PROGETTO “ENERGIA DALLA LUCE” F.Zampieri 2012

OBIETTIVI DEL LAVORO Realizzare uno studio dell’efficienza di produzione dell’energia 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 dell’EFFETTO FOTOELETTRICO (conversione di luce in elettricità) e il funzionamento delle celle solari su cui si basa la tecnologia dei pannelli fotovoltaici

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

PRODOTTI Report scientifico che riassuma il lavoro svolto Studio dell’idonea collocazione di un futuro eventuale impianto fotovoltaico nell’Istituto partecipazione al concorso nazionale PROGETTA L’ENERGIA (Consorzio Energia per il Veneto)

Perché la luce trasporta energia? Quanta? Emessa da chi? Cos’è la luce? Perché la luce trasporta energia? Quanta? Emessa da chi? ENERGIA DALLA LUCE Come “catturare” questa energia?

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

SORGENTI DI LUCE ARTIFICIALI LAMPADE (eff Joule della corrente) CORPI INCANDESCENTI (radiazione termica) NATURALI  ASTRI

Perché la luce trasporta energia? EVENIENZE 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)

Superficie radiante (m2) Potenza tot emessa Energia in INPUT (W/m2) Emittanza specifica Superficie radiante (m2) 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 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??? 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 ELETTROMAGNETICA ORIGINE: la forza elettromagnetica Perturbazione oscillante che si propaga anche nel vuoto ORIGINE: la forza elettromagnetica SORGENTI? magnete N S Carica elettrica +

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 E q subente CAMPO E Q sorgente

sorgente C’è la sorgente! subente

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

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 x Bo Eo v l T 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!

PARAMETRI DI UN’ONDA EM  = LUNGHEZZA D’ONDA = distanza percorsa in un oscillazione f = FREQUENZA = numero di oscillazioni al secondo

Relazione fra  e f [] = metri, [f] = secondi-1 = Hz Questo prodotto deve avere le dimensioni di…una velocità, quindi 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

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 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 sorgenti

Spettro elettromagnetico ONDE RADIO MICRO INFRA- -ROSSO ULTRA- -VIOLETTO RAGGI X GAMMA 102 1 10–2 10–4 10–6 10–8 10–10 10–12 10–14 (m) l n (Hz) 106 108 3 108 Hz 1010 1012 1014 1016 1018 1020 1022 (cm) (mm) (Å) (fermi) (nm) VISIBILE 700 600 500 400 l (nm) colori ln = c

ONDE RADIO 103 Hz < f < 106 Hz 1m <  < 1000 m 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)

MICROONDE 109 Hz (1GHz)< f < 1012 Hz 10-4 m <  < 1 m 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)

RADIAZIONE INFRAROSSA 1012 Hz < f < 1014 Hz 10-6 m<  < 10-4 m 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 Effetti: 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

CRAB NEBULA Raggi X Luce visibile onde radio infrarosso

CI FOCALIZZIAMO sulla RADIAZIONE 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: RIFRAZIONE RIFLESSIONE INTERFERENZA DIFFRAZIONE

GENERAZIONE DI ENERGIA NEL SOLE In breve, poi lo vedremo meglio… Processi di fusione nucleare che avvengono nel core della stella: radiazioni gamma! 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 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 ATMOSFERICA La radiazione viene: RIFLESSA fuori atmosfera (ALBEDO) ASSORBITA dagli strati atmosferici RIFRATTA selettivamente (molto di più le basse )

Energia che in media arriva sulla superficie terrestre Iincoming = 1366 W/m2 Costante solare La metà è persa per albedo Della metà rimanente, una metà viene usata per l’evaporazione delle massa d’acqua

Inetta = ¼ Iincoming = 340 W/m2 ENERGIA DISPONIBILE Inetta = ¼ Iincoming = 340 W/m2

COME SFRUTTARE TALE ENERGIA? La natura lo fa già con la fotosintesi Convertirla in qualche altra forma, es lavoro meccanico 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 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!) H. HERTZ 1880: Scarica dei conduttori metallici risulta più intensa se illuminati con luce UV AUGUSTO RIGHI 1888: Lastra metallica conduttrice si carica negativamente se investita da una radiazione UV: introduzione del termine FOTOELETTRICO

INTERAZIONE RADIAZIONE - MATERIA 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 LENARD 1892 Philipp Von LENARD Primo studio dell’effetto fotoelettrico

APPARATO 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 LUCE 1° OSSERVAZIONE SE V = 0, comunque ho una corrente! Liberazione di fotoelettroni da parte della luce sul catodo Gli e- emessi per effetto fotoel. hanno un’energia sufficiente per entrare nel circuito I I0 V Non sono a zero!

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

3° OSSERVAZIONE Provo a diminuire progressivamente V (dò potenziale negativo!) La corrente diminuisce e trovo un valore in cui I=0, chiamato V0, POTENZIALE DI ARRESTO I V V_0

Earr = e·V0=Ecin fotoelettica La presenza di un potenziale di arresto (negativo) è un’osservazione 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!

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

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!)]

5° OSSERVAZIONE FISSO V alto I W Faccio variare la W della luce e registro la corrente I Classica proporzionalità diretta fra W e I E’ sensato: raddoppiando W raddoppia il numero di fotoelettroni e quindi raddoppia I= dQ/dt

Verso un nuovo modello per la luce (che sembrava essere un’onda) Nello studio del fenomeno si può concludere che la luce deve necessariamente cedere dell’energia al metallo, che consente di estrarre delle cariche La presenza di V0 ci fa capire che l’energia cinetica dei fotoelettroni non dipende dalla W: ma allora da cosa?

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

Comportamento continuo risposta stimolo

Comportamento discreto risposta stimolo 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 FREQUENZA della radiazione incidente, per fissata potenza e DDP I f f0 Frequenza di soglia!

L’ENERGIA DIPENDE DALLA FREQUENZA DELLA RADIAZIONE!! 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

FOTONI: particelle di luce, pacchetti di energia 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: 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!!