‫גלעד רוטמן‬ ‫פיסיקה ‪3‬‬ ‫‪309333303‬‬ ‫פרויקט מס' ‪2‬‬ ‫מיישומי האפקט הפוטואלקטרי‪:‬‬ ‫שלטי הטלוויזיה‬ ‫מבוא‪:‬‬ ‫במהלך המאה ה‪ ,93-‬ניסויים הראו שפגיעה של אור במשטחי מתכת גרמו לפליטת‬ ‫אלקטרונים מהם‪ .‬התופעה הזו מוכרת כיום בשם 'האפקט הפוטואלקטרי' והאלקטרונים‬ ‫הנפלטים נקראים 'פוטואלקטרונים'‪.‬‬ ‫התופעה התגלתה לראשונה בשנת ‪ 9883‬ע"י היינריך הרץ במסגרת מחקר על התפרקות‬ ‫חשמלית בין לוחות מוליכים‪ .‬במהלך הניסוי הבחין הרץ שהקרנת המתכת באור אולטרה‪-‬‬ ‫סגול גורמת להגדלת ההתפרקות החשמלית‪.‬‬ ‫בהמשך לגילוי זה‪ ,‬נערכו ניסויים נוספים באמצעות שפופרת קתודית‪ ,‬בראשם עמדו פיליפ‬ ‫לנארד וג' ג' תומסון‪ .‬בניסויים אלה התגלו מספר דברים‪:‬‬ ‫‬‫‬‫‬‫‪-‬‬ ‫לכל מתכת יש תדירות סף משלה‪ ,‬שמשמעותה שאור בעל תדירות קטנה מזו לא‬ ‫יגרום לפליטת אלקטרונים ממנה‪.‬‬ ‫מספר האלקטרונים הנפלטים מהמתכת תלוי בעוצמת האור‪ ,‬אך מהירותם או עצם‬ ‫פליטתם לא‪.‬‬ ‫מהירות האלקטרונים הנפלטים גדלה ככל שתדירות האור הפוגע גדלה‪.‬‬ ‫פליטת האלקטרונים היא מיידית‪ ,‬ללא תלות בעוצמת האור‪.‬‬ ‫באותה עת לא היה ניתן להסביר גילויים אלה באמצעות התאוריה הגלית של האור‪ ,‬ובמיוחד‬ ‫לא ניתן היה לחשב את תדירות הסף הנדרשת‪ .‬בנוסף‪ ,‬העובדה כי הפליטה ארעה באופן‬ ‫מיידי לא התיישבה עם החישובים התאורטיים‪.‬‬ ‫ההסבר המקובל כיום לתופעה ניתן ע"י אלברט איינשטיין בשנת ‪ ,9309‬תוך שימוש בהנחה‬ ‫שנתן מקס פלאנק בשנת ‪ .9300‬על‪-‬פי הנחה זו‪ ,‬האור מגיע במנות מסוימות של אנרגיה‪,‬‬ ‫כאשר האנרגיה של כל מנה כזו (קוואנט) פרופורציונלית לתדירות ‪ ‬של האור‪:‬‬ ‫‪E ph  h‬‬ ‫(כאשר ‪ h‬מסמן את קבוע פלאנק)‬ ‫איינשטיין הציע שמדובר ביותר מאשר כמויות אנרגיה‪ ,‬וכשמדובר על האפקט הפוטואלקטרי‬ ‫יש להסתכל על האור כעל אוסף חלקיקים (פוטונים) אשר לכל אחד מהם אנרגיה‪ .‬השערה זו‬ ‫מניחה שבעת פגיעת פוטון במתכת‪ ,‬נעלם הפוטון וכל האנרגיה שלו מועברת לאלקטרון בודד‬ ‫במתכת‪ .‬בנוסף‪ ,‬איינשטיין טען כי עבור כל מתכת דרושה אנרגיה מינימלית המאפשרת‬ ‫פליטת אלקטרונים ממנה‪ .‬אנרגיה זו קרויה "פונקציית העבודה" ( ‪ ,) W‬ואנרגיה של פוטון‬ ‫בודד צריכה להיות גדולה מפונקציית העבודה על‪-‬מנת שיוכל לפלוט אלקטרון‪ .