Объектом исследования в настоящей работе являются фотоэлектрические эффекты, происходящие в дистиллированной воде. Тем не менее есть все основания считать, что подобные явления в той или иной степени должны происходить практически в любой жидкости. Фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием света. На самом деле такое определение больше подходит к внешнему фотоэффекту. Кроме внешнего фотоэффекта существует также внутренний фотоэффект, наблюдаемый в диэлектриках и полупроводниках. Он заключается в перераспределении электронов по энергетическим уровням под действием света. Если энергия кванта превышает ширину запрещенной зоны, электрон, поглотивший квант света, переходит из валентной зоны в зону проводимости. В результате появляется дополнительная пара носителей тока, что приводит к увеличению проводимости [1]. Получается, что к фотоэлектрическому эффекту следует относиться как изменению электрических свойств тел под действием света, и нет оснований предполагать, что фотоэффект не может происходить в жидкостях. Большинство известных в настоящее время результатов, в том числе и экспериментальных, касающихся фотоэффекта, в основном относится к взаимодействию света с металлами, полупроводниками и твердыми диэлектриками [2]. Для жидкой фазы такие экспериментальные результаты попросту отсутствуют, что, судя по всему, связано с техническими трудностями и влиянием мешающих факторов. Под действием света могут происходить не только фотоэлектрические явления, но и ряд других процессов, что затрудняет не только регистрацию фотоэлектронов, но и измерение проводимости. С другой стороны, в настоящее время появились экспериментальные факты, свидетельствующие о том, что в ряде случаев вода может вести себя как источник электрического тока [3, 4]. До конца это явление не исследовано. Поэтому изучение его с точки зрения оптики не только представляет известный интерес, но и поможет выяснить причину возникновения электрической силы (эдс), создаваемой водой в контакте с металлическими электродами. Даже если окажется, что причиной эдс являются химические реакции дистиллированной воды с электродами, такое явление может оказаться чрезвычайно полезным с практической точки зрения.
Электродвижущая сила
Измерения достаточно просты, хотя и требуют очень больших затрат времени. На рис. 1 показана зависимость падения напряжения U на резисторе R, сопротивление которого 15 кОм, подключенном к двум цилиндрическим электродам: внешнему C и внутреннему I, между которыми находится 40 мл дистиллированной воды. Электроды находятся в светонепроницаемой кювете (рис. 1,a). Внутренний диаметр внешнего электрода, изготовленного из меди, - 47 мм, внешний диаметр внутреннего - 10 мм. Металл внутреннего электрода - латунь, хотя явление, аналогичное здесь описанному, наблюдается и в том случае, когда оба электрода изготовлены из одного материала. Причиной различия металлов является необходимость обеспечения максимальной асимметрии кюветы с физической точки зрения. Внутри кюветы находятся три источника света L (лампы накаливания с номинальным напряжением питания 6,3 В) и фотосопротивление F (СФ3-1). Выбор источников света обусловлен необходимостью изменения освещенности поверхности жидкости. Расположение калиброванного фотосопротивления F соответствует положению, при котором значение освещенности совпадает с ее средним по поверхности жидкости значением. Расстояние от нижнего основания внутреннего электрода до дна кюветы - 5 мм. Высота внешнего электро- да - 45 мм. Кроме того, в кювете установлен датчик, позволяющий контролировать температуру воды с точностью не хуже 0,5°С. Падение напряжения на резисторе R измерялось при помощи электронного мультиметра DT830B и магнитомеханического микроамперметра М273/2.1. Первый прибор служил для измерений, второй - для контроля. Сопротивление фоторезистора СФ3-1 измерялось электронным мультиметром VC9808.
Рис. 1. Зависимость падения напряжения на резисторе R от времени для источника тока
Обращает на себя внимание следующее странное обстоятельство, которое, к сожалению, пока не находит объяснения. За интервал времени, превышающий 50 ч, такая система выделила около 4∙10-3 Дж электрической энергии. Причем это не предел. Такая ситуация сохраняется месяцами. Для оптических измерений выбран интервал времени, начинающийся примерно через сутки после загрузки воды в кювету и начала измерений. А вообще следует обратить внимание на чрезвычайную чувствительность системы «вода + электроды», обусловленную дрейфом внутреннего сопротивления на протяжении эксплуатации кюветы.
