Efekti

Fotoelektrični efekat

Fotoelektrični efekat je emisija elektrona iz metala pod dejstvom svetlosti. Otkrio ga je sasvim slučajno Herc 1887. godine. Pre Ajnštajna fizičare je bunilo to što više svetlosti izbija više elektrona ali im ne menja energiju. Na energiju elektrona utiče boja (talasna dužina) a ne intenzitet svetlosti. Ajnštajn je sve nedoumice rešio 1905. godine pretpostavkom da je svetlost čestične prirode t. j., da se svetlost prostire u kvantima koji su nazvani fotoni. Više fotona izbacuje i više elektrona ali energija izbačenih elektrona može da poraste samo ako poraste i energija fotona. Ta Ajnštajnova pretpostavka bila je tada toliko radikalna da joj se suprtostavljao i sam Plank, začetnik kvantne teorije.
Godine 1921. Ajnštajnu je dodeljena Nobelova nagrada za fiziku za objašnjenje fotoeletričnog efekta.

nastavak:

Herc je, 1887. godine primetio da varnično pražnjenje između cinkanih kuglica postaje intenzivnije ukoliko se jedna od njih osvetli ultraljubičastim zračenjem. Ispostavilo se da je suština ove pojave, nazvene fotoefektom, udaljavanje elektrona sa površine metala pod dejstvom UV zračenja. Detaljnu metodiku za ispitivanje ove pojave dao je ruski fizičar Stoletov. Njegova aparatura sastojala se od dve elektrode - katode, izgrađene od ispitivanog materijala, i anode, koje se nalaze u vakuumnoj cevi i priključene su na bateriju, tako da se potenciometrom može menjati ne samo vrednost, nego i znak napona U, koji se dovodi. Kada se katoda osvetli monohromatskom svetlošću (kroz kvarcni prozor), sa nje se izbijaju elektroni, koji se, zatim, održavanjem napona ubrzavaju do anode. Javlja se fotoelektrična struja koja se meri miliampermetrom. Osvetljavajući katodu svetlošću različitih talasnih dužina (tj. različitih frekvencija), Stoletov je utvrdio sledeće zakonomernosti:
Da najefektivnije delovanje ima UV zračenje;
Da pod dejstvom svetlosti materijal gubi samo negativna naelektrisanja (1897. godine Tomson je izmerio specifično negativno naelektrisanje, naelektrisanje čestice, koja je 1903. godine nazvana elektron);
Da je jačina struje koja se javlja usled osvetljavanja katode direktno proporcionalna intenzitetu upadne svetlosti.

nastavak:

Na osnovu izučavanja zavisnosti fotostruje I, obrazovane elektronima emitovanim sa katode pod dejstvom svetlosti, od napona U između elektroda, različitih materijala u vakuumu, za različite frekvencije upadnog zračenja, utvrđena su tri osnovna zakona spoljašnjeg fotoefekta:
Stoletov zakon: pri fiksiranoj vrednosti frekvencije upadne svetlosti, broj fotoelektrona, istrgnutih u jedinici vremena, proporcionalan je intenzitetu svetlosti (jačina fotostruje zasićenja proporcionalna je energetskoj osvetljenosti katode);
Maksimalna početna brzina (maksimalna kinetička energija) fotoelektrona ne zavisi od intenziteta upadne svetlosti, već je određena samo njenom frekvencijom;
Za svaki materijal postoji crvena granica fotoefekta, tj. minimalna frekvencija svetlosti (koja zavisi od hemijske prirode materijala i stanja njegove površine), ispod koje je fotoefekat nemoguć.

nastavak:

