Температура фотоэлектрического эффекта в жидкости Текст научной статьи по специальности «Физика»

_международный научный журнал «инновационная наука» №6/2016 issn 2410-6070_

УДК 535.215

С.А. Герасимов

Канд. физ.-мат. наук, доцент Южный федеральный университет В.С. Лысенко Канд. биол.наук, доцент Южный федеральный университет Г. Ростов-на-Дону, Российская Федерация

ТЕМПЕРАТУРА ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ЭФФЕКТА В ЖИДКОСТИ

Аннотация

Экспериментально рассматривается связь температуры жидкости с электродвижущей силой (э.д.с.), возникающей при воздействии оптического излучения на дистиллированную воду, находящуюся в контакте с двумя несимметричными алюминиевыми электродами. Показано, что тепловой нагрев не является единственной причиной появления электрического тока, текущего в электрической цепи.

Ключевые слова Фотоэффект, температура, оптическое излучение, вода, алюминий.

Причина появления электрического тока в жидкости, находящейся в контакте с металлическими электронами и подвергнутой оптическому облучению, до сих пор остается до конца не выясненной [1]. По крайней мере, химические реакции в таком процессе далеко не всегда играют определяющую роль. Например, дистиллированная вода с алюминием при обычных температурах не реагирует вообще, электрический ток же при оптической экспозиции не только возникает, но и ведет себя достаточно необычно [2]. Появилось подозрение, согласно которому такой ток, в том числе и темновой, может быть вызван тепловым нагревом жидкости, сопровождающем оптическое облучение [3,4]. Однако в случае жидкости, находящейся в контакте с медными электродами, электрический ток развивается настолько быстро [5], что списать все особенности такого фотоэффекта на нагрев, в том числе и инфракрасный, едва ли получится. Более того, тепловой нагрев как единственный процесс претендовать на объяснение эффекта не может в принципе: для появления термо э.д.с. нужна разность температур; обратное противоречит второму началу термодинамики. Единственный способ выяснить природу эффекта и, возможно, применить его получения электрической энергии - подробное экспериментальное исследование, включающее в себя не только измерение величины возникающего электрического тока, не только и определение световых и спектральных характеристик оптического излучения, но и контроль за температурой жидкости, подвергнутой облучению.

Рисунок 1 - Экспериментальная установка

_международный научный журнал «инновационная наука» №6/2016 issn 2410-6070_

При этом надо обязательно обеспечить облучение оптическим излучением только жидкость, а не поверхности металлических электродов. Исследуемая жидкость должна быть максимально теплоизолирована. В противном случае за эффект можно выдать все, что угодно, в том числе и непредсказуемое влияние всего, что окружает экспериментальную установку.

Чтобы исключить попадание света на поверхность металла, алюминиевый цилиндрический электрод 1 диаметром 70 мм и высотой 30 мм и алюминиевый цилиндрический электрод 2 радиусом 7 мм и высотой 30 мм прикрыты светонепроницаемыми экранами 3 и 4. Внутренний диаметр большого экрана 3 составляет 50 мм, его высота - 25 мм. Диаметр тонкостенного малого экрана 4 равен 20 мм при высоте 25 мм. Цилиндрический электрод 1 является внутренней поверхностью тонкостенной непрозрачной кюветы 5 с токонепроводящим дном.

Внутри кюветы 5 находится 75 мл дистиллированной воды 6, в которую помещен датчик температуры 7, позволяющий контролировать температуру воды t. Кювета наполовину погружена в воду 8, заполняющую термостат 9. Термостат закрыт прозрачным окном 10, в котором установлено фотосопротивление 11, показания которого однозначно связаны со значениями средней освещенности поверхности воды 6, находящейся в кювете. Внутренний и внешний электроды зашунтированы резистором R, сопротивление которого составляет величину 100 кОм и падение напряжения U на котором одновременно с показаниями датчика температуры регистрируются двухканальным электронным осциллографом 13. Источник света 12 -одна из ламп LD.0240.3001 (синий свет Б), LD.0240.3006 (зеленый свет G) или LD.0240.3004 (красный свет R), спектры излучения которых представлены на рис. 2.

100

fct

ш

и 80

£ 60 о

В я S о X О)

- i

1 ^-в =462 нм; aß =27 hm

1 В G A.r =514 нм; aG=31 hm

=630 нм; gr=18 hm

t/V

—Z._ V °ь \ л ч R л Gr ; f 700 . У \ 1

40 20 0

400 Хв 500 600 Х,нм

Рисунок 2 - Спектральные характеристики источников света

Облучение жидкости целесообразно производить периодически, скажем каждые полтора часа, в течение 30 минут (рис. 3). Это дает возможность учесть не только дрейф падения напряжения на резисторе Я, но и плавное непериодическое изменение температуры жидкости С другое стороны применение приемов обработки слабых периодических сигналов позволяет исследовать процесс при очень слабых освещенностях. Может показаться, что одна из зависимостей, представленных на рис. 3, повторяет другую; другими словами, есть подозрение, что они отличаются на постоянный множитель и на некоторую не зависящую от времени величину. Едва ли такое предположение просуществует долго. Во-первых, это, вообще говоря, противоречит второму началу термодинамики.