Аномальный фотоэлектрический эффект
Время экспозиции - 5 мин. Аномальный характер фотоэффекта в жидкости проявляется в трех случаях. Во-первых, при освещении поверхности жидкости падение напряжения, а значит и ток в цепи, не возрастают, а падают. Причем такой перепад происходит чрезвычайно быстро, в течение нескольких секунд и менее (рис. 2 и 3). Во-вторых, после резкого падения наблюдается сравнительно медленное возрастание напряжения U. Изменение температуры тут не причем. Измерения показывают, что за такой интервал времени температура либо не изменяется вообще, либо возрастает менее, чем на половину градуса. По крайней мере, это так в пределах точности измерений температуры. Вполне возможно, что такой медленный дрейф обусловлен изменением светимости источника со временем T. Уверенно утверждать, что это действительно так, наверное, преждевременно. Дело в том, что при включении источников света, когда освещенность меняется в десятки-сотни раз, падение напряжения на резисторе изменяется при большой освещенности на 30% и более (см. рис. 2). При этом в течение всего времени экспозиции падение напряжения возрастает примерно на 10-15%, освещенность же при этом практически не меняется. С другой стороны, если это действительно фотоэлектрический эффект, то зависимость силы фототока от освещенности должна быть очень резкой. Это связано с тем, что при уменьшении светимости уменьшается и средняя частота оптического излучения лампы накаливания.
а
б
Рис. 2. Зависимость падения напряжения (a) и освещенности (б) от времени экспозиции T при большой освещенности в кювете
а
б
Рис. 3. Падение напряжения (a) и освещенность (б) как функция времени экспозиции T при слабой освещенности воды
В-третьих, пока остается неясной природа резкого возрастания тока при выключении источников света. При этом следует обратить внимание: первоначальное значение напряжения восстанавливается далеко не сразу, а за время, соизмеримое и даже превышающее время полной экспозиции.
Рис. 4. Перепад напряжения как функция освещенности в кювете
Зависимость перепада напряжения DU от освещенности E, показанная на рис. 4, действительно подтверждает пороговый характер эффекта, однако часть вопросов оставляет без ответа. Прежде всего, это относится к основной особенности такого проявления фотоэффекта: уменьшению тока при оптическом облучении жидкости. Судя по всему, возможны два сценария явления. Один из них: оптическое излучение в результате фотоэффекта уводит из области, где формируется электродвижущая сила, часть носителей тока, какими являются электроны. Второй: внешний фотоэффект, происходящий на поверхности металлических электродов, создает интервенцию электронов в эту область, носители тока в которой - положительные ионы. Утверждать, который их двух механизмов имеет место, пока преждевременно, как равно в такой же степени рано закрывать вопрос о влиянии освещенности на двойной электрический слой вблизи металла, находящегося в жидкости [5], и на интенсивность протекания химических реакций, которые могли бы создавать электродвижущую силу. Это не являлось ни целью, ни стимулом настоящей работы. На самом деле это - попытка обратить внимание на явление, требующее не только изучения, но и допускающее практическое применение.
Список литературы
-
Ландсберг Г.С. Оптика. - М.: Наука, 1976. - 926 с.
-
Аут И., Генцов Д., Герман К. Фотоэлектрические явления. - М.: Мир, 1980. - 208 с.
-
Герасимов С.А., Колесников Н.А. Вода: вольтметр или источник тока? // Инженер. - 2011. - № 10. - С. 14-15.
-
Герасимов С.А. Об электрических свойствах воды // Техника и технология. - 2012. - № 1. С. 10-16.
- Ролдугин В.И. Физикохимия поверхности. - Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2008. - 568 с.
Библиографическая ссылка
Герасимов С.А. ЭДС И ФОТОТОК В ЖИДКОСТИ // Современные наукоемкие технологии. – 2012. – № 1. – С. 44-47;URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=29679 (дата обращения: 21.11.2024).