Objašnjenje fotoefekta sa talasne tačke gledišta, na prvi pogled, ne bi trebalo da predstavlja poteškoće. Zaista, pod dejstvom polja svetlosnog talasa, u metalu se javljaju prinudne oscilacije elektrona, čije su amplitude (npr. pri rezonanci) dovoljno velike da elektroni napuste metal (tada se i primećuje fotoefekat). Kinetička energija elektrona istrgnutog iz metala trebalo bi da zavisi od intenziteta upadne svetlosti, jer bi sa povećanjem intenziteta upadne svetlosti elektronu trebalo da se predaje više energije. Ali, ovaj zaključak protivureči drugom zakonu fotoefekta. Naime, po talasnoj teoriji, energija, koja se predaje elektronima, proporcionalna je intenzitetu svetlosti. Onda bi svetlost bilo koje frekvencije, ali dovoljno velikog intenziteta, morala da otrže elektrone iz metala; drugim rečima, crvena granica fotoefekta ne treba da postoji, što protivureči trećem zakonu fotoefekta. Pored toga, talasna teorija nije mogla da objasni bezinertnost (trenutnu pojavu fotoefekta, tj. to što ne postoji merljivo vremensko kašnjenje od trenutka osvetljavanja metala do detektovanja fotoelektrične struje) fotoefekta, utvrđenog eksperimentima. Na taj način, fotoefekat je neobjašnjiv sa tačke gledišta talasne teorije svetlosti.
Ovde je trebalo odlučno raskinuti sa starom teorijom, i tada je, u čuvenom radu iz 1905. godine, Ajnštajn, kao mladi činovnik instituta u Bernu, izložio vrlo smelu hipotezu.

nastavak:

Ajnštajn je pretpostavio da se svetlosni talas sastoji od velikog broja kvanata (koji su tek 1926. godine dobili ime fotoni). Saglasno Ajnštajnu, svetlost frekvencije ν ne samo da se ispušta u pojedinačnim porcijama - kvantima, kako je to već ranije postavio Plank, već se i prostire u prostranstvu i apsorbuje supstancom u pojedinačnim kvantima, čija je energija E=hν. Na taj način prostiranje svetlosti treba razmatrati ne kao neprekidan talasni proces, nego kao protok lokalizovanih, u prostoru diskretnih, svetlosnih kvanata, koji se kreću brzinom prostiranja svetlosti u vakuumu.
Energijski bilans pri fotoefektu može se izraziti kao:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde su:
Aj - jonizaciona energija potrebna da elektron napusti atom (za metale se ona može smatrati jednakom nuli, jer metal sadrži veliki broj slobodnih elektrona);
Ai - izlazni rad elektrona iz materijala, koji predstavlja minimalnu energiju koja je potrebna da bi elektron napustio površinu određenog materijala;
eUz - kinetička energija fotoelektrona.

nastavak:

Za metale, prethodna jednačina ima oblik:

http://razbibriga.net/clear.gif

Na osnovu prethodne relacije, minimalna vrednost frekvencije ν0 upadnog ugla talsa, pri kojoj može doći do fotoefekta, iznosi:

http://razbibriga.net/clear.gif

Minimalna talasna dužina svetlosti λ0 pri kojoj može doći do fotoefekta, je crvena granica.

nastavak:

Objašnjenje fotoefekta je krajnje jednostavno: pri apsorpciji, foton predaje svu svoju energiju elektronu, trenutno, i ako je ova energija dovoljno velika da elektron raskine veze koje ga drže u metalu, on iz njega izleće. Kako je verovatnoća da jedan elektron primi energiju od dva fotona zanemarljivo mala, svaki oslobođeni elektron primio je energiju od samo jednog fotona. Zato broj oslobođenih elektrona treba da bude proporcionalan broju apsorbovanih fotona, odnosno proporcionalan intenzitetu upadnog talasa. Ali, kako energija elektrona koji izleće zavisi od energije samo jednog fotona (a svi fotoni su iste energije), sledi da energija fotoelektrona treba da pokazuje linearnu zavisnost od frekvencije talasa, a da uopšte ne zavisi od intenziteta talasa.
Besprekorna Ajnštajnova relacija za fotoefekat morala je da sačeka svoju potvrdu punih 11 godina, kada je Milikan, 1916. godine, uspeo da pomoću dosta komplikovane aparature potvrdi Ajnštajnovu hipotezu o kvantima svetlosti, i da sa velikom tačnošću i on odredi Plankovu konstantu.

nastavak:

Danas se razlikuju tri vida fotoefekta: spoljašnji, unutrašnji i ventilni.

