Кто обуздал энергию солнца и придумал солнечные батареи 🔥фанфакт.ру

Первые устройства, работающие на солнечной энергии

Энергию Солнца люди начали использовать еще тысячи лет назад. К примеру, известно, что султанский дворец Топкапы отапливался водой, нагретой Солнцем. А первый солнечный двигатель, по некоторым данным, был создан во Франции еще в 1600 году. Он использовал нагретый воздух для перекачки воды. Однако активно развивать технологии солнечной энергетики инженеры-изобретатели и ученые начали лишь с XVIII-XIX века.

Отправной точкой в эволюции солнечной энергетике можно назвать появление нагревателей, которые были основаны на использовании зеркал и линз. К примеру, изобретатель Ж. Бюффон в середине XVII века создал большое вогнутое зеркало, которое могло фокусировать лучи солнца в одной точке. При помощи этого зеркала можно было воспламенить сухое дерево на расстоянии 68 метров.

Ж. Бюффон придумал использовать зеркала, чтобы концентрировать солнечные лучи и таким образом усиливать тепловую энергию

Первый же водонагреватель был создан шведским ученым Н. Соссюром. Он представлял собой ящик со стеклянной крышкой. Устройство позволяло нагревать воду до 88 градусов. В 1774 году французский ученый А. Лавуазье впервые применил линзы для концентрации тепловой энергии, что значительно расширило возможности нагревателей. В его солнечной печи температура разогревалось до 1650 градусов. Примерно в тот же период было создано выпуклое стекло в Англии, которое позволяло плавить чугун всего за 3 минуты.

Надо сказать, что в этот период также стали появляться первые паровые машины, обеспечившие промышленную революцию. Это позволило инженерам объединить две технологии — нагрев воды солнечной энергией и преобразование пара в механическую энергию.

Фотоэлементы

В 1934 году проводились исследования с тонкой пленкой оксида меди, которая наносилась на медный анод в качестве полупроводника. Катод в этой электрической цепи также был покрыт полупрозрачной медной пленкой. Работая с такой схемой преобразования энергии света в энергию электрическую, ученые рассчитали, что при горизонтальном расположении пластин в перспективе можно получить мощность порядка 26 ватт на один квадратный метр.

В 1940 году Рассел Ол, сотрудник лаборатории Белла, проводил опыты с образцами на кремниевой основе и имеющих различные химические составы. Один образец при охлаждении дал трещину. Его распилили и проводили опыты по уже нерегламентированной программе. И вот здесь Рассел Ол неожиданно обнаружил, что если образец осветить, то электроизмерительные приборы, подключенные в цепь, показывают изменения тока и напряжения. Дальнейшие работы с кремнием уже носили целенаправленный характер. При исследовании кремниевых образцов с различными присадками были выведены общие закономерности, которые в конечном итоге привели к открытию p-n перехода в полупроводниках.

В 1948 году была разработана первая концепция полупроводниковых фотоэлектрических преобразователей на диодах Шоттки. В 1950 году Уильям Брэдфорд Шокли разработал теоретическую модель p-n перехода, создав тем самым базу для разработки современных солнечных батарей. За эту работу в 1956 году Уильяму Шокли была присуждена Нобелевская премия по физике.

Уильям Шокли (1910 – 1989)

В те годы лаборатория Белла в Нью Джерси была одним из самых лучших научно-исследовательских центров в мире. В 1953 году ученые этой лаборатории Дэрил Чапин, Кэлвин Фуллер и Джеральд Пирсон изготовили первые в мире кристаллические кремниевые солнечные элементы. Каждый из этих элементов имел площадь активной поверхности около двух квадратных сантиметров.

Эффективность самых первых фотоэлементов была всего 4%. Вдохновленные полученными результатами ученые продолжали работу над своим творением, и уже вскоре были получены элементы с эффективностью 6%.

