F.Zampieri

2012

OBIETTIVI DEL LAVOROOBIETTIVI DEL LAVORO

•Realizzare uno studio dell’efficienza di produzione dell’energia Realizzare uno studio dell’efficienza di produzione dell’energia al variare del modello di cella fotovoltaica e dei parametri della al variare del modello di cella fotovoltaica e dei parametri della luce incidenteluce incidente

OBIETTIVI DIDATTICIOBIETTIVI DIDATTICI

Conoscere e misurare i parametri fisici della radiazione luminosa

Comprendere il fenomeno dell’EFFETTO FOTOELETTRICO (conversione di luce in elettricità) e il funzionamento delle celle solari su cui si basa la tecnologia dei pannelli fotovoltaici

Familiarizzare con i metodi della ricerca scientifica (progettazione, sperimentazione, verifica)

OBIETTIVI FORMATIVIOBIETTIVI FORMATIVI

Costruzione strumenti di misura

Acquisizione di metodi numerici di analisi/riduzione dei dati

PRODOTTI

partecipazione al concorso nazionale PROGETTA L’ENERGIAPROGETTA L’ENERGIA (Consorzio Energia per il Veneto)

Report scientifico che riassuma il lavoro svolto

Studio dell’idonea collocazione di un futuro eventuale impianto fotovoltaico nell’Istituto

ENERGIA DALLA LUCEENERGIA DALLA LUCE

Cos’è la

luce?

Perché la luce trasporta energia? Quanta? Emessa da chi?

Come “catturare” questa energia?

LUCELUCEFENOMENO LUMINOSO== Radiazione che percepiamo con i nostri organi di senso

SORGENTI DI LUCE

ARTIFICIALI ARTIFICIALI

LAMPADE (eff Joule della corrente)

CORPI INCANDESCENTI (radiazione termica)

NATURALINATURALI

ASTRI

Perché la luce trasporta energia?Perché la luce trasporta energia?

EVENIENZE OSSERVATIVEEVENIENZE OSSERVATIVE

•Effetto termico della luce

•Fotosintesi (CO2 + H2O + luce = C6H12O6)

•Azione antisettica

•Sintesi della vitamina D (colesterolo pelle + luce = vitD

•Liberazione di serotonina

EFFETTO FOTOELETTRICO

Allora la luce DEVE trasportare energia (J/erg) per produrre questi effetti (chimici e fisici), ma anche perché è prodotta consumando energia

LAMPADA AD INCANDESCENZA : R attraversata da I (effetto Joule)

CORPO INCANDESCENTE: è stato riscaldato fornendo Q (> agitazione termica), effetto termodinamico

STELLA: reazione di fusione nucleare

MA QUANTA ENERGIA?

DA COSA DIPENDE L’ENERGIA EMESSA?

* Fenomeno di produzione:

* Efficienza nell’emissione

* Superficie radiante (corpi estesi emettono più energia di quelli meno estesi)

ISWTOT Potenza tot emessa

Superficie radiante

(m2)

Emittanza specifica

Energia in INPUT (W/m2)

10 Mi dice la % di energia emessa rispetto a quella in input

TRASPORTO DELL’ENERGIA

La sorgente luminosa emette energia, ed essa si propaga nello spazio

NON E’ UN TRASPORTO SOLO CONDUTTIVONON E’ UN TRASPORTO SOLO CONDUTTIVO (si muove la materia tramite urti microsc. che diluiscono l’energia)

LA LUCE CI ARRIVA DAL SOLE!

TRASPORTO RADIATIVO

E’ un meccanismo ONDULATORIO = si muove l’energia senza il trasporto di materia

LA LUCE E’ UN’ONDA???LA LUCE E’ UN’ONDA???

SI’!! Particolare onda elettromagnetica (Maxwell 1864)

Cos’è un ONDA ELETTROMAGNETICA?

Non è un onda meccanica che ha sempre bisogno di un mezzo per propagarsi

RADIAZIONE ELETTROMAGNETICARADIAZIONE ELETTROMAGNETICA

Perturbazione oscillante che si propaga anche nel vuoto

ORIGINE: la forza elettromagnetica

SORGENTI?