Spoljašnjim fotoefektom (koji se, takođe, naziva i samo fotoefekat) nazvana je pojava ispuštanja (udaljavanja) negativnog naelektrisanja (konkretno elektrona) sa površine materijala koji je izložen dejstvu elektromagnetskog zračenja. Spoljašnji fotoefekat primećuje se kod čvrstih tela (metala, poluprovodnika, dielektrika), a takođe i u gasovima na pojedinačnim atomima i molekulima (fotojonizacija).

Unutrašnji fotoefekat predstavlja pojavu da pod dejstvom elektromagnetskog zračenja dolazi do prelaska elektrona unutar poluprovodnika ili dielektrika, iz vezanih stanja u slobodna, bez njihovog izletanja van ovih materijala. Kao rezultat toga, koncentracija nosioca struje (elektrona) unutar materijala raste, što dovodi do pojave fotoprovodljivosti (povećanja elektroprovodnosti poluprovodnika ili dielektrika pri njihovom osvetljavanju), tj. do pojave elektromotorne sile.

Ventilni fotoefekat je jedan oblik unutrašnjeg fotoefekta, tačnije pojava fotoelektromotorne sile pri osvetljavanju kontakta dva različita materijala - dva različita poluprovodnika ili poluprovodnika i metala. Ventilni fotoefekat otvara puteve za direktno preobrazovanje sunčane energije u električnu.

Primena fotoefekta:
spoljašnjeg: u vakuumnim fotoelementima i u fotomultiplikatorima;
unutrašnjeg: u fotootpornicima ili u poluprovodničkim fotoelementima;
ventilnog: u fotoelementima sa zakočnim slojem ili takozvanim ventilnim fotoelementima.

Faradejev efekat

Faradejev efekat ili Faradejeva rotacija je skretanje ravni polarizacije svetlosti pod uticajem magnetnog polja u magnetno-optički aktivnoj sredini. Rotacija ravni polarizacije je proporcionalna magnetnoj indukciji u smeru kretanja svetlosti. Efekat se vrši u napravi zvanoj Faradejev rotator.

Efekat je otkrio Majkl Faradej 1845. godine i predstavlja prvi eksperimentalni dokaz za vezu između svetlosti i magnetizma. Teorijsku vezu (između magnetizma i svetlosti) uspostavio je Džejms Klerk Maksvel u 1860im i 1870tim godinama. Faradejev efekat se javlja u većini optički propusnih (providnih) materijala, uključujući i tečnosti, kada se izlože delovanju jakog magnetnog polja.
Efekat je najlakše razumeti ako se linearno polarizovani zrak zamisli kao superpozicija levo i desno cirkularno polarizovanih zraka jednakih amplituda. Ako indeksi prelamanja, dakle brzine, levo i desno cirkularno polarizovanih zraka nisu jednaki (cirkularno dvojno prelamanje) tada faza jedne komponente prednjači u odnosu na drugu što rezultira u rotaciji ravni polarizacije za isvetan ugao u odnosu na prvobitnu ravan.

nastavak:

http://razbibriga.net/clear.gif
Faradejev efekat: Rotacija ravni polarizacije svetlosti pri prolasku kroz magnetno-optički aktivnu sredinu u magnetnom polju. Magnetno polje se prostire duž pravca kretanja svetlosti.

Veza između ugla rotacije polarizacione ravni i magnetnog polja predstavlja se relacijom:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je:
- β ugao rotacije (u radijanima)
- B magnetna indukcija u smeru prostiranja svetlosti (u Teslama)
- d dužina puta (u metrima) na kojem dolazi do interakcije
- http://razbibriga.net/clear.gif je Verdeova konstanta za datu sredinu. Ova empirijska konstanta proporcionalnosti (u radijanima po Tesli po metru) zavisi od talasne dužine i temperature i za različite materijale može se naći u odgovarajućim tablicama.

Pozitivna Verdeova konstanta odgovara L-rotaciji (rotacija suprotono od kretanja kazaljke na satu gledano duž smera prostiranja zraka) i R-rotaciji (rotacija u smeru kazaljke na satu). Rotacija ne zavisi od smera magnetnog polja, dakle, rotacija se duplira kada se zrak propuštan kroz materijal reflektuje nazad.