Кэлвин Фуллер (1902 – 1994), Джеральд Пирсон (1905 – 1987), Дэрил Чапин (1906 – 1995)

25 апреля 1954 года газета «Нью-Йорк Таймс» на первой полосе поместила материал о сенсационном достижении ученых. Через некоторое время была достигнута эффективность 11%, и в 1955 году эти элементы были применены в качестве источника питания для телефонных усилителей. Совершенствовалась технология изготовления фотоэлементов, и вот уже в 1958 году в США, а через два месяца в СССР на орбиту вокруг Земли выводятся спутники, аппаратура которых частично питается от солнечных батарей.

https://youtube.com/watch?v=QHN8ClszP4Y

Солнечная энергетика с тех пор сделала не один, а много качественных скачков. Сейчас очень трудно найти такую отрасль, где не используются солнечные батареи. От космических станций и мощнейших, в сотни мегаватт электростанций до наручных часов и детских игрушек. Освещение улиц, электроснабжение домов, сельскохозяйственных ферм, электромобили, велосипеды, яхты, самолеты на солнечных батареях – это уже не фантастика, а наша действительность.

Масштабные правительственные программы

1990 год – Германия запускает программу «1000 Солнечных крыш».
1994 год – Япония активно внедряет кампанию «70000 Солнечных крыш».
Компания Spectrolab в 2009 году демонстрирует фотоэлемент со способностью преобразовывать энергию Солнца в электричество на 41,6%.
В 2011 году компания из Калифорнии Solar Junction сумела достичь КПД 43,5%.
Корпорация Sharp в 2013 году создает фотоэлемент, состоящий из 3-х слоев, на сложной химической базе с 44,4% КПД. А в 2014 Институте им. Фраунгофера создали солнечные батареи с КПД 46%.
В 2014 году введена в эксплуатацию самая большая на Земле электрическая станция от Солнца – Ivanpah Solar Electric Generating System. Ее площадь 14,24 кв. км, а мощность – 392 МВт. Этого хватит что бы обеспечить больше 140.000 объектов в Калифорнии.

Интересно, что одним из трех совладельцев этой электростанции является компания Google.

Освещая путь науки: от глубин океана до космической бездны

Известный физик Манне Сигбан из Шведской королевской академии наук в своей речи на церемонии вручения Нобелевской премии сказал: «Открытие явления, ныне известного как эффект Черенкова, представляет собой интересный пример того, как относительно простое физическое наблюдение при правильном подходе может привести к важным открытиям и проложить новые пути для дальнейших исследований».

За все эти годы излучение Вавилова – Черенкова действительно нашло множество применений. Большое развитие получила техника черенковских счетчиков. Эти устройства быстро вошли в арсенал физики высоких энергий – для определения скорости частицы, ее заряда и других характеристик. Еще в начале 1960-х годов в СССР был создан самый большой черенковский счетчик в мире. С его помощью, в частности, исследовалось множественное рождение элементарных частиц «мезонов» в ядерных взаимодействиях при высоких энергиях.

Детектор Super-Kamiokande. Фото: Kamioka Observatory, ICRR, Univ. of Tokyo

В 1996 году в Японии начал работу гигантский черенковский детектор Super-Kamiokande, диаметром примерно 40 метров и вместимостью 50 тыс. тонн воды. Этот гигант позволил сделать важные открытия в физике нейтрино – загадочной, трудноуловимой частицы. Огромный размер счетчика позволяет регистрировать отдельные и не очень частые акты взаимодействия нейтрино с протонами и нейтронами в атомных ядрах элементов, составляющих воду (кислород и водород). «Выдают» себя нейтрино излучением Вавилова – Черенкова, светясь проходя через толщу воды. Это излучение улавливается и детально анализируется. Можно с большой точностью определить тип нейтрино, вызвавшего реакцию, а также энергию и направление импульса. Так в 1987 году Super-Kamiokande зарегистрировал нейтрино, порожденные при вспышке сверхновой в Большом Магеллановом облаке и положил начало нейтринной астрономии.

