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F.Zampieri 2012. OBIETTIVI DEL LAVORO Realizzare uno studio dellefficienza di produzione dellenergia al variare del modello di cella fotovoltaica e dei.

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1 F.Zampieri 2012

2 OBIETTIVI DEL LAVORO Realizzare uno studio dellefficienza di produzione dellenergia al variare del modello di cella fotovoltaica e dei parametri della luce incidenteRealizzare uno studio dellefficienza di produzione dellenergia al variare del modello di cella fotovoltaica e dei parametri della luce incidente OBIETTIVI DIDATTICI Conoscere e misurare i parametri fisici della radiazione luminosa Comprendere il fenomeno dellEFFETTO FOTOELETTRICO (conversione di luce in elettricità) e il funzionamento delle celle solari su cui si basa la tecnologia dei pannelli fotovoltaici

3 Familiarizzare con i metodi della ricerca scientifica (progettazione, sperimentazione, verifica) OBIETTIVI FORMATIVI Costruzione strumenti di misura Acquisizione di metodi numerici di analisi/riduzione dei dati

4 PRODOTTI PROGETTA LENERGIA partecipazione al concorso nazionale PROGETTA LENERGIA (Consorzio Energia per il Veneto) Report scientifico che riassuma il lavoro svolto Studio dellidonea collocazione di un futuro eventuale impianto fotovoltaico nellIstituto

5 ENERGIA DALLA LUCE Cosè la luce? Perché la luce trasporta energia? Quanta? Emessa da chi? Come catturare questa energia?

6 LUCE FENOMENO LUMINOSO == Radiazione che percepiamo con i nostri organi di senso

7 SORGENTI DI LUCEARTIFICIALI LAMPADE (eff Joule della corrente) CORPI INCANDESCENTI (radiazione termica) NATURALI ASTRI

8 Perché la luce trasporta energia? EVENIENZE OSSERVATIVE Effetto termico della luce Fotosintesi (CO 2 + H 2 O + luce = C 6 H 12 O 6 ) Azione antisettica Sintesi della vitamina D (colesterolo pelle + luce = vitD Liberazione di serotonina EFFETTO FOTOELETTRICO

9 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?

10 DA COSA DIPENDE LENERGIA EMESSA? * Fenomeno di produzione: * Efficienza nellemissione * Superficie radiante (corpi estesi emettono più energia di quelli meno estesi)

11 Potenza tot emessa Superficie radiante (m 2 ) Emittanza specifica Energia in INPUT (W/m 2 ) Mi dice la % di energia emessa rispetto a quella in input

12 TRASPORTO DELLENERGIA La sorgente luminosa emette energia, ed essa si propaga nello spazio NON E UN TRASPORTO SOLO CONDUTTIVO NON E UN TRASPORTO SOLO CONDUTTIVO (si muove la materia tramite urti microsc. che diluiscono lenergia) LA LUCE CI ARRIVA DAL SOLE! TRASPORTO RADIATIVO E un meccanismo ONDULATORIO = si muove lenergia senza il trasporto di materia

13 LA LUCE E UNONDA??? SI!! Particolare onda elettromagnetica (Maxwell 1864) Cosè un ONDA ELETTROMAGNETICA? Non è un onda meccanica che ha sempre bisogno di un mezzo per propagarsi

14 RADIAZIONE ELETTROMAGNETICA Perturbazione oscillante che si propaga anche nel vuoto ORIGINE: la forza elettromagnetica SORGENTI? Carica elettrica + magnete N S

15 IL CAMPO ELETTRICO Se in un punto dello spazio pongo carica Q (puntiforme), essa eserciterà la forza F Q SU QUALSIASI ALTRA CARICA presente nelle vicinanze F Q è una forza a distanza che secondo la fisica classica si manifesta ISTANTANEAMENTE anche se q subente è a distanza enorme! Q sorgenteq subente

16 Abbastanza strano! CI DEVE ESSERE UN MEDIATORE tra sorgente e subente che rende istantanea la propagazione della perturbazione CAMPO ELETTRICO E Questo mediatore è il CAMPO ELETTRICO E Q sorgente CAMPO E q subente

17 sorgente subente Cè la sorgente!

18 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

19 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 londa cercata!

20 Onde elettromagnetiche Onda elettromagnetica: vibrazione del campo elettrico e del campo magnetico in direzione perpendicolare a entrambi Non serve materia: i campi si propagano anche nel vuoto!

21 PARAMETRI DI UNONDA EM = LUNGHEZZA DONDA = distanza percorsa in un oscillazione f = FREQUENZA = numero di oscillazioni al secondo

22 [ ] = metri, [f] = secondi -1 = Hz Relazione fra e f Questo prodotto deve avere le dimensioni di…una velocità, quindi Ma con che velocità si propaga unonda EM?