Holov efekat

Holov efekat je pojava imenovana po američkom naučniku Edvinu Herbertu Holu (eng. Edwin Herbert Hall, 1855-1938.) u kojoj u materijalu (čvrstog agregatnog stanja) kroz koji je propuštena struja i koji je postavljen u spoljašnje magnetsko polje dolazi do pojave napona čiji je pravac upravan na pravac magnetnog polja.
Termin Holov efekat se odnosi na napon, tzv. Holov napon, koji se javlja na suprotnim stranama trakastog elementa ovog provodnog ili poluprovodnog materijala. Takav trakasti element se još naziva i Holova šipka ili van der Pauov element.

Hol je na ovom eksperimentu počeo da radi pripremajući svoju doktorsku disertaciju. Hol je zapravo pokušao da odgovori na pitanje koje je ranije postavio Maksvel a glasi: da li se otpornost provodnika u obliku zavojnice menja u prisustvu magneta?

nastavak:

Ovim eksperimentom, Hol je osmislio način kojim je moguće odrediti polaritet slobodnih nosioca naelektrisanja u nekom materijalu. U širim naučnim krugovima, Holov eksperiment je poslužio kao prvi dokaz da se struja u metalnim provodnicima može prenositi ne samo negativnim već i pozitivnim naelektrisanjima. Interesantno je da je ovaj eksperiment poslužio i kao smernica da je u nekim supstancama (posebno poluprovodnicima) uputnije pozitivna naelektrisanja posmatrati kao pozitivne „rupe“ a ne kao negativne elektrone. Kod Holovog efekta primenjenog na aluminijum i magnezijum, eksperimetnalne vrednosti su jasno ukazale na pozitivan predznak nosioca naelektrisanja, odnosno postojanje pozitivnih „rupa“. Ovim otkrićem je direktno raspršeno tadašnje verovanje u naučnim krugovima po kome su elektroni isključivi prenosioci naelektrisanja.
Lord Kelvin, koji je u to vreme bio jedan od najpoznatinih naučnika, uporedio je Holovo otkriće sa, po njemu najvećim od svih otkrića, Majkla Faradeja. Veličina Holovog otkrića postaje još veća ako se zna koliko se malo znalo o elektricitetu u to vreme. Ilustracije radi, elektron je identifikovan tek 10 godina kasnije.

nastavak:

Holov efekat se javlja usled sila koje deluju unutar provodnika izloženog magnetskom polju. Kada se provodnik unese u spoljašnje magnetsko polje, indukcije V, tada na slobodne nosioce naelektrisanja deluje tzv. Lorencova sila.
Hol je u ovom eksperimentu koristio trakasti provodnik, kako bi praktično realizovao pretpostavku isključivo ravanskog kretanja naelektrisanja unutar polja, odnosno kretanja koje je potpuno upravno na pravac vektora magnetne indukcije. Ova pretpostavka olakšava izračunavanje Lorencove sile i istovremeno rezultate eksperimenta čini jasnijim i očiglednijim. Tako se, usled ravanske geometrije provodnika, tok elektrona smatra približno jednoslojnim a njihovo kretanje unutar tog jednog sloja provodnika isključivo u (vidi sliku) „horizontalnom“ i „vertikalnom“ pravcu.

http://razbibriga.net/clear.gif
Dijagram Holovog efekta na kome su prikazani elektroni kao nosioci naelektrisanja (umesto standardnih nosioca naelektrisanja).
Legenda:
1. Elektroni (a ne standardni nosioci naelektrisanja)
2. Holov element ili Holov senzor
3. Magneti
4. Magnetsko polje
5. Izvor napajanja
Opis:
Na crtežu „A“, vidimo Holov element, unutar koga se negativna naelektrisanja usmeravaju ka gornjoj ivici (osenčena plavom bojom) a pozitivna ka donjoj ivici (osenčenoj crvenom bojom). Na slikama „B“ i „C“, su prikazane posledice obrtanja polariteta bilo magnetnog polja, bilo izvora struje, usled čega se menja polarizacija i smer kretanja naelektrisanja. Istovremeno obrtanje polariteta magnetnog ponja (prikazano na slici „D“) dovodi do istovetne situacije kao na crtežu „A“.