Позже для лучшей охоты на нейтрино детекторы стали размещать в озерах. К примеру, самый крупный в Северном полушарии глубоководный нейтринный телескоп находится на Байкале. Это Baikal-GVD, строительство которого стартовало в 1990 году. Последняя версия телескопа была запущена совсем недавно. Кстати, в проекте его создания приняла участие Объединенная двигателестроительная корпорация (ОДК) Ростеха.

Baikal-GVD отводится важная роль в формировании мировой нейтринной сети – он присоединился к детектору IceCube, ловящим нейтрино на Южном полюсе, а также к проектам ANTARES и KM3NeT в Средиземном море. Ученые в ожидании новых сенсационных открытий – регистрации реликтовых нейтрино, которые расскажут о первых секундах нашей Вселенной после Большого взрыва и ее дальнейшей эволюции.

Фото: BAIKAL-GVD

Эффект Вавилова – Черенкова находит место и в медицине, в лучевой терапии. Это излучение возникает, когда при радиотерапии заряженные частицы движутся сквозь среду, то есть человеческое тело. Метод, получивший название «черенкоскопии», сделает радиотерапию более точечной. То есть излучение можно будет направлять и дозировать с высокой точностью, добиваясь основной цели – разрушить опухоль, не задев здоровые ткани.

Излучение Вавилова – Черенкова проливает свет на многое, в буквальном смысле, освещая путь к новым научным открытиям, а кому-то просто «освещает» жизнь. Например, рыбам на многокилометровой глубине океана. Дело в том, что в морской воде растворен радиоактивный изотоп кальция, испускающий быстрые электроны, которые и светятся синим. Благодаря этому у всех глубоководных рыб сохранились глаза и зрение, а свечение Вавилова – Черенкова для них – настоящий «луч света в темном царстве».

Что такое фотоэффект

Фотоэффект — испускание электронов из вещества под действием падающего на него света.

Александр Столетов

Явление фотоэффекта было открыто в 1887 году Генрихом Герцем. Фотоэффект также был подробно изучен русским физиком Александром Столетовым в период с 1888 до 1890 годы. Этому явлению он посвятил 6 научных работ.

Для наблюдения фотоэффекта нужно провести опыт. Для этого понадобится электрометр и подсоединенная к нему пластинка из цинка (см. рисунок ниже). Если дать пластинке положительный заряд, то при ее освещении электрической дугой скорость разрядки электрометра не изменится. Но если цинковую пластинку зарядить отрицательно, то свет от дуги заставить электрометр разрядиться очень быстро.

Наблюдаемое во время этого эксперимента явление имеет простое объяснение. Свет вырывает электроны с поверхности цинковой пластинки. Если она имеет отрицательный заряд, электроны отталкиваются от нее, что приводит к полному разряжению электрометра. Причем при повышении интенсивности освещения скорость разрядки увеличивается, ровно, как и наоборот: при уменьшении интенсивности освещения электрометр разряжается медленно. Если же зарядить пластинку положительно, то электроны, которые вырываются светом, притягиваются к ней. Поэтому они оседают на ней, не изменяя заряд электрометра.

Если между световым пучком и отрицательно заряженной пластиной поставить лист стекла, пластинка перестанет терять электроны независимо от интенсивности излучения. Это связано с тем, что стекло задерживает ультрафиолетовое излучение. Отсюда можно сделать следующий вывод:

Явление фотоэффекта может вызвать только ультрафиолетовый участок спектра.

Волновая теория света не может объяснить, почему электроны могут вырываться только под действием ультрафиолета. Ведь даже при большой амплитуде и силе волн электроны остаются на месте, когда, казалось бы, они должны непременно быть вырванными.