23 MAXWELL (1864): londa EM si propaga nel vuoto alla velocità della luce! Allepoca la velocità della luce nel vuoto era nota (Esp. di Roemer 1675 e di Fizeau 1849): c = Km/s

24 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 un moto accelerato In realtà si può dimostrare che unOEM si genera ogniqualvolta una carica subisce un moto accelerato

25 ALTE f = PICCOLE PICCOLE f = GRANDI Ma le frequenze di oscillazione del campo (dellonda) probabilmente sono legate alle energie cinetiche di moto delle cariche sorgenti energie in gioco nelle sorgenti Tutto dipende dalle energie in gioco nelle sorgenti

26 Spettro elettromagnetico = c ONDE RADIO MICRO ONDE INFRA- -ROSSO ULTRA- -VIOLETTO RAGGI X GAMMA –2 10 –4 10 –6 10 –8 10 –10 10 –12 10 –14 (m) (m) (Hz) (Hz) Hz (cm)(mm) ( m) (Å) (fermi) (nm) VISIBILE (nm) colori

27 10 3 Hz < f < 10 6 Hz 1m < < 1000 m ONDE 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)

28 10 9 Hz (1GHz)< f < Hz 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)

29 10 12 Hz < f < Hz m< < m RADIAZIONE INFRAROSSA SORGENTI NATURALI: agitazione termica UTILIZZO: visori notturni, telecomunicazioni

30 RADIAZIONE LUMINOSA 1 nm = m = 10 Angstrom

31 SORGENTI NATURALI: STELLE, spettri termici a temperature comprese fra 1000K e K SORGENTI ARTIFICIALI: Lampade

32 RADIAZIONE ULTRAVIOLETTA (UV) Hz < f < Hz m< < m SORGENTI NATURALI: ciclotroni ad alte energie, spettri di ionizzazione SORGENTI ARTIFICIALI: lampade ad UV Effetti Effetti: radiazioni che iniziano ad essere pericolose: danni alla pelle

33 RADIAZIONE X Hz < f < Hz m< < 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

34 RADIAZIONE GAMMA Hz < f < Hz m< < 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

35 Il Sole visto a diverse lunghezze donda UVVISIBILERAGGI X

36 Raggi X Luce visibile onde radio infrarosso CRAB NEBULA

37 RADIAZIONE LUMINOSA CI FOCALIZZIAMO sulla RADIAZIONE LUMINOSA Cosa produce la radiazione luminosa?

38 LA LUCE E UNONDA EM? Ne ha tutte le caratteristiche, soprattutto di ONDA Subisce i normali fenomeni ondulatori: RIFLESSIONE RIFRAZIONE INTERFERENZA DIFFRAZIONE

39 GENERAZIONE DI ENERGIA NEL SOLE Processi di fusione nucleare che avvengono nel core della stella: radiazioni gamma! In breve, poi lo vedremo meglio… Lenergia viene trasportata sia radiativamente che convettivamente nelle zone esterne (perdita di energia per assorbimento degli strati) FOTOSFERA SOLARE (T circa 6000K)

40 FOTOSFERA Responsabile dellemissione in banda ottica Ma lenergia irraggiata non è la stessa per ogni frequenza

41 DISTRIBUZIONE DELLENERGIA per diverse f La fotosfera è approssimabile ad un CORPO NERO (assorbitore/radiatore perfetto: = 1)

42 IPOTESI DI PLANCK Per spiegare questo tipo di dipendenza si deve postulare che lassorbimento/emissione sia un processo quantizzato Lenergia assorbita è multipla di una quantità fondamentale che vale h = 6,626· Js

43 LONDA LUMINOSA arriva sulla Terra (1UA di distanza) Subisce un assorbimento da parte dellatmosfera terrestre

44

45 ESTINZIONE ATMOSFERICA La radiazione viene: ASSORBITA dagli strati atmosferici RIFRATTA selettivamente (molto di più le basse ) RIFLESSA fuori atmosfera (ALBEDO)

46 Energia che in media arriva sulla superficie terrestre I incoming = 1366 W/m 2 Costante solare La metà è persa per albedo Della metà rimanente, una metà viene usata per levaporazione delle massa dacqua

47 ENERGIA DISPONIBILE I netta = ¼ I incoming = 340 W/m 2

48 COME SFRUTTARE TALE ENERGIA? Convertirla in qualche altra forma, es lavoro meccanico fotosintesi La natura lo fa già con la fotosintesi E luminosa DDP LAVORO MECCANICO

49 EFFETTO FOTOELETTRICO POSSIBILITA di produrre una corrente elettrica con la luce

50 Come è possibile? in corrente I Conversione dellenergia della luce in energia cinetica delle cariche in corrente I Quali cariche?Quali apparecchi? Perché?