Carica elettrica

+ magnete

N

S

IL CAMPO ELETTRICO

Se in un punto dello spazio pongo carica Q (puntiforme), essa eserciterà la forza FQ SU QUALSIASI ALTRA CARICA

presente nelle vicinanze

FQ è una forza “a distanza” che secondo la fisica

classica si manifesta ISTANTANEAMENTE anche se q subente è a distanza enorme!

Q sorgente q subente

Abbastanza strano!

CI DEVE ESSERE UN “MEDIATORE” tra sorgente e subente che rende istantanea la propagazione della “perturbazione”

Questo “mediatore” è il CAMPO ELETTRICO CAMPO ELETTRICO EE

Q sorgente CAMPO E q subente

sorgente

subente

C’è la sorgente!

CAMPO STATICO prodotto da una sorgente fissa nello spazio (costante nel tempo)

CAMPO OSCILLANTE prodotto da un oscillatore armonico carico (variabile nel tempo)

LA VARIAZIONE DI E NEL TEMPO E’ CAUSA DELLA COMPARSA DI UN CAMPO MAGNETICO B oscillante (induzione EM)

E B

MA LA VARIAZIONE DI B nel tempo E’ CAUSA DELLA COMPARSA DI UN E indotto oscillante

Si capisce allora che in ogni punto il vettore E o il vettore B stanno oscillando, con una certa frequenza (identica a quella di oscillazione della carica sorgente)

Si viene allora a creare la seguente situazione

Si sovrappongono due campi oscillanti su piani ortogonali che si propagano nello spazio: questa è l’onda cercata!

Onde elettromagnetiche

B

E

t

E

B

x

Bo

Eo

v

Bo

Eo

T

Onda elettromagnetica:

“vibrazione” del campo elettrico

e del campo magneticoin direzione

perpendicolare a entrambi

Non serve materia: i campi si propagano anche nel vuoto!

PARAMETRI DI UN’ONDA EMPARAMETRI DI UN’ONDA EM

= LUNGHEZZA D’ONDA = distanza percorsa in un oscillazione

f = FREQUENZA = numero di oscillazioni al secondo

[] = metri, [f] = secondi-1 = Hz

Relazione fra e f

?fQuesto prodotto deve avere le dimensioni di…una velocità, quindi

propvf Ma con che velocità si propaga un’onda EM?

MAXWELL (1864): l’onda EM si propaga nel vuoto alla velocità della luce!

All’epoca la velocità della luce nel vuoto era nota (Esp. di Roemer 1675 e di Fizeau 1849): c = 300.000 Km/s

00

1

c

cf

MA CI SONO DIVERSI TIPI DI ONDA EM, a seconda di e quindi di f, ossia a seconda della FREQUENZA di oscillazione della carica sorgente

In realtà si può dimostrare che un’OEM si genera ogniqualvolta una carica subisce un moto acceleratoun moto accelerato

ALTE f = PICCOLE

PICCOLE f = GRANDI

Ma le frequenze di oscillazione del campo (dell’onda) probabilmente sono legate alle energie cinetiche di moto delle cariche sorgenti

Tutto dipende dalle energie in gioco nelle sorgentienergie in gioco nelle sorgenti

Spettro elettromagnetico

= c

ONDERADIO

MICROONDE

INFRA--ROSSOULTRA-

-VIOLETTO

RAGGIX

RAGGIGAMMA

102110–210–410–610–810–1010–1210–14(m) (m)

(Hz)

(Hz) 106108

3 108 Hz

1010101210141016101810201022

(cm)(mm)(m)(Å)(fermi) (nm)

VISIBILE

700600500400

(nm)

colori

103 Hz < f < 106 Hz

1m < < 1000 m

ONDE RADIOONDE RADIO

SORGENTI ARTIFICIALI: circuiti oscillanti che alimentano antenne

UTILIZZO: telecomunicazioni (TV, Radio)