Фотоэффект

Автор статьи — профессиональный репетитор, автор учебных пособий для подготовки к ЕГЭ Игорь Вячеславович Яковлев

Темы кодификатора ЕГЭ: гипотеза М.Планка о квантах, фотоэффект, опыты А.Г.Столетова, уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

Фотоэффект — это выбивание электронов из вещества падающим светом. Явление фотоэффекта было открыто Генрихом Герцем в 1887 году в ходе его знаменитых экспериментов по излучению электромагнитных волн. Напомним, что Герц использовал специальный разрядник (вибратор Герца) — разрезанный пополам стержень с парой металлических шариков на концах разреза. На стержень подавалось высокое напряжение, и в промежутке между шариками проскакивала искра. Так вот, Герц обнаружил, что при облучении отрицательно заряженного шарика ультрафиолетовым светом проскакивание искры облегчалось.

Герц, однако, был поглощён исследованием электромагнитных волн и не принял данный факт во внимание. Год спустя фотоэффект был независимо открыт русским физиком Александром Григорьевичем Столетовым

Тщательные экспериментальные исследования, проведённые Столетовым в течение двух лет, позволили сформулировать основные законы фотоэффекта.

Эпоха роста (конец 20 века)

Энергетический кризис начала 1970-х вызвал первую коммерциализацию солнечных технологий. Нехватка нефти в промышленно развитых странах приводит к замедлению экономического роста и высоким ценам на нефть. В ответ правительство США создает финансовые стимулы для коммерческих и жилых солнечных систем, научно-исследовательских институтов, демонстрационных проектов по использованию солнечной энергии в правительственных зданиях и регулирующей структуры, которая до сих пор поддерживает солнечную промышленность. СПосле этих стимулов стоимость солнечных панелей выросла с 1 865 долларов за ватт в 1956 году до 106 долларов за ватт в 1976 году (цены скорректированы до долларов 2019 года).

1973: Эмбарго на нефть, введенное арабскими странами, привело к росту цен на нефть на 300%.

1973: Университет Делавэра строит Solar One, первое здание, работающее исключительно на солнечной энергии.

1974: Демонстрационный закон о солнечном отоплении и охлаждении призывает к использованию солнечной энергии в федеральных зданиях.

1974: Международное энергетическое агентство основано для изучения и прогнозирования энергетических рынков.

1974: Управление энергетических исследований и разработок США (ERDA) создано для содействия коммерциализации солнечной энергии.

1974: Ассоциация производителей солнечной энергии (SEIA) создана для представления интересов солнечной энергетики.

1977: Конгресс учреждает Научно-исследовательский институт солнечной энергии. Сейчас это Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL).

1977: Мировое производство фотоэлектрических элементов превышает 500 кВт.

1977: Создано Министерство энергетики США.

1978: Закон о политике регулирования коммунальных предприятий (PURPA) 1978 года закладывает основу для чистых измерений, требуя от коммунальных предприятий покупать электроэнергию у «подходящих объектов», которые соответствуют определенным стандартам по источник энергии и эффективность.

1978: Закон о налоге на энергию создает инвестиционный налоговый кредит (ITC) и жилищный энергетический кредит, чтобы стимулировать покупку солнечной энергии.системы.

1979: Иранская революция прерывает экспорт нефти с Ближнего Востока, вызывая рост цен на нефть.

1979: Президент США Джимми Картер устанавливает солнечные панели на крыше Белого дома, которые позже были демонтированы президентом Рональдом Рейганом.

1981: При финансовой поддержке США и Саудовской Аравии вступает в строй первая фотоэлектрическая концентрирующая система.

1981: Solar Challenger становится первым в мире самолетом на солнечных батареях, способным летать на большие расстояния.

1981: Solar One, пилотный проект солнечной тепловой энергии в пустыне Мохаве недалеко от Барстоу, Калифорния, завершен Министерством энергетики США.

1982: Первая крупномасштабная солнечная ферма построена недалеко от Гесперии, Калифорния.

1982: Муниципальный коммунальный округ Сакраменто вводит в эксплуатацию свою первую солнечную электростанцию.