0 20 40 60 80 100 120 Время, мин

Рисунок 3 - Изменение со временем выходного напряжения и и температуры жидкости 1 при периодической экспозиции жидкости синим светом

Допустим, что появление э.д.с. в виде падения напряжения возникает из-за нагрева жидкости. Но нагреву подвержена не только и не столько жидкость в кювете, сколько все, что окружает ее, включая саму кювету, термостат и охладитель в термостате, а коэффициент полезного действия тепловой машины равен разности температур нагревателя и холодильника, поделенной на температуру холодильника. Во-вторых, если бы э.д.с. возникала только из-за нагрева, в том числе и в результате изменения температуры окружающей среды, то есть без прямого участия фотоэффекта, это спровоцировало бы "создание" принципиально нового, противоречащего известным физическим представлениям, источника энергии. Оснований для такого, мягко говоря, "изобретения" пока нет. В любом случае, качественных спекуляций для опровержения или подтверждения таких утверждений не достаточно: нужны количественные аргументы, позволяющие разобраться со всеми особенностями эффекта.

Поскольку измерения падения напряжения и температуры в отличие от освещенности, пусть даже меняющейся во время экспозиции крайне слабо, являются наиболее точными, то параметрическая зависимость величины А1=Аи/Я от изменения температуры жидкости А( представляет наибольший интерес.

Д/, мкА

0 0.1 0.2 0.3 Af, °С

Рисунок 4 - Изменение тока в цепи А1 при изменении температуры А1

То, что изменение тока в цепи А1=Аи/Я однозначно связано с изменением температуры жидкости А?1, не вызывает сомнений (рис. 4). Однако, при малых изменениях температуры что-то не совсем привычное все-таки происходит. Достаточно обратить внимание: изменений температуры, меньших 0.04ОС, просто нет (рис. 4). Поэтому, утверждение о первопричине изменения температуры, вызывающей изменение тока, кажется сомнительным. Невозможно представить процесс, при котором температура самопроизвольно при любом изменении внешних условий меняется на одну и ту же величину, зато можно представить явление, при котором возникновение тока в цепи приводит к изменению температуры. Впрочем, при больших температурах все может происходить с точностью до наоборот: при больших значениях аргумента ток в цепи изменяется с температурой линейно (рис. 4), а отклонения от линейности при малых А1 или А? не могут быть объяснены случайностью, то есть, погрешностями измерений.

Д/, мкА 0.6 -

103 2-Ю3 4-103 6-Ю3 Е, лк

Рисунок 5 - Люкс-амперная характеристика фотоэффекта в жидкости

Первый тестом на принадлежность явления фотоэлектрическому эффекту может послужить так называемая "люкс-амперная характеристика", то есть зависимость силы тока от освещенности [1,6]. Плохо, если такая зависимость оказывается нелинейной. Такое может происходить либо при наличии вторичных процессов, либо при многофотонном возбуждении [7]. Многофотонный фотоэффект исключается полностью, поскольку для его проявления интенсивность первичного излучения должна быть на несколько порядков больше того, что производят обычные источники света. Пример вторичного процесса: первичное излучение, нагревая жидкость, создает электрический ток, который, в свою очередь, производит нагрев жидкости с последующим вкладом в силу тока, текущего в цепи. При изменениях температуры в доли градуса такой процесс практически не наблюдаем. Тем не менее, он должен быть упомянут, тем более, что зависимость изменения силы тока от освещенности Е, оставаясь линейной, характеризуется большими погрешностями измерений освещенности (рис. 5).

0.3 0.2 0.1 0

Рисунок 6 - Зависимость изменения температуры от освещенности

Маловероятно, что простыми методами удастся существенно уменьшить ошибки измерений, которые, оставаясь методическими, обусловлены неоднородностью распределения освещенности по объему жидкости. Ситуация усугубляется еще тем, что изменение освещенности, создаваемой источником света, достигалось изменением расстояния между лампой и поверхностью жидкости. Пока же это означает только одно: необходимы дополнительные сведения, на основе которых раздел между нагревом и фотоэлектрическим эффектом был бы неоспорим. Дополнительный аргумент в виде зависимости изменения температуры от освещенности (рис. 6) оставляет вопрос открытым: эта зависимость оказалась практически линейной. Более того, ссылаясь на этот результат, нет никаких оснований утверждать, что температура жидкости не пропорциональна освещенности. Остается только одно, выяснить, зависит ли сила электрического тока от длины волны.