‬האנרגיה‬ ‫הנוספת של הפוטון מתורגמת לאנרגיה קינטית של האלקטרון‪:‬‬ ‫‪Ekmax  h  W‬‬ ‫בעזרת התיאוריה הזו הוסברו כל הקשיים שלא היו ניתנים להסבר ע"י הסתכלות על האור‬ ‫כעל גל בלבד‪:‬‬ ‫‪-‬‬ ‫‬‫‪-‬‬ ‫‪-‬‬ ‫הגדלת עוצמת האור משנה רק את מספר הפוטונים‪ ,‬אך לא את האנרגיה של כל‬ ‫אחד מהם‪ ,‬ולכן היא מגדילה את מספר האלקטרונים הנפלטים ולא את האנרגיה‬ ‫הקינטית של כל אחד מהם‪.‬‬ ‫כאשר תדירות האור גדלה‪ ,‬האנרגיה של כל אחד מהפוטונים גדלה‪ ,‬ולכן גדלה‬ ‫האנרגיה הקינטית של האלקטרונים הנפלטים‪.‬‬ ‫כאשר ‪ , h  W‬אין לפוטון מספיק אנרגיה להוצאת האלקטרון מהמתכת‪ ,‬וזהו‬ ‫‪W‬‬ ‫‪ . 0 ‬כמו כן‪ ,‬לכל מתכת פונקציית‬ ‫ההסבר לתדירות הסף שיש לכל מתכת‪:‬‬ ‫‪h‬‬ ‫עבודה שונה‪ ,‬ולכן גם תדירות סף שונה‪.‬‬ ‫קצב הפליטה נקבע ע"י האינטראקציה של הפוטון עם האלקטרון‪ .‬למרות שהקצב‬ ‫הממוצע של מעבר האנרגיה למתכת מאוד נמוך‪ ,‬האנרגיה אינה מתחלקת בין כל‬ ‫האלקטרונים‪ ,‬אלא מועברת רק לאלה שהפוטונים פוגעים בהם‪.‬‬ ‫בשנת ‪ ,9394‬מדד רוברט מיליקן את מתח העצירה כפונקציה של תדירות האור‪ ,‬מצא‬ ‫שהשיפוע הוא ליניארי ובכך מצא את קבוע פלאנק והראה את נכונות התיאוריה של‬ ‫איינשטיין‪ ,‬שזיכתה אותו בפרס נובל לפיזיקה בשנת ‪.9329‬‬ ‫יישומים של האפקט הפוטואלקטרי נמצאים כיום בשימוש נרחב‪ ,‬ואחד מהשימושים הכי‬ ‫מוכרים לנו כיום הוא שלטי הטלוויזיה‪.‬‬ ‫ההיסטוריה של שלטי הטלוויזיה‪:‬‬ ‫שלט רחוק הוא מכשיר המשמש לשליטה מרחוק על מכשירים אחרים‪ .‬השלט חוסך‬ ‫מהמשתמשים בו את הצורך לגשת אל המכשירים‪ ,‬בין אם הם נגישים ובין אם לאו‪ .‬השימוש‬ ‫המוכר לנו ביותר כיום של שלט רחוק הוא שלט הטלוויזיה‪.‬‬ ‫שלט הטלוויזיה הראשון פותח ע"י החברה "זנית" בשנת ‪ ,9390‬ונקרא "‪ ."Lazy Bones‬הוא‬ ‫אמנם היה שלט רחוק‪ ,‬אך היה מחובר באמצעות חוט אל הטלוויזיה‪.‬‬ ‫מאוחר יותר‪ ,‬בשנת ‪ ,9399‬הציגה זנית שלט טלוויזיה אלחוטי שנקרא "‪ "Flashmatic‬ופעל על‬ ‫העיקרון של האפקט הפוטואלקטרי‪ .‬הוא שלח אלומת אור נראה לתא פוטואלקטרי שהיה‬ ‫ממוקם על הטלוויזיה וכך נתן לה פקודות‪ .‬הבעיה הייתה שכל חשיפה למקור אור נראה‬ ‫הייתה גורמת להפעלת הטלוויזיה‪.‬‬ ‫בשנת ‪ ,9391‬פיתח רוברט אדלר מחברת זנית את "‪ ,"Zenith Space Command‬שלט‬ ‫אלחוטי נוסף‪ ,‬שפעל הפעם ע"י קול בתחום האולטרה‪-‬סאונד‪ .‬גם לשלט הזה היו מספר‬ ‫בעיות‪ ,‬וביניהן הפעלה של הטלוויזיה ע"י קולות טבעיים אקראיים (וגם לא טבעיים –‬ ‫לקסילופון היו מספר תדרי קול זהים לאלו שהטלוויזיה קלטה)‪ .‬כמו כן‪ ,‬היו אנשים שיכלו‬ ‫לשמוע את הקולות הללו‪.