглядит следующим образом:

$\eta = \frac{P_{out}}{P_{in}} \cdot 100\%$

где $P_{out}$ – полезная электрическая мощность на выходе (в Ваттах), а $P_{in}$ – полная мощность падающего солнечного излучения (в Ваттах). Мощность падающего излучения, в свою очередь, равна произведению плотности светового потока (инсоляции, $\text{E}$, в Вт/м²) на площадь панели ($\text{A}$, в м²), то есть $P_{in} = E \cdot A$.

КПД современных солнечных батарей зависит от множества факторов:

1. Материал и технология: Наиболее распространены кремниевые панели. Монокристаллические панели имеют КПД 18-24%, поликристаллические – 16-20%, а тонкопленочные (например, из аморфного кремния) – 6-12%. Лабораторные образцы многопереходных (тандемных) ячеек, использующих такие материалы, как арсенид галлия (GaAs) или перовскиты, достигают КПД свыше 47%.

2. Теоретический предел: Для однопереходного кремниевого элемента существует фундаментальный предел эффективности (предел Шок-Квиссера), составляющий около 33%. Это связано с тем, что фотоны с энергией меньше ширины запрещенной зоны полупроводника не поглощаются, а избыточная энергия "горячих" фотонов теряется в виде тепла.

3. Внешние условия: КПД снижается при нагреве панели (примерно на 0.3-0.5% на каждый градус Цельсия выше стандартных 25 °C), а также зависит от спектра и угла падения солнечного света, загрязнения поверхности и частичного затенения.

Перспективы использования солнечных батарей связаны с решением глобальных энергетических и экологических проблем. Основные направления развития:

1. Повышение КПД и снижение стоимости: Разработка тандемных ячеек (например, перовскит на кремнии), которые поглощают более широкий спектр солнечного света, является одним из самых многообещающих направлений. Усовершенствование технологий производства и использование новых материалов (квантовые точки, органические полупроводники) также способствуют удешевлению и повышению эффективности.

2. Новые сферы применения: Солнечные панели все активнее интегрируются в городскую среду (BIPV - Building-integrated photovoltaics), размещаясь на фасадах и крышах зданий, и даже в окнах в виде прозрачных пленок. Развиваются агровольтаика (совмещение сельского хозяйства и солнечных электростанций на одном участке) и плавучие солнечные фермы, которые экономят землю и повышают эффективность за счет охлаждения водой.

3. Гибкие и портативные решения: Тонкопленочные технологии позволяют создавать легкие, гибкие и портативные солнечные панели для питания гаджетов, использования в походах, на транспорте и в носимой электронике.

4. Интеграция с системами хранения энергии: Для преодоления проблемы прерывистости генерации (солнце светит не всегда) солнечная энергетика развивается в связке с системами накопления энергии – аккумуляторами, производством водорода, гидроаккумулирующими станциями. Это обеспечивает стабильное и надежное энергоснабжение.

Солнечная энергетика является одним из столпов глобального перехода к возобновляемым источникам энергии, и ее перспективы напрямую связаны с дальнейшим технологическим прогрессом, направленным на повышение эффективности, снижение стоимости и минимизацию воздействия на окружающую среду на всех этапах жизненного цикла панелей.

Ответ: КПД солнечной батареи – это отношение произведенной ей электрической мощности к мощности падающего солнечного света, которое для коммерческих моделей составляет 17-23%. Перспективы использования солнечных батарей огромны и включают повышение их эффективности за счет новых материалов и технологий (например, тандемных ячеек), интеграцию в городскую и сельскую инфраструктуру, создание гибких портативных устройств и развитие в комплексе с системами хранения энергии для обеспечения стабильного и чистого энергоснабжения.