SORGENTI NATURALI: stelle, nuclei galattici, PN, SR (radiazione di sincrotrone), sorgenti extraterrestri (??? Progetto SETI)

109 Hz (1GHz)< f < 1012 Hz

10-4 m < < 1 m

MICROONDE

SORGENTI ARTIFICIALI: circuiti oscillanti ad alta frequenza, ciclotrone (magnetron dei forni a microonde)

UTILIZZO: Comunicazioni satellitari (GPS, DT, telefonia mobile)

SORGENTI NATURALI: Regioni HII (21cm)

1012 Hz < f < 1014 Hz

10-6 m< < 10-4 m

RADIAZIONE INFRAROSSA

SORGENTI NATURALI: agitazione termica

UTILIZZO: visori notturni, telecomunicazioni

RADIAZIONE LUMINOSA

1 nm = 10-9 m = 10 Angstrom

SORGENTI NATURALI: STELLE, spettri termici a temperature comprese fra 1000K e 20.000K

SORGENTI ARTIFICIALI: Lampade

RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA (UV)

1014 Hz < f < 1016 Hz

10-8 m< < 10-6 m

SORGENTI NATURALI: ciclotroni ad alte energie, spettri di ionizzazione

SORGENTI ARTIFICIALI: lampade ad UV

EffettiEffetti: radiazioni che iniziano ad essere pericolose: danni alla pelle

RADIAZIONE X

1017 Hz < f < 1020 Hz

10-12 m< < 10-9 m Delle dimensioni dei passi reticolari dei cristalli!

SORGENTI NATURALI: Brehmsstralhung su bersagli metallici da parte di raggi catodici, interazioni ad alte energie di cariche con campi B

UTILIZZO: radiografie

RADIAZIONE GAMMA

1020Hz < f < 1023 Hz

10-16 m< < 10-12 m

Dimensioni dei nuclei atomici

SORGENTI NATURALI: SN, AGN, stelle

SORGENTI ARTIFICIALI: acceleratori di particelle, reazioni nucleari controllate e non

UTILIZZO: studio della struttura del nucleo

Il Sole visto a diverse lunghezze d’onda

UV VISIBILE RAGGI X

• Raggi X• Luce visibile• onde radio• infrarosso

CRAB NEBULACRAB NEBULA

CI FOCALIZZIAMO sulla RADIAZIONE LUMINOSARADIAZIONE LUMINOSA

Cosa produce la radiazione luminosa?

LA LUCE E’ UN’ONDA EM?

Ne ha tutte le caratteristiche, soprattutto di ONDA

Subisce i normali fenomeni ondulatori:

RIFLESSIONE

RIFRAZIONE

INTERFERENZA

DIFFRAZIONE

GENERAZIONE DI ENERGIA NEL SOLE

Processi di fusione nucleare che avvengono nel core della stella: radiazioni gamma!

In breve, poi lo vedremo meglio…

L’energia viene trasportata sia radiativamente che convettivamente nelle zone esterne (perdita di energia per assorbimento degli strati)

FOTOSFERA SOLARE (T circa 6000K)

FOTOSFERA

Responsabile dell’emissione in banda ottica

Ma l’energia irraggiata non è la stessa per ogni frequenza

DISTRIBUZIONE DELL’ENERGIA per diverse f

La fotosfera è approssimabile ad un CORPO NERO (assorbitore/radiatore perfetto: = 1)

IPOTESI DI PLANCKIPOTESI DI PLANCK

Per spiegare questo tipo di dipendenza si deve postulare che l’assorbimento/emissione sia un processo quantizzato

L’energia assorbita è multipla di una quantità fondamentale che vale

h = 6,626·10-34 Js

L’ONDA LUMINOSA arriva sulla Terra (1UA di distanza)

Subisce un assorbimento da parte dell’atmosfera terrestre

ESTINZIONE ATMOSFERICAESTINZIONE ATMOSFERICA

La radiazione viene:

ASSORBITA dagli strati atmosferici

RIFRATTA selettivamente (molto di più le basse )

RIFLESSA fuori atmosfera (ALBEDO)