‬‬ ‫במהלך שנות השבעים‪ ,‬הצורך בשלטי טלוויזיה מורכבים יותר גבר‪ ,‬ובסוף העשור פותחו‬ ‫שלטי הטלוויזיה אותם אנו מכירים כיום – שלטי האינפרה‪-‬אדום‪ .‬גם כאן הבסיס הוא האפקט‬ ‫הפוטואלקטרי‪ ,‬אך הגיעו למסקנה שאור אינפרה‪-‬אדום הוא הטוב ביותר לתפקיד‪.‬‬ ‫אופן הפעולה של שלטי האינפרה‪-‬אדום‪:‬‬ ‫הרעיון העיקרי בשלט אינפרה‪-‬אדום הוא השימוש באור לצורך העברת אותות לטלוויזיה‪.‬‬ ‫שלט אינפרה‪-‬אדום שולח בלחיצת כפתור סדרה של פולסים של אור אינפרה‪-‬אדום (ע"י לד)‪,‬‬ ‫אשר מייצגים קודים בינאריים מסוימים (כל כפתור שולח קוד אחר)‪ .‬הקודים הללו מכתיבים‬ ‫פקודות‪ ,‬כמו פתיחת‪/‬סגירת הטלוויזיה‪ ,‬העברת ערוץ וכו'‪ .‬בטלוויזיה קיים רכיב אשר קולט‬ ‫את אור האינפרה‪-‬אדום (פוטו‪-‬דיודה) והוא פועל על עיקרון האפקט הפוטואלקטרי – האותות‬ ‫המועברים ע"י פוטונים מהשלט מתורגמים לאותות של פליטת אלקטרונים‪ ,‬שהם למעשה‬ ‫אותות זרם‪ .‬לאחר מכן‪ ,‬אותות הזרם מפוענחים ומתורגמים לפקודות המתאימות‪.‬‬ ‫השימוש הנרחב בשלטי אינפרה‪-‬אדום קיים כבר שלושה עשורים‪ ,‬אך בכל זאת קיימים בהם‬ ‫מספר מגבלות‪ ,‬הקשורות בעיקר לאופיו של האור האינפרה‪-‬אדום‪ .‬ראשית‪ ,‬לשלטי אינפרה‪-‬‬ ‫אדום יש טווח של ‪ 90‬מטרים‪ ,‬ובנוסף דרוש להם "קו ראייה"‪ ,‬כלומר אור אינפרה‪-‬אדום לא‬ ‫יעבור דרך קירות או מסביב לפינות – דרוש קו ישר וישיר בין השלט לטלוויזיה‪ .‬שנית‪ ,‬אור‬ ‫אינפרה‪-‬אדום כל‪-‬כך נפוץ (השמש‪ ,‬מנורות פלואורסנט‪ ,‬גוף האדם וכו')‪ ,‬ויש פוטנציאל‬ ‫להפרעות רבות‪ .‬על‪-‬מנת להימנע מהפרעות אלו‪ ,‬מוצבים פילטרים לפני הפוטו‪-‬דיודה‪ ,‬וכך‬ ‫היא מגיבה לאורך גל מסוים‪ ,‬בדרך‪-‬כלל ‪ 380‬ננומטר‪ .‬עם זאת‪ ,‬השמש עדיין יכולה לבלבל‬ ‫את הטלוויזיה מאחר והיא מכילה אור באורך גל כזה‪ ,‬ולכן האור הנפלט מהשלט עובר אפנון‬ ‫(האות מועבר על גבי גל נושא) וכך למעשה אורך גל האינפרה‪-‬אדום נשמר‪ ,‬אך התדר‬ ‫הנקלט הוא של הגל הנושא‪.‬‬ ‫לסיכום‪,‬‬ ‫כיום כבר מתחיל להיעשות שימוש בשלטים רחוקים המבוססים על טכנולוגיות‬ ‫אחרות מזו המוצגת כאן‪ ,‬אך האפקט הפוטואלקטרי הוא כלי טכנולוגי חשוב‪ ,‬ולא בכדי שלטי‬ ‫אינפרה‪-‬אדום קיימים כבר שלושה עשורים‪.‬‬ ‫ביבליוגרפיה‪:‬‬ ‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Photoelectric_effect‬‬ ‫‪http://en.wikipedia.org/wiki/Remote_controls‬‬ ‫‪http://electronics.howstuffworks.com/remote-control.htm‬‬