1985: Кремниевые элементы, эффективность которых может достигать 20%, созданы Центром фотоэлектрической инженерии Университета Нового Южного Уэльса в Австралии.

1985: Разработаны литий-ионные батареи, которые позже использовались для хранения возобновляемой энергии.

1991: Первые литий-ионные аккумуляторы поступили в промышленное производство.

1992: Инвестиционный налоговый кредит становится постоянным Конгрессом.

2000: Германия создает программу льготных тарифов для стимулирования солнечной энергетики.

Что такое льготный тариф?

Льготный тариф — это государственная программа, гарантирующая производителям возобновляемой энергии цены выше рыночных.энергии, как правило, подразумевающие долгосрочные контракты, чтобы дать инвесторам уверенность в ранней разработке новых технологий, прежде чем они станут коммерчески самостоятельными.

Эпоха зрелости (21 век)

солнечные батареи обамы

2001: Home Depot начинает продажу бытовых систем солнечной энергии.

2001: Suntech Power основана в Китае и становится мировым лидером в области солнечных технологий.

2006: Калифорнийская комиссия по коммунальным предприятиям утверждает Калифорнийскую солнечную инициативу, чтобы обеспечить стимулы для развития солнечной энергетики.

2008: NREL устанавливает мировой рекорд эффективности солнечных батарей на уровне 40,8%.

2009: Основано Международное агентство по возобновляемым источникам энергии (IRENA).

2009: Американский закон о восстановлении и реинвестировании (ARRA) предусматривает инвестиции в экологически чистую энергию и налоговые льготы на сумму 90 миллиардов долларов, включая субсидии и гарантии по кредитам для проектов солнечной энергетики.

2009: Китай вводит льготные тарифы для стимулирования роста солнечной энергетики.

2010: Президент США Барак Обама повторно устанавливает солнечные панели и солнечный водонагреватель в Белом доме.

2011: Банкротство Solyndra и инвестиционное фиаско замедляют рост солнечной энергетики.

2013: Солнечные фотоэлектрические установки по всему миру превышают 100 гигаватт.

2015: Tesla представляет литий-ионный аккумулятор Powerwall, позволяющий владельцам солнечных батарей на крышах накапливать электроэнергию.

2015: Китай становится мировым лидером вустановленная мощность солнечной системы, превосходящая Германию.

2015: Google запускает проект Sunroof, чтобы помочь домовладельцам оценить возможность использования солнечной энергии на крыше.

2016: Количество солнечных установок в США достигает миллиона.

2016: Solar Impulse 2 совершил первый кругосветный полет с нулевым уровнем выбросов.

2016: Лас-Вегас, штат Невада, становится крупнейшим городским правительством в Америке, полностью работающим на возобновляемых источниках энергии, в том числе на деревьях солнечных панелей перед мэрией.

2017: В солнечной промышленности занято больше людей в производстве электроэнергии в США, чем в отраслях, работающих на ископаемом топливе.

2019: Первая морская плавучая солнечная ферма установлена в голландском Северном море.

2020: Дешевле построить новую солнечную электростанцию, чем продолжать эксплуатировать существующую угольную электростанцию.

2020: Калифорния требует, чтобы все новые дома были оснащены солнечными панелями.

2020: Международное энергетическое агентство заявляет, что «Солнечная энергия — новый король рынков электроэнергии».

2021: Apple, Inc. объявляет о строительстве крупнейшей в мире литий-ионной батареи для получения энергии от своей солнечной фермы мощностью 240 мегаватт-часов в Калифорнии.

Когда в США появилась солнечная энергия?

Хотя первый в мире официальный фотоэлектрический элемент был создан французом Александром-Эдмоном Беккерелем в 1839 году, эта концепция не прижилась в США до тех пор, пока Bell Laboratories не разработала первый солнечный элемент, способный преобразовывать солнечную энергию.в электричество в 1954 году.
Как была изготовлена первая солнечная панель?