Matematička interpretacija Holovog eksperimenta

Kada se ovakav ravanski provodnik unese u magnetsko polje indukcije B tada na slobodne nosioce naelektrisanja koji se kreću unutar provodnika počinje da deluje Lorencova sila. Smer i pravac dejstva Lorencove sile određen je sledećim vektorskim proizvodom :

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je F - vektor Lorencove sile, Q - količina naelektrisanja koja se nalazi pod dejstvom magnetnog polja, v - vektor brzine nosioca naelektrisanja, B - vektor magnetne indukcije spoljašnjeg polja.

nastavak:

Iz formule se vidi da intenzitet i naročito pravac vektora Lorencove sile zavisi od pravca i smera dva vektora: brzine naelektrisanja i magnetne indukcije. Taj pravac će biti, usled osobina vektorskog proizvoda, upravan na vektore B i v, odnosno prostiraće se u ravni provodnika i to u vertikalnom pravcu. Smer Lorencove sile će za naelektrisanja suprotnog polariteta biti suprotan tako da će, prema slici, za negativne nosioce biti usmeren naviše a za pozitivne naniže. Dakle, usled dejstva Lorencove sile pojaviće se, pored linijskog-horizontalnog kretanja naelektrisanja u pravcu provodnika i bočno-vertikalno kretanje. Tako će se negativni nosioci nagomilavati uz gornju ivicu provodnika a pozitivni nosioci uz donju ivicu provodnika. Usled nagomilavanja naelektrisanja suprotnog znaka, doći će do pojave električnog polja unutar trakastog elementa, čija je apsolutna vrednost:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde su Vneg i Vpoz - potencijali krajeva trakastog elementa sa negativnim i pozitivnim naelektrisanjem, EH - Holov napon, v - brzina naelektrisanih čestica, B - intenzitet magnetne indukcije spoljašnjeg magnetnog polja i d - širina trakastog elementa.

nastavak:

Nagomilavanje naelektrisanja će dovesti do porasta razlike potencijala i intentziteta električnog polja na suprotnim ivicama trakastog provodnika koje će trajati do trenutka kada intenzitet polja dostigne intenzitet Lorencove sile. U tom trenutku će se uspostaiti dinamička ravnoteža koja se modelira sledećom jednačinom:

http://razbibriga.net/clear.gif

Gustina struje u trakastom elementu se može izračunati pomoću sledeće formule:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je J - gustina struje naelektrisanja, Q - količina naelektrisanja, N - koncentracija slobofnih nosioca naelektrisanja i v - brzina naelektrisanih čestica.

nastavak:

Ako iz prethodne jednačine izrazimo brzinu naelektrisanih čestica i zamenimo je u formulu jednakosti Holovog napona i razlike potencijala, dobićemo izraz:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je N - koncentracija slobodnih nosioca naelektrisanja.
Jedina mana Holove teorije je u tome što se teže primenjuje na metale koji su viševalentni, tj. imaju više od jednog valentnog elektrona. Problem tačnog određivanja veličine N jeste jedina poteškoća u praktičnoj primeni Holovog efekta. Ako pretpostavimo da je metalni provodnik jednovalentan tada se N može izračunati pomoću sledeće formule:

http://razbibriga.net/clear.gif

gde je N - koncentracija slobodnih nosioca naelektrisanja, NA - Avogadrov broj, ρ - gustina mase materijala i M - atomska masa materijala.

nastavak:

U tom slučaju je moguće odgovarajućim instrumentima izmeriti razliku potencijala Vneg - Vpoz, gustinu struje i širinu trakastog elementa, kao i količinu naelektrisanja tako da kao jedina nepoznata veličina preostaje intenzitet vektora magnetne indukcije B te se ova metoda na ovaj način efikasno primenjuje u merenjima magnetne indukcije. Senzori koji koriste Holov efekat se zato zovu Holovi senzori.