Energia che in media arriva sulla superficie terrestreEnergia che in media arriva sulla superficie terrestre

Iincoming = 1366 W/m2 Costante solareCostante solare

La metà è persa per albedoLa metà è persa per albedo

Della metà rimanente, una metà viene usata per l’evaporazione Della metà rimanente, una metà viene usata per l’evaporazione delle massa d’acquadelle massa d’acqua

ENERGIA DISPONIBILEENERGIA DISPONIBILE

Inetta = ¼ Iincoming = 340 W/m2

COME SFRUTTARE TALE ENERGIA?COME SFRUTTARE TALE ENERGIA?

Convertirla in qualche altra forma, es lavoro meccanico

La natura lo fa già con la fotosintesifotosintesi

Eluminosa DDP LAVORO MECCANICO

EFFETTO FOTOELETTRICO

POSSIBILITA’ di produrre una corrente elettrica con la luce

Come è possibile?

Conversione dell’energia della luce in energia cinetica delle cariche in corrente Iin corrente I

Quali cariche? Quali apparecchi? Perché?

IL FENOMENO… Ce l’abbiamo SOTTO GLI OCCHI!!

OCCHIO: la luce colpisce la retina, sulla quale vi sono dei recettori, che convertono l’energia in segnale elettrico elaborato dal cervello.

PRIME OSSERVAZIONI (su fenomeni artificiali!)

AUGUSTO RIGHI

1888: Lastra metallica conduttrice si carica negativamente se investita da una radiazione UV: introduzione del termine FOTOELETTRICO

H. HERTZH. HERTZ

1880: Scarica dei conduttori metallici risulta più intensa se illuminati con luce UV

Hallwachs, che aveva sospettato ma non accertato il fenomeno qualche mese prima di Righi, dopo qualche mese dimostrava, indipendentemente dall'italiano, che non si trattava di trasporto, ma di vera e propria produzione di elettricità.

Sulla priorità della scoperta tra i due scienziati si accese una disputa. La comunità scientifica tagliò corto e risolse la controversia chiamando il fenomeno effetto Hertz-Hallwachs.

INTERAZIONE RADIAZIONE - MATERIA

La radiazione investe il reticolo cristallino del metallo e libera delle cariche elettriche (elettrizzazione?)

ESPERIMENTO DI LENARDESPERIMENTO DI LENARD

Philipp Von LENARD

1892

Primo studio dell’effetto fotoelettrico

APPARATO SPERIMENTALEAPPARATO SPERIMENTALE

Lampada a W variabile

Catodo metallico

Tubo a vuoto

V

A

DDP VARIABILE

Con possibilità di invertire la polarità

FISSO UNA W PER LA LUCEFISSO UNA W PER LA LUCE

SE V = 0, comunque ho una corrente! Liberazione di fotoelettroni da parte della luce sul catodo

1° OSSERVAZIONE

Gli e- emessi per effetto fotoel. hanno un’energia sufficiente per entrare nel circuito

I0

V

I

Non sono a zero!

Deduzione di un grafico tensione-corrente

I

V

Curva a saturazione!

2° OSSERVAZIONE

Provo a diminuire progressivamente V (dò potenziale negativo!)

La corrente diminuisce e trovo un valore in cui I=0, chiamato V0,

POTENZIALE DI ARRESTOPOTENZIALE DI ARRESTO

V_0V

I

3° OSSERVAZIONE

La presenza di un potenziale di arresto (negativo) è un’osservazione La presenza di un potenziale di arresto (negativo) è un’osservazione fondamentale.fondamentale.

V0 compete ad una situazione in cui le cariche sono ferme V0 corrisponde ad un’energia (di arresto) uguale a quella che possiedono gli elettroni quando sono estratti dal metallo

Earr = e·V0=Ecin fotoelettica

Dalla deduzione di V0 posso stimare l’energia cinetica di un fotoelettrone , quella che esso ha quando viene estratto dalla radiazione incidente!

Costruisco varie curve complete variando la POTENZA W della luce incidente!

