Мало знать, надо и применять. Мало хотеть, надо и делать.
И. Гете
Эффективность обучения физике в военном вузе зависит от целесообразного привлечения органов чувств обучаемых к восприятию и переработке учебного материала с использованием принципа наглядности. Наглядность можно обеспечить демонстрацией физических лекционных опытов, проводимых на установках, креативно сделанных курсантами во внеаудиторное время. Креативность – это решение проблемы скудными, нетривиальными инструментариями или ресурсами. Систематическое применение такого подхода к процессу обучения помогает развивать физическое мышление, совершенствовать экспериментальные умения, формировать умения исследовательской работы, способствовать самореализации курсантов.
Выполнение творческих экспериментальных работ по созданию установок для демонстрации законов физики требует организации самостоятельной деятельности обучаемого во внеаудиторное время. Такую деятельность целесообразнее осуществлять в рамках военно-научной работы (ВНР) курсантов.
При создании действующей установки следует соблюдать правила выполнения заданий конструкторского характера:
1) уяснение назначения устройства и условий использования;
2) определение основных требований к его работе;
3) выяснение физического принципа работы его элементов;
4) поиск решений;
5) простота решения;
6) создание эскизов, схем, письменного пояснения или проведение расчетов [1, с.60].
Нам было предложено продемонстрировать практическое применение фотоэффекта. Почему было выбрано это, казалось бы, давно знакомое явление природы? Во-первых, исходным положением определения предмета исследования является принцип возможности осуществления физического эксперимента в условиях самостоятельной работы в академии. Во-вторых, принцип соответствия демонстрационного эксперимента содержанию учебного материала курса физики. В-третьих, творческая экспериментальная работа должна активно формировать практические навыки, необходимые для профессиональной подготовки будущих офицеров. Именно этим определяется выбор предмета нашего исследования. Мы решили сделать робота, используя явление фотоэффекта.
Фотоэффект – это явление взаимодействия света с веществом, при котором энергия излучения передаётся его электронам. Если явление сопровождается выходом электронов за пределы вещества, фотоэффект называют внешним, если не сопровождается – внутренним.
Внутренний фотоэффект проявляется в изменении концентрации электронов и других носителей зарядов в различных частях вещества, изменяя его электрические и оптические свойства.
В области контакта электронного и дырочного полупроводников под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем 
перехода. Электроны перемещаются в полупроводник 
типа, а дырки – в полупроводник 
типа. В результате между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, возникает фотоэлектродвижущая сила. Такой вид внутреннего фотоэффекта называют вентильным фотоэффектом и используют для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.
Все виды фотоэффекта имеют широкое применение в науке и технике. На внешнем фотоэффекте основана работа фотоэлемента, в котором электроны под действием света выходят с поверхности катода в вакуум или разряженный газ. Основным параметром фотоэлемента является его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.
В вентильных фотоэлементах происходит непосредственное преобразование энергии света в энергию электрического тока. Для них не требуется внешнего источника тока, т.к. ЭДС появляется в результате действия света, поэтому этот тип фотоэлементов имеет преимущество перед вакуумным. Чувствительность вентильных фотоэлементов достигает нескольких тысяч мкА/лм.
Известно, что от Солнца на Землю постоянно приходит энергия в виде излучения достаточно большой мощности 
, а фотоэлемент, может использовать только часть этой энергии в диапазоне 
Вт/
Вследствие этого для питания электрических цепей применяют солнечную батарею, состоящую из нескольких фотоэлементов. Срок службы кремниевых солнечных батарей неограничен [2].
Для решения нашей задачи мы будем использовать маломощный двигатель от пленочного фотоаппарата и источник питания, состоящий из солнечной батареи (Solar Panel) и двух электролитических конденсаторах постоянной емкости 
и 
.
Принципиальная схема представлена на рис.1
|
Рис.1. Принципиальная схема работы робота
Согласно рис.1, получив энергию от источника питания, мигающий светодиод 
подает питание через кремниевый биполярный (мощный или средней мощности) транзистор 
на двигатель М. Двигатель разряжает конденсаторы
и 
и начинает вращаться. На схеме показаны два транзистора A 733R и BD 131, которые можно заменить аналогами
типов соответственно.
Какие требования надо предъявить при подборе солнечной батарее и светодиода для данной схемы?
При выборе солнечной батареи следует обратить внимание на выходную мощность, чтобы она смогла зарядить подключенные к ней конденсаторы и питать нагрузку заданной мощности.
Мощность обуславливается величинами тока и напряжения, поэтому в характеристиках солнечной батареи указываются максимальные и рабочие значения этих параметров: 1) напряжение без нагрузки и рабочее, отличающиеся на 15-20%; 2) ток короткого замыкания и рабочий ток. Для максимальной мощности солнечной батареи нужно, чтобы при подключенной нагрузке ее выходное напряжение было равно рабочему, указанному в технических характеристиках батареи [2].
Таким образом, выбор солнечной батареи по мощности определяется запасом по току, так как собственно ток согласно закону А.Г. Столетова зависит от интенсивности потока света. Для обеспечения частоты вращения выбранного маломощного двигателя, равной 2 об/с, выходное рабочее напряжение батареи должно быть равно или незначительно превышать требуемое напряжение для подзарядки двух электролитических конденсаторов. Расчеты показывают, что конденсаторы должны иметь следующие параметры: рабочее напряжение 16 В, емкости С1
.
Скорость зарядки солнечной батареи определяется только ее выходной мощностью, пропорциональной площади ее фотопластин. В нашем случае требуется малая мощность, поэтому следует выбрать солнечную батарею с малой площадью пластин, например, использовать солнечную батарею садового фонаря.
Светодиод – это полупроводниковый прибор с электронно-дырочным переходом, создающий оптическое излучение при пропускании через него электрического тока в прямом направлении. Испускаемое светодиодом оптическое электромагнитное излучение лежит в узком спектральном диапазоне и зависит от химического состава использованных полупроводников.
В основу физического принципа работы светодиода положено явление электролюминесценции. При пропускании в прямом направлении электрического тока через 
-переход, носители заряда переходят с одного энергетического уровня на другой и рекомбинируют с излучением квантов света определенной энергии 
.
Из-за рекомбинации носителей зарядов диоды, сделанные из непрямозонных полупроводников, например, 
практически не излучают электромагнитные волны в оптическом диапазоне. Для создания светодиодов видимого участка спектра используют полупроводниковые материалы, в которых разрешены прямые оптические переходы зона – зона. Эффективны при создании светодиодов оптического диапазона, например, GaAs, InP (группы AIIIBV), ZnSe, CdTe (группы AIIBVI). Впрочем, сейчас ведутся работы по созданию светодиодов на основе технологий квантовых точек и фотонных кристаллов [3, с. 48].
Интенсивность излучаемого электромагнитного излучения пропорциональна величине электрического тока, проходящего через светодиод. Падение напряжения на светодиоде зависит от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала, поэтому красный светодиод имеет самую маленькую ширину запрещенной зоны. Вследствие этого падение