الفيزياء — الصف الثالث الثانوي، الطبعة الثانية ٢٠٠٥

(5-3-2) الخلية الكهروضوئية :

يمكن الاستفادة من الظاهرة الكهروضوئية في تحويل الطاقة الضوئية لطاقة كهربية . وهذا ما تقوم به الخلية الكهروضوئية والتي لها أشكال عدة ، ولكنها كلها تتفق في أنها كلها مكونة من مهبط ومصعد ، وأنها تمرر التيار في دائرة إذا أسقط عليها ضوء . وتتركب الخلية الكهروضوئية في واحدة من صورها من غلاف زجاجي مفرغ من الهواء بداخله لوح نصف أسطواني من معدن طلي سطحه الداخلي بطبقة من مادة السيزيوم ويتصل اللوح بمسمار توصيل مثبت في

قاعدة الغلاف الزجاجي من الخارج ، ويسمى هذا اللوح بالمهبط لأنه يوصل بالقطب السالب وهذا اللوح هو

الشكل (2-18) : خلية كهروضوئية .

الشكل (2-18) : خلية كهروضوئية .

رسمان. اليسار: مقطع دائري، قوس داخلي متصل بقضيب ب موسوم مهبط، ونقطة في المركز تتصل بخط ا موسوم مصعد. اليمين: منظر مجسم لغلاف، سهم إلى السطح المنحني مهبط، سهم إلى قضيب رأسي مصعد، أسفل القاعدة وعلامة ا.

الذي تتحرر من سطحه الالكترونات عند سقوط الضوء عليه ولأنه موصل بالقطب السالب فستتنافر هذه الإلكترونات معه لأنها هي أيضا سالبه. ويوجد أمام المهبط قضيب معدني يتصل هو الآخر بمسمار توصيل مثبت في قاعدة الغلاف الزجاجي من الخارج . ويسمى هذا القضيب بالمصعد حيث يوصل بالقطب الموجب بحيث يجذب إليه الالكترونات (شكل (2-18)) . ولكي تعمل الخلية يوصل المهبط بالقطب السالب لبطارية ذات قوة دافعة كهربية كبيرة بينما يوصل المصعد بالقطب الموجب للبطارية . فعند سقوط الضوء على المهبط تنبعث منه الالكترونات ، ليجذبها المصعد الموجب فيمر التيار في الدائرة حيث يدل على مروره جهاز الجلفانوميتر الحساس لمرور التيار الكهربي الضعيف الموضح فى شكل (2-19) . ويزداد تيار الخلية الضوئية كلما زادت شدة الضوء وتردده وأيضا بزيادة فرق جهد البطارية.

الشكل (2-19) : ضوء يسقط على خلية كهروضوئية فيمر التيار .

الشكل (2-19) : ضوء يسقط على خلية كهروضوئية فيمر التيار .

دائرة كهربية: خلية دائرية في الأعلى تسقط عليها أشعة، قوس مهبط ونقطة مصعد. إلى اليسار دائرة G موسومة جلفانوميتر لقياس شدة التيار. أسفل بطاريتان على التوالي (+ − ثم + −). إلى اليمين سهم رأسي هابط التيار.

(1-5-4-2): إستخدامات الخلية الكهروضوئية:

ا) تستخدم الخلية الكهروضوئية في كثير من أجهزة التصوير حيث تحول أجزاء الصورة الضوئية لإشارات ونبضات كهربائية . حيث نلاحظ أن الجزء المظلم من أي صورة لا يصدر منه ضوء ، وبالتالي لا يمر تيار في الخلية بينما الجزء المضيء في الصورة يسقط منه الضوء على الخلية فيولد تياراً شدته تتناسب مع الضوء الصادر من الصورة . وهكذا يتحول الضوء الصادر من الصورة إلى تيارات تتحول مرة أخرى إلى صورة. ب) كما تستخدم الخلية الكهروضوئية في الاتصالات حيث تحول المحادثات التلفونية من تيارات كهربية الى إشارات ضوئية فى الألياف الضوئية (سندرسها لاحقا) ثم تحول فى الطرف الآخر لهذا الليف الضوئي بواسطة الخلية الكهروضوئية إلى تيارات كهربية مرة أخرى حيث تنقل بالأسلاك الى جهاز التلفون. وتستخدم الخلية الكهروضوئية كذلك في الاستفادة من طاقة الشمس الضوئية وتحويلها لطاقة كهربية ج) كما تستخدم الخلية الكهروضوئية في التحكم فيتم توصيل دائرة ما عندما يسقط على الخلية ضوء (شكل (2-19)) وتتوقف الدائرة عندما ينقطع عنها الضوء. ويتم التحكم في فتح الأبواب في الأماكن العامة وفي المصاعد ، فعندما يمر إنسان ويقطع الضوء الساقط على الخلية ينفتح الباب .وأكثر استخدام للخلية الكهروضوئية في جهاز التلفزيون في المنزل لفتح أو إغلاق أو تغيير المحطات حيث يصدر جهاز الريموت عند الضغط عليه نبضة من

الأشعة دون الحمراء تسقط على الخلية الموجودة فى جهاز التلفزيون فتقوم بالمهمة المطلوبة.

مثال (2-9) :

عند سقوط ضوء طوله الموجي 5×10−75 \times 10^{-7} متر على معدن كانت طاقة حركة الالكترون المتحرر هي 19.8×10−2019.8 \times 10^{-20} جول . فإذا كان ثابت بلانك يساوي 6.6×10−346.6 \times 10^{-34} جول ثانية :أحسب طاقة الربط فى المعدن. ثم أحسب أقل تردد (ذ) يلزم لتحرير الالكترون من سطح المعدن .

الحل :

λ=5×10−7\lambda = 5 \times 10^{-7} متر ط_ح = 19.8×10−2019.8 \times 10^{-20} جول

هـ = 6.6×10−346.6 \times 10^{-34} جول . ثانية ع = 3×1083 \times 10^{8} متر\ث

هـ × ذ = ط_ح + Φ\Phi

Φ=هـ×ذ−طح=طح−هـ×عλ\Phi = \text{هـ} \times \text{ذ} - \text{ط}_\text{ح} = \text{ط}_\text{ح} - \dfrac{\text{هـ} \times \text{ع}}{\lambda}

ملاحظة تصحيح (ليست من الكتاب): الشق Φ = ط_ح − (هـ×ع)/λ معكوس؛ الصحيح (هـ×ع)/λ − ط_ح. الناتج 19.8×10⁻²⁰ صحيح لأن (هـ×ع)/λ = 2×ط_ح في هذه المسألة.

Φ=19.8×10−20−6.6×10−34×3×1085×10−7\Phi = 19.8 \times 10^{-20} - \dfrac{6.6 \times 10^{-34} \times 3 \times 10^{8}}{5 \times 10^{-7}}

Φ=19.8×10−20\Phi = 19.8 \times 10^{-20} جول

إيجاد أقل تردد يحرر الالكترون (التردد الحرج):

أقل تردد هو التردد الذي يكفي فقط لإخراج الالكترون من المعدن دون إكسابه طاقة حركة (أي أن طاقة الفوتون تساوى طاقة الربط فقط وأن ط_ح = صفر) ويسمى التردد في هذه الحالة بالتردد الحرج ذ_ح (أو تردد العتبة) .

بتعويض ط_ح = صفر ذ = ذ_ح

وبما أن هـ × ذ = ط_ح + Φ\Phi

اذا هـ × ذ_ح = صفر + Φ\Phi

هـ × ذ_ح = Φ\Phi

∴التردد الحرج=ذح=Φهـ=19.8×10−206.6×10−34\therefore \text{التردد الحرج} = \text{ذ}_\text{ح} = \dfrac{\Phi}{\text{هـ}} = \dfrac{19.8 \times 10^{-20}}{6.6 \times 10^{-34}}

=3×1014= 3 \times 10^{14} هيرتز