Інформація для вчителів
Опис
Експериментальна установка
Сонячні батареї відіграють важливу роль у розвитку альтернативних, невикопних джерел енергії. Вони безпосередньо перетворюють світлову енергію в електричну. При цьому не утворюється жодних забруднюючих речовин, а самі фотоелементи можуть бути в значній мірі перероблені.
Цей експеримент досліджує, як навантаження/приймач впливає на напругу і силу струму сонячного елемента. Вольт-амперна характеристика сонячного елемента записується при різних рівнях освітленості. Максимальна потужність і сила струму залежать від інтенсивності світла.
Додаткова інформація для вчителів (1/3)
Попередні знання
Учні повинні вміти побудувати просте електричне коло і вивчити його разом з окремими компонентами. Вони повинні мати уявлення про терміни "напруга", "сила струму", "опір" і "потужність" та усвідомлювати їхній взаємозв'язок.
Принцип
Сонячний елемент - це електричний компонент, який поглинає променисту енергію (наприклад, у вигляді сонячного світла) і перетворює її в електричну енергію за допомогою фотоелектричного ефекту. Більшість сонячних елементів виготовляються з кремнію.
Додаткова інформація для вчителів (2/3)
Мета навчання
Учні повинні дізнатися, як напруга і сила струму змінюються при різному навантаженні на сонячний елемент. Виходячи з цього, вони також розраховують залежність потужності від напруги. Оскільки обидва параметри розглядаються на різних відстанях від джерела світла, учні також можуть визначити залежність інтенсивності від раніше зазначених фізичних величин.
Завдання
На двох різних відстанях сонячного елемента від джерела світла вимірюється напруга і сила струму при збільшенні навантаження. На основі цього створюються характеристики "струм-напруга" і "потужність-напруга" сонячного елемента. З цього випливає, наприклад, що максимальна потужність сонячного елемента зростає тим більше, чим більше він опромінюється, оскільки зі збільшенням інтенсивності вивільняється більше електронів.
Додаткова інформація для вчителів (3/3)
Зауваження щодо підготовки та виконання роботи
Для зняття вольт-амперної характеристики як опір навантаження використовується потенціометр. Внутрішній опір амперметра є важливим для цього вимірювання як додатковий опір. Якщо потенціометр повернутий до лівого упору, його опір дорівнює нулю, але напруга, що відображається, не дорівнює нулю. Значення напруги залежить від діапазону вимірювання амперметра, оскільки діапазони вимірювання мають різний внутрішній опір. Вимірювання слід проводити в діапазоні вимірювання 30 мА і його не слід змінювати під час вимірювання.
Інструкції з техніки безпеки
До цього експерименту застосовуються загальні інструкції щодо безпечного проведення експериментів під час викладання природничих наук.
Інформація для учнів
Мотивація
Сонячні батареї у полі
Сонячні батареї - надзвичайно важлива технологія для задоволення світових потреб в енергії з екологічно чистих джерел. Вони перетворюють сонячне світло в електрику без викидів шкідливих для довкілля речовин. З цієї причини має сенс працювати над оптимізацією сонячних елементів. Чим більше світла вловлює сонячний елемент, тим більше електроенергії він може виробити.
У цьому експерименті учні дізнаються, як саме змінюються напруга і сила струму при навантаженні сонячного елемента. Крім того, вони дослідять, від чого залежить потужність сонячного елемента.
Завдання
Як змінюються сила струму і напруга при навантаженні сонячної батареї?
Навантажте сонячний елемент змінним резистором. Запишіть напругу та силу струму при різних значеннях опору навантаження.
Експериментальна установка
Матеріал
| Позиція | Матеріал | Пункт №. | Кількість |
|---|---|---|---|
| 1 | З'єднувальний, прямий, модуль SB | 05601-01 | 2 |
| 2 | З'єднувальний, кутовий, модуль SB | 05601-02 | 3 |
| 3 | З'єднувальний, розімкнутий, модуль SB | 05601-04 | 2 |
| 4 | З'єднувальний прямий з роз'ємом модуль SB | 05601-10 | 2 |
| 5 | Вимикач вкл./викл., модуль SB | 05602-01 | 1 |
| 6 | Патрон для лампи розжарювання Е 10, модуль SB | 05604-00 | 1 |
| 7 | Потенціометр 250 Ом, модуль SB | 05623-25 | 1 |
| 8 | Сонячний елемент (3,3x6,5) см, зі штепсельними вилками, 0,5 В, 330 мА | 06752-09 | 1 |
| 9 | Тримач для сонячних елементів (3,3x6,5) см, зі штепсельними вилками | 06752-08 | 1 |
| 10 | З'єднувальний провідник, 250 мм, синій | 07360-04 | 2 |
| 11 | З'єднувальний провідник, 500 мм, червоний | 07361-01 | 1 |
| 12 | З'єднувальний провідник, 250 мм, червоний | 07360-01 | 2 |
| 13 | З'єднувальний провідник, 500 мм, синій | 07361-04 | 1 |
| 14 | Лампа розжарювання, 6 В/ 3 Вт, E10, 10 шт. | 35673-03 | 1 |
| 15 | Аналоговий мультиметр, 600 В AC/DC, 10A AC/DC, 2 МОм, захист від перевантаження | 07021-11 | 2 |
| 16 | PHYWE Джерело живлення пост. струм: 0...12 В, 2 A / змін. струм: 6 В, 12 В, 5 A | 13506-93 | 1 |
Підготовка
Зберіть експериментальну установку як показано на рисунках.