IL VALORE DEL POTENZIALE DI ARRESTO E’ SEMPRE LO STESSO!!!!

4° OSSERVAZIONE

Allora l’energia cinetica dei fotoelettroni è indipendente dalla W

della radiazione incidente!

[che io dia 10W o 100W non cambia niente all’energia cinetica, cambierà solo il numero di fotoelettroni emessi, quindi I (difatti le I0 sono sempre più alte!)]

FISSO V alto

Faccio variare la W della luce e registro la corrente I

Classica proporzionalità diretta fra W e I

W

I

E’ sensato: raddoppiando W raddoppia il numero di fotoelettroni e quindi raddoppia I= dQ/dt

5° OSSERVAZIONE

Verso un nuovo modello per la luce (che sembrava essere un’onda)

La presenza di V0 ci fa capire che l’energia cinetica dei fotoelettroni non dipende dalla W: ma allora da cosa?

Nello studio del fenomeno si può concludere che la luce deve necessariamente cedere dell’energia al metallo, che consente di estrarre delle cariche

La luce trasporta un’energia che viene poi convertita in energia cinetica delle cariche.

Questa energia trasportata dall’onda luminosa però prima di tutto deve servire a strappare la carica dal metallo: c’è prima un LAVORO DI ESTRAZIONE da compiere! L’energia che rimane, è quella cinetica effettivamente misurata da V0

Etot onda= Lestrazione +Ecinetica rimasta = Lestrazione+ e·V0

Quel che è strano è che malgrado cresca la potenza W (e quindi l’energia totale), non cresca l’Ec delle cariche, visto che Lestrazione è sempre lo stesso per un dato metallo (dipendendo dalle sue car. chimiche)

IPOTESI DI ENSTEINIPOTESI DI ENSTEIN

Siamo di fronte ad un fenomeno quantistico!

STIMOLO RISPOSTA

COMPORTAMENTO CONTINUO

Al variare dello stimolo corrisponde sempre una risposta diversa (lineare o meno)

COMPORTAMENTO DISCRETO o QUANTISTICO

Necessario il superamento di un valore di soglia dello stimolo per produrre la risposta

risposta

stimolo

Comportamento continuoComportamento continuo

risposta

stimolo

Comportamento discretoComportamento discreto

Valori di soglia

Venendo alla luce:

E’ come se l’energia della luce fosse data, alle cariche che sono inizialmente legate alla struttura del metallo, A RATE

La carica accumula gradatamente questa energia finchè non ne ha a sufficienza per abbandonare il legame con il reticolo cristallino (L di estrazione)

Quindi, l’energia in eccesso resta come Ecin ed è rilevata come fotocorrente

DA COSA DIPENDE ALLORA L’ENERGIA DELL’ONDA?

Esperimento: variare la FREQUENZAFREQUENZA della radiazione incidente, per fissata potenza e DDP

f0

Frequenza di soglia!

f

I

La presenza di una frequenza di soglia è l’osservazione cruciale!

L’ENERGIA DIPENDE DALLA FREQUENZA DELLA

RADIAZIONE!!

Se la frequenza è troppo bassa, è troppo bassa anche l’energia trasportata e la carica non ne riceve a sufficienza per Lestr

Superato il valore di soglia, l’energia dell’onda è sufficiente per estrarre l’elettrone ed io rilevo la corrente

Questa energia è data alla carica in maniera discreta, a GRUMI, a PACCHETTI

FOTONI: particelle di luce, pacchetti di energia

MODELLO CORPUSCOLARE DELLA LUCE

La luce è discreta, non continua, è un flusso di particelle, i fotoni, che trasportano energia in maniera

discreta

Efotone=h·f

ASPETTI DA CHIARIRE:ASPETTI DA CHIARIRE:

Tutti i materiali sono interessati dall’effetto fotoelettrico? Servono materiali con una f di soglia compatibile con quella della luce visibile

Che modelli caratterizzano questi materiali?

Quale è l’efficienza del fenomeno? Se arriva una certa energia, essa è convertita tutta in corrente?

E’ QUEL CHE VEDREMO!!