Первый объект, называемый солнечной панелью, был создан в 1883 году нью-йоркским изобретателем Чарльзом Фриттсом путем покрытия селена, минерала, обнаруженного в почве, золотом.

Гетероструктуры, созданные учёным, повсеместно применяются в смартфонах, фарах автомобилей и солнечных батареях

Академик Жорес Алферов, 1983 год. Фото: ITAR-TASS

У каждого современного человека в кармане лежит сотовый телефон. Он ездит по навигатору, пользуется Интернетом, расплачивается пластиковой картой. И даже не догадывается, что всё это стало возможным благодаря изобретениям Жореса Алфёрова.

Славное время

Ему повезло начать свою научную работу в легендарную у физиков эпоху зарождения «эры полупроводников». Эти материалы начали изучать ещё в 30-е годы прошлого века, но настоящий бум, сопровождавшийся потрясающими научными открытиями, случился как раз в 50-60-е. И одним из тех, кто добился исключительных результатов, был Алфёров.

Свою первую награду — орден «Знак Почёта» — он получил в 1959 году за германиевые силовые выпрямители тока для подводных лодок. Но затем он увлёкся не простыми полупроводниками, а многокомпонентными — их свойства открывали фантастические перспективы. Жорес Алфёров стал изучать полупроводниковые гетероструктуры — две или больше тонких плёнок, состоящих из близких по параметрам кристаллической решётки веществ, выращенных друг на друге.

Меняя состав веществ, удавалось получить структуры с заданными физическими свойствами. Этой темой занимались во всём мире, но именно группа Жореса Алфёрова сумела разработать промышленную технологию выращивания гетероструктур.

Спасибо за ГЛОНАСС

В 1963 году он одним из первых на планете создал полупроводниковый лазер, который, правда, работал только при сверхнизких температурах жидкого азота. Но спустя шесть лет прибор уже мог работать при комнатной температуре — и тут первенство принадлежит исключительно команде Алфёрова. Этот лазер сейчас используется повсюду: для записи и воспроизведения компакт-дисков, для считывания штрих-кода на кассах в магазинах, для передачи сигнала по оптоволокну — это позволяет охватить весь мир сетью Интернет.

Именно за создание гетероструктур Жорес Алфёров вместе с немцем Гербертом Крёмером и получил в 2000 году Нобелевскую премию по физике. Фото: CG/FMS

Гетероструктуры, разработанные Жоресом Алфёровым, применяются в мобильных телефонах — из них состоит сверхвысокочастотный усилитель сигнала, без которого сотовая связь невозможна. А ещё — светодиоды и фотодиоды, освещающие наши дома, используемые в светофорах и фарах автомобилей. Быстрые диоды и быстрые транзисторы, которые нужны в спутниковой радиосвязи — благодаря им работают в том числе GPS и ГЛОНАСС. ИК-порт и технология «Блю рей» — это тоже гетероструктуры. И, наконец, солнечные батареи — от маленьких в детских игрушках до огромных на космических станциях.

Именно за создание гетероструктур, применяемых в высокочастотных схемах и оптоэлектронике, Алфёров вместе с немцем Гербертом Крёмером и получил в 2000 году Нобелевскую премию по физике.

Физико-технический институт имени А. Ф. Иоффе. Академик Жорес Алферов (в центре) среди научных сотрудников одной из лабораторий. Фото: Юрий Белинский /ТАСС

На этом учёный не успокоился. Последние десятилетия он посвятил созданию гетероструктур для солнечных батарей нового поколения. Экспериментальные образцы уже обладают рекордным КПД, но теперь нужно изобрести технологию, пригодную для массового производства.

К сожалению, ученики Жореса Алфёрова будут биться над этой проблемой уже без своего великого учителя. Но можно не сомневаться, они решат задачку. И тогда электричество, произведённое из света, заменит атомную и углеводородную энергетику и войдёт в каждый дом. Подобный прорыв наверняка будет отмечен Нобелевской премией — и тот, кто её получит, обязательно в своей Нобелевской лекции не раз помянет Жореса Алфёрова добрым словом.