Pored direktnih merenja indukcije magnetnog polja Holovi senzori se koriste i u indirektnim merenjima protoka i pritiska fluida ili snage električnih potrošača. Tako se, pored Holovog napona koji je prethodno opisan, u indirektnim merenjima naročito koristi još jedna izvedena veličina koja takođe nosi ime ovog naučnika. Naime, količnik Holovog napona i izmerene količine struje se naziva Holova otpornost.

http://razbibriga.net/clear.gif

U feromagnetnim materijalima (ali i paramagnetnim materijalima unetim u spoljašnje magnetsko polje) Holova otpornost sadrži i dodatnu komponentu koja je poznatija kao Anomalija Holovog efekta (ili Poseban Holov efekat) koji direktno zavisi od stepena magnetizacije materijala i često je daleko većeg intenziteta od standardnog Holovog efekta (napominjemo da ovaj efekat nije povezan sa doprinosom koji magnetizacija ima na spoljašnje polje, kako bi se moglo pretpostviti). Iako je pojava Posebnog Holovog efekta zapažena, još uvek ne postoji saglasnost o poreklu ovog efekta koji se javlja u različitim materijalima. Poseban Holov efekat može biti ili spoljašnjeg porekla (potiče od neuređenosti) usled rasejanja nosioca naelektrisanja koje je zavisno od svojstva spina, ili unutrašnjeg porekla usled efekta Berijeve faze u prostoru momenta kristala (k-prostor).

nastavak:

Primene Holovih senzora

Uređaji zasnovani na Holovom efektu po prirodi proizvode odzivni signal koji je malog intenziteta i zahteva pojačavanje. Pojačavači na principu vakuumskih cevi, korišćeni u prvoj polovini dvadesetog veka, bili su zbog visoke cene, gabarita, potrošnje energije, i nepouzdanosti u uslovima svakodnevne upotrebe, primenljivi isključivo u laboratorijskim uslovima. Tek sa prodorom tehnologije integrisanih kola i pojavom daleko manjih, jeftinijih i pouzdanijih pojačavača, Holovi senzori ulaze u masovnu primenu. Brojni uređaji koji su trenutno dostupni na tržištu, u sebi zapravo sadrže Holov senzor i integrisano kolo koje je zapravo pojačavač sa visokim koeficijentom pojačanja. Ova dva uređaja se na nivou današnje tehnologije isporučuju u jedinstvenom zajedničkom kućištu.
Kada su pravilno proizvođački upakovani i zaštićeni, Holovi senzori su otporni na prašinu, blato i vodu. Ova osobina čini Holove senzore kvalitetnijim u primenama detekcije položaja u odnosu na konkurentske tehnologije kakve su optičko ili elektromehaničko detektovanje. Prvenstvena prednost se ogleda u teorijskoj linearnoj zavisnosti merene veličine u odnosu na ulazne veličine.

Komptonov efekat

Komptonov efekat je rasejanje fotona sa atoma pri čemu foton gubi deo energije, tj., menja talasnu dužinu. Efekat je značajan jer je potvrdio korpuskularnu (čestičnu) prirodu svetlosti. Može kvantitativno da se objasni ako se predstavi kao igra bilijara fotona i elektrona. Za otkriće i objašnjenje efekta Kompton je dobio Nobelovu nagradu za fiziku 1927. godine.

Ovaj efekat je bio važan za razvoj moderne fizike jer je pokazao da svetlost ne može u potpunosti da se opiše kao talasna pojava. Klasična teorija rasejanja elektromagnetnih talasa sa naelektrisane čestice ne može da objasni promenu talasne dužine rasejanog zraka. Za objašnjenje Komptonovog rasejanja neophodno je uzeti u obzir čestičnu prirodu svetlosti. Komptonov eksperiment je najzad uverio fizičare da se svetlo ponaša i kao mlaz čestica čija je energija proporcionalna frekvenciji.

Komptonovo rasejanje se javlja na svim materijalima, najviše sa fotonima srednjih energija, 0,5 do 3,5 MeV.