Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο έναντι Φωτοβολταϊκού Φαινόμενο
Οι τρόποι με τους οποίους εκπέμπονται τα ηλεκτρόνια στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο και στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο δημιουργούν τη διαφορά μεταξύ τους. Το πρόθεμα «φωτογραφία» σε αυτούς τους δύο όρους υποδηλώνει ότι και οι δύο αυτές διαδικασίες συμβαίνουν λόγω της αλληλεπίδρασης του φωτός. Στην πραγματικότητα, περιλαμβάνουν την εκπομπή ηλεκτρονίων με την απορρόφηση ενέργειας από το φως. Ωστόσο, διαφέρουν ως προς τον ορισμό τους, καθώς τα βήματα προόδου είναι διαφορετικά σε κάθε περίπτωση. Η κύρια διαφορά μεταξύ των δύο διαδικασιών είναι ότι στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται στο χώρο ενώ, στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια εισέρχονται απευθείας σε ένα νέο υλικό. Ας το συζητήσουμε αναλυτικά εδώ.
Τι είναι το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο;
Ήταν ο Albert Einstein που πρότεινε αυτήν την ιδέα το 1905 μέσω πειραματικών δεδομένων. Εξήγησε επίσης τη θεωρία του για τη σωματιδιακή φύση του φωτός επιβεβαιώνοντας την ύπαρξη δυαδικότητας κύματος-σωματιδίου για όλες τις μορφές ύλης και ακτινοβολίας. Στο πείραμά του στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, εξηγεί ότι όταν το φως αποφευχθεί από ένα μέταλλο για μια περίοδο, τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στα μεταλλικά άτομα μπορούν να απορροφήσουν ενέργεια από το φως και να βγουν από την επιφάνεια εκπέμποντας το ίδιο στο διάστημα. Για να συμβεί αυτό, το φως πρέπει να φέρει ένα επίπεδο ενέργειας υψηλότερο από μια ορισμένη τιμή κατωφλίου. Αυτή η τιμή κατωφλίου ονομάζεται επίσης «συνάρτηση εργασίας» του αντίστοιχου μετάλλου. Και αυτή είναι η ελάχιστη ενέργεια που χρειάζεται για να αφαιρεθεί το ηλεκτρόνιο από το περίβλημά του. Η πρόσθετη ενέργεια που παρέχεται θα μετατραπεί σε κινητική ενέργεια του ηλεκτρονίου επιτρέποντάς του να κινείται ελεύθερα μετά την απελευθέρωση. Ωστόσο, εάν παρέχεται μόνο η ενέργεια ίση με τη συνάρτηση εργασίας, τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια θα παραμείνουν στην επιφάνεια του μετάλλου, χωρίς να μπορούν να κινηθούν λόγω της έλλειψης κινητικής ενέργειας.
Για να μεταφέρει το φως την ενέργειά του σε ένα ηλεκτρόνιο που είναι υλικής προέλευσης, πιστεύεται ότι η ενέργεια του φωτός, στην πραγματικότητα, δεν είναι συνεχής όπως ένα κύμα, αλλά έρχεται σε διακριτά ενεργειακά πακέτα που είναι γνωστά ως Ως εκ τούτου, είναι δυνατό για το φως να μεταφέρει κάθε ενεργειακό κβάντα σε μεμονωμένα ηλεκτρόνια, κάνοντάς τα να προωθηθούν έξω από το περίβλημά τους. Επιπλέον, όταν το μέταλλο στερεώνεται ως κάθοδος σε σωλήνα κενού με άνοδο υποδοχής στην αντίθετη πλευρά με εξωτερικό κύκλωμα, τα ηλεκτρόνια που εκτοξεύονται από την κάθοδο θα έλκονται από την άνοδο, η οποία διατηρείται σε θετική τάση και, επομένως, ένα ρεύμα μεταδίδεται μέσα στο κενό, ολοκληρώνοντας το κύκλωμα. Αυτή ήταν η βάση των ευρημάτων του Άλμπερτ Αϊνστάιν που του κέρδισαν το Νόμπελ Φυσικής το 1921.
Τι είναι το φωτοβολταϊκό φαινόμενο;
Αυτό το φαινόμενο παρατηρήθηκε για πρώτη φορά από τον Γάλλο φυσικό A. E. Becquerel το 1839, όταν προσπάθησε να παράγει ένα ρεύμα μεταξύ δύο πλακών πλατίνας και χρυσού, βυθισμένες σε ένα διάλυμα και αυτό εκτεθειμένο στο φως. Αυτό που συμβαίνει εδώ είναι ότι, τα ηλεκτρόνια στη ζώνη σθένους του μετάλλου απορροφούν την ενέργεια από το φως και κατά τη διέγερση μεταπηδούν στη ζώνη αγωγιμότητας και έτσι γίνονται ελεύθερα να κινηθούν. Αυτά τα διεγερμένα ηλεκτρόνια στη συνέχεια επιταχύνονται από ένα ενσωματωμένο δυναμικό διασταύρωσης (Δυναμικό Galvani) έτσι ώστε να μπορούν να περάσουν απευθείας από το ένα υλικό στο άλλο σε αντίθεση με τη διέλευση ενός χώρου κενού όπως στην περίπτωση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, που είναι πιο δύσκολο. Τα ηλιακά κύτταρα λειτουργούν σύμφωνα με αυτήν την ιδέα.
Ποια είναι η διαφορά μεταξύ του φωτοηλεκτρικού φαινομένου και του φωτοβολταϊκού φαινομένου;
• Στο φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, τα ηλεκτρόνια εκπέμπονται σε χώρο κενού ενώ, στο φωτοβολταϊκό φαινόμενο, τα ηλεκτρόνια εισέρχονται απευθείας σε άλλο υλικό κατά την εκπομπή.
• Φωτοβολταϊκό φαινόμενο παρατηρείται μεταξύ δύο μετάλλων που βρίσκονται σε συνδυασμό μεταξύ τους σε ένα διάλυμα, αλλά το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο λαμβάνει χώρα σε έναν καθοδικό σωλήνα με τη συμμετοχή μιας καθόδου και μιας ανόδου που συνδέονται μέσω ενός εξωτερικού κυκλώματος.
• Η εμφάνιση του φωτοηλεκτρικού φαινομένου είναι πιο δύσκολη σε σύγκριση με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο.
• Η κινητική ενέργεια των εκπεμπόμενων ηλεκτρονίων παίζει μεγάλο ρόλο στο ρεύμα που παράγεται από το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο, ενώ δεν είναι τόσο σημαντική στην περίπτωση του φωτοβολταϊκού φαινομένου.
• Τα εκπεμπόμενα ηλεκτρόνια μέσω του φωτοβολταϊκού φαινομένου ωθούνται μέσω ενός δυναμικού διασταύρωσης σε αντίθεση με το φωτοηλεκτρικό φαινόμενο όπου δεν εμπλέκεται δυναμικό διασταύρωσης.