Описание опыта

Внешний фотоэффект был открыт в 1887 г. Г. Герцем, а исследован детально в 1888-1890 гг. А. Г. Столетовым.

Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить, от чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов) и чем определяется их скорость или кинетическая энергия. С этой целью были проведены экспериментальные исследования, которые состояли в следующем. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух (для того, чтобы столкновения электронов с молекулами газа не вносили осложнения в наблюдаемые явления, а также для того, чтобы предохранить пластинки от окисления), помещаются два электрода (рис. 1).

Рис. 1

Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое «окошко», прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра R и измерять вольтметром V. К освещаемому электроду (катод К) присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода (анод А). Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока так же увеличивается. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает изменяться (рис. 2).

Рис. 2

Из графика следует, что:

1. При некотором значении напряжения между электродами U_н сила фототока перестает зависеть от напряжения.

Максимальное значение силы тока I_н называется током насыщения. Сила тока насыщения \(I_H = \dfrac {q_{max}}{t}\), где q_mах — максимальный заряд, переносимый фотоэлектронами. Он равен \(q_{max} = n \cdot e \cdot t\), где n — число фотоэлектронов, вылетающих с поверхности освещаемого металла за 1 с, е — заряд электрона. Следовательно, при фототоке насыщения все электроны, покинувшие за 1 с поверхность металла, за это же время попадают на анод. Поэтому по силе фототока насыщения можно судить о числе фотоэлектронов, вылетающих с катода в единицу времени.

2. Сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает анода А (см. рис. 1) электрода и при отсутствии напряжения, т.е. фотоэлектроны при вылете обладают кинетической энергией.

3. Если катод соединить с положительным полюсом источника тока, а анод — с отрицательным, то в электростатическом поле между электродами фотоэлектроны будут тормозиться, а сила фототока уменьшаться при увеличении значения этого отрицательного напряжения. При некотором значении отрицательного напряжения U_з (его называют задерживающим напряжением) фототок прекращается. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Согласно теореме о кинетической энергии, работа задерживающего электрического поля равна изменению кинетической энергии фотоэлектронов:

\(A = -e \cdot U_3; \Delta W_k = \dfrac {m \cdot \upsilon_{max}^2}{2}\),

следовательно,

\(e \cdot U_3 = \dfrac {m \cdot \upsilon_{max}^2}{2}\).

Это выражение получено при условии, что скорость υ « с, где с — скорость света.

Следовательно, зная U_з, можно найти максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов.

На рисунке 3, а приведены графики зависимости I_ф(U) для различных световых потоков, падающих на фотокатод при постоянной частоте света. На рисунке 3, б приведены графики зависимости I_ф(U) для постоянного светового потока и различных частот падающего на катод света.

Рис. 3.

Анализ графиков на рисунке 3, а показывает, что сила фототока насыщения увеличивается с увеличением интенсивности падающего света. Если по этим данным построить график зависимости силы тока насыщения от интенсивности света, то получим прямую, которая проходит через начало координат (рис. 4, а). Следовательно, сила фотона насыщения пропорциональна интенсивности света, падающего на катод: I_ф ~ I.

Как следует из графиков на рисунке 3, б, величина задерживающего напряжения увеличивается с увеличением частоты падающего света. При уменьшении частоты падающего света U_з уменьшается, и при некоторой частоте ν) задерживающее напряжение U_з0 = 0. При ν < ν фотоэффект не наблюдается. Минимальная частота ν (максимальная длина волны ν) падающего света, при которой еще возможен фотоэффект, называется красной границей фотоэффекта. На основании данных графика 3, б можно построить график зависимости U_з(ν) (рис. 4, б).

Рис. 4.

На основании этих экспериментальных данных были сформулированы законы фотоэффекта.