Для цього встановіть сонячний елемент в тримач на з`єднувальному модулі.
Спочатку вимикається лампочка, а потенціометр повертається до лівого упору.
Використовуйте один мультиметр (правий) як амперметр, а інший мультиметр (лівий), підключений паралельно до сонячної батареї, як вольтметр.
Виконання роботи (1/2)
Позначення: Положення 1 і Положення 2
- Увімкніть лампочку і встановіть сонячний елемент в положення 1. Встановіть діапазон вимірювання амперметра на 30 мА.
- Повільно повертайте потенціометр до правого упору, і спочатку лише якісно спостерігайте за напругою та силою струму. Знову поверніть потенціометр до лівого упору і виміряйте напругу і силу струму.
- Завдання1: повільно повертайте потенціометр до правого упору і знімайте показання: в діапазоні напруг до 0,4 В виміряйте приблизно три пари значень напруги і сили струму, а потім змінюйте напругу з кроком 0,01 В і знімайте показання. Результати вимірювань запишіть у таблицю 1
Виконання роботи (2/2)
- Завдання 2: Повторіть це вимірювання для положення 2, але не змінюйте діапазон вимірювання. Запишіть отримані результати вимірювань у таблицю 2 в протоколі.
- Вийміть потенціометр зі схеми (див. рисунок) і виміряйте напругу при 0 А для обох положень сонячного елемента.
- Після закінчення вимірювання вимкніть лампочку.
Схема зі знятим потенціометром
Протокол
Таблиця 1
Запишіть свої вимірювання для положення 1, а потім обчисліть потужність для кожного випадка .
Позиція 1: Вимірювання 1: U [V]:
Позиція 1: Вимірювання 2: U [V]:
Позиція 1: Вимірювання 3: U [V]:
Позиція 1: Вимірювання 4: U [V]:
Позиція 1: Вимірювання 5: U [V]:
Позиція 1: Вимірювання 6: U [V]:
Позиція 1: Вимірювання 7: U [V]:
Позиція 1: Вимірювання 8: U [V]:
2
3
4
5
6
7
8
1
Вимірювання
Позиція 1: Вимірювання 1: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 2: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 3: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 4: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 5: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 6: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 7: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 8: I [мА]:
Позиція 1: Вимірювання 1: P [мВт]:
Позиція 1: Вимірювання 2: P [мВт]:
Позиція 1: Вимірювання 3: P [мВт]:
Позиція 1: Вимірювання 4: P [мВт]:
Позиція 1: Вимірювання 5: P [мВт]:
Позиція 1: Вимірювання 6: P [мВт]:
Позиція 1: Вимірювання 7: P [мВт]:
Позиція 1: Вимірювання 8: P [мВт]:
Таблиця 2
Запишіть свої вимірювання для положення 2, а потім обчисліть потужність для кожного випадка .
Позиція 2: Вимірювання 1: U [V]:
Позиція 2: Вимірювання 2: U [V]:
Позиція 2: Вимірювання 3: U [V]:
Позиція 2: Вимірювання 4: U [V]:
Позиція 2: Вимірювання 5: U [V]:
Позиція 2: Вимірювання 6: U [V]:
Позиція 2: Вимірювання 7: U [V]:
Позиція 2: Вимірювання 8: U [V]:
2
3
4
5
6
7
8
Вимірювання
1
Позиція 2: Вимірювання 1: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 2: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 3: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 4: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 5: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 6: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 7: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 8: I [мА]:
Позиція 2: Вимірювання 1: P [мВт]:
Позиція 2: Вимірювання 2: P [мВт]:
Позиція 2: Вимірювання 3: P [мВт]:
Позиція 2: Вимірювання 4: P [мВт]:
Позиція 2: Вимірювання 5: P [мВт]:
Позиція 2: Вимірювання 6: P [мВт]:
Позиція 2: Вимірювання 7: P [мВт]:
Позиція 2: Вимірювання 8: P [мВт]:
Завдання 1
- На діаграмі відкладіть силу струму для обох положень (1 і 2) в залежності від напруги (вісь абсцис).
- На другій діаграмі додатково побудуйте графік потужності для обох положень в залежності від напруги
Завдання 2
Питання
Завдання 3
Вставте слова в тексті в потрібне місце! Сила струму залишається ____ при збільшенні ____, а потім різко зменшується до нуля. Крім того, видно, що сила струму також ____ при збільшенні ____ і, відповідно, зменшенні інтенсивності світла. ____ потужність досягається приблизно при тому ж самому навантаженні, при якому сила струму починає ____ зменшуватися до нуля.