51 IL FENOMENO… Ce labbiamo SOTTO GLI OCCHI!! OCCHIO: la luce colpisce la retina, sulla quale vi sono dei recettori, che convertono lenergia in segnale elettrico elaborato dal cervello.

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

53 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?)

54 ESPERIMENTO DI LENARD Philipp Von LENARD 1892 Primo studio delleffetto fotoelettrico

55 APPARATO SPERIMENTALE Lampada a W variabile Catodo metallico Tubo a vuoto V A DDP VARIABILE Con possibilità di invertire la polarità

56 FISSO 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 unenergia sufficiente per entrare nel circuito I0I0 V I Non sono a zero!

57 Deduzione di un grafico tensione-corrente I V Curva a saturazione! 2° OSSERVAZIONE

58 Provo a diminuire progressivamente V (dò potenziale negativo!) POTENZIALE DI ARRESTO La corrente diminuisce e trovo un valore in cui I=0, chiamato V 0, POTENZIALE DI ARRESTO V_0 V I 3° OSSERVAZIONE

59 La presenza di un potenziale di arresto (negativo) è unosservazione fondamentale. V 0 compete ad una situazione in cui le cariche sono ferme V 0 corrisponde ad unenergia (di arresto) uguale a quella che possiedono gli elettroni quando sono estratti dal metallo E arr = e·V 0 =E cin fotoelettica Dalla deduzione di V 0 posso stimare lenergia cinetica di un fotoelettrone, quella che esso ha quando viene estratto dalla radiazione incidente!

60 Costruisco varie curve complete variando la POTENZA W della luce incidente! IL VALORE DEL POTENZIALE DI ARRESTO E SEMPRE LO STESSO!!!! 4° OSSERVAZIONE

61 Allora lenergia cinetica dei fotoelettroni è indipendente dalla W della radiazione incidente! [che io dia 10W o 100W non cambia niente allenergia cinetica, cambierà solo il numero di fotoelettroni emessi, quindi I (difatti le I 0 sono sempre più alte!)]

62 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

63 Verso un nuovo modello per la luce (che sembrava essere unonda) La presenza di V 0 ci fa capire che lenergia cinetica dei fotoelettroni non dipende dalla W: ma allora da cosa? Nello studio del fenomeno si può concludere che la luce deve necessariamente cedere dellenergia al metallo, che consente di estrarre delle cariche

64 La luce trasporta unenergia che viene poi convertita in energia cinetica delle cariche. Questa energia trasportata dallonda luminosa però prima di tutto deve servire a strappare la carica dal metallo: cè prima un LAVORO DI ESTRAZIONE da compiere! Lenergia che rimane, è quella cinetica effettivamente misurata da V 0 E tot onda = L estrazione +E cinetica rimasta = L estrazione + e·V 0 Quel che è strano è che malgrado cresca la potenza W (e quindi lenergia totale), non cresca lEc delle cariche, visto che L estrazione è sempre lo stesso per un dato metallo (dipendendo dalle sue car. chimiche)

65 IPOTESI 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

66 risposta stimolo Comportamento continuo

67 risposta stimolo Comportamento discreto Valori di soglia

68 Venendo alla luce: E come se lenergia 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, lenergia in eccesso resta come E cin ed è rilevata come fotocorrente

69 DA COSA DIPENDE ALLORA LENERGIA DELLONDA? FREQUENZA Esperimento: variare la FREQUENZA della radiazione incidente, per fissata potenza e DDP f0f0 Frequenza di soglia! f I

70 La presenza di una frequenza di soglia è losservazione cruciale! LENERGIA DIPENDE DALLA FREQUENZA DELLA RADIAZIONE!! Se la frequenza è troppo bassa, è troppo bassa anche lenergia trasportata e la carica non ne riceve a sufficienza per L estr

71 Superato il valore di soglia, lenergia dellonda è sufficiente per estrarre lelettrone 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

72 MODELLO CORPUSCOLARE DELLA LUCE La luce è discreta, non continua, è un flusso di particelle, i fotoni, che trasportano energia in maniera discreta E fotone =h·f

73 ASPETTI DA CHIARIRE: Tutti i materiali sono interessati dalleffetto fotoelettrico? Servono materiali con una f di soglia compatibile con quella della luce visibile Che modelli caratterizzano questi materiali? Quale è lefficienza del fenomeno? Se arriva una certa energia, essa è convertita tutta in corrente? E QUEL CHE VEDREMO!!


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