М/Е, мкА/лк 8-Ю"5"

6-Ю"5-

Г

*

4-10 "

2 -10"5 -

0.7

_|_I_I

0.5 0.6 А.,мкм

Рисунок 7 - Изменения силы тока на единицу освещенности при различных длинах волн

0

0.4

На самом деле существование единой люкс-амперной характеристики, справедливой и функционально одной и той же для всех длин волн, противоречит основному свойству фотоэффекта, который должен исчезать при больших длинах волн. Действительно, если для всех длин волн зависимость фототока одна и та же, то при заданной освещенности сила тока в цепи, вызванная воздействием света, имеет одно и то же значение от ультрафиолетового излучения до инфракрасного. С другой стороны, при заданной освещенности сила тока должна быть очень мала уже для красного света. Тем не менее, пренебрегая таким предостережением, все-таки можно и нужно выяснить, не зависит ли сила тока на единицу освещенности от длины волны. Другими словами, не меняется ли - пусть даже сравнительно слабо - наклон зависимости А1(Е) при переходе от одной длины волны к другой? Вопрос прозвучал, - должен быть и ответ, или хотя бы его попытка.

Попытка состоялась; правда и то, что к результату (рис. 7) следует относиться настороженно. Во-первых, представленная на этом рисунке зависимость изменения силы тока от длины волны чем-то напоминает так называемое превышение точности. Это то, к чему может привести нехватка точности, подкормленная манипуляциями с обработкой результатов. То, что представлено, есть усредненные по всем значениям освещенностей изменения силы тока на единицу освещенности, относящиеся к данной конкретной длине волны; а роль ошибки играют среднеквадратичные отклонения. Надо согласиться: судя по всему, сила тока действительно зависит от длины волны, однако таких экспериментальных точек слишком мало, чтобы говорить об этом уверенно. Пока мы можем уверенно утверждать лишь то, что оптическая экспозиция жидкости, находящейся в контакте с металлом, может работать как источник электрической энергии. Что касается нагрева, то с ним происходит то же самое, что и с обычным фотоэлементом. Не может передача энергии телу, твердому или жидкому, не сопровождаться его нагревом. Не следует, однако, забывать, что для термоэлектричества нужна разность температур, которую в настоящей работе обнаружить не удалось. Поэтому у нас есть вполне законное право высказать гипотезу: не электрический ток является

_международный научный журнал «инновационная наука» №6/2016 issn 2410-6070_

результатом нагрева, а изменение температуры возникает в результате появления фотоэлектрического эффекта в жидкости. При сильном нагреве, сопровождающемся значительными изменениями температуры, это, разумеется, не так.

Список использованной литературы:

1. Гуревич Ю.Я. Внешний фотоэффект. - М: Знание. 1983. 64 с.

2. Герасимов С.А. Электрический ток в жидкости и фотоэффект. // Квант. 2013. № 4. С. 29-31.

3. Герасимов С.А., Лысенко В.С. О тепловой составляющей фотоэлектрического тока в жидкости. // Вопросы прикладной физики. 2013. Вып. 20. С. 39-41.

4. Герасимов С.А. Остаточный темновой фототок в жидкости. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2012. № 5. С. 59-61.

5. Герасимов С.А. О форме фотоэлектрического сигнала в жидкости. // Инженерная физика. 2014. № 9. С. 37-40.

6. Аут И., Генцов Д., Герман К. Фотоэлектрические явления. - М: Мир. 1980. 208 с.

7. Гладун А.Д., Барашев П.П. Внешний многоквантовый фотоэффект. // Успехи физических наук. 1969. Т. 98. № 3. С. 493-524.

© Герасимов С.А., Лысенко В.С., 2016

514.133

Л. Н. Ромакина

К. ф.-м. н., доцент Физико-математический факультет Саратовский государственный университет Г. Саратов, Российская Федерация

ПЛОЩАДИ ВПИСАННЫХ В ГИПЕРЦИКЛ ПРАВИЛЬНЫХ МНОГОУГОЛЬНИКОВ ГИПЕРБОЛИЧЕСКОЙ ПЛОСКОСТИ ПОЛОЖИТЕЛЬНОЙ КРИВИЗНЫ

Аннотация

Получены формулы площадей гомеоморфного листу Мёбиуса обобщенного многоугольника и правильного обобщенного многоугольника, вписанного в гиперцикл гиперболической плоскости положительной кривизны.

Ключевые слова

Гиперболическая плоскость положительной кривизны; обобщенный многоугольник; гомеоморфный листу Мёбиуса обобщенный многоугольник; правильный многоугольник, вписанный в гиперцикл; площадь многоугольника.

1. Актуальность исследования и постановка задачи. В проективной интерпретации Кэли-Клейна плоскость Лобачевского Л2 и гиперболическая плоскость Н положительной кривизны являются компонентами расширенной гиперболической плоскости Н2, т.е. проективной плоскости Р2 с фиксированной на ней овальной линией у [1, 2]. Плоскость Н (Л2) реализуется на внешней (внутренней) области плоскости Р2 относительно линии у, называемой абсолютом данных плоскостей. Первое систематическое описание геометрии плоскости Н начато в книгах [2, 3], в работах [4, 5, 9] построена теория площадей данной плоскости, в [4-11] получены первые формулы площадей фигур.

Вопросам о площадях обобщенных фигур, имеющих непустое пересечение с каждой из компонент плоскости Н2, посвящены работы [10, 11]. В статье [11] доказана теорема, согласно которой в геометрии плоскости Н радиуса кривизны р для площади 8о обобщенного многоугольника ^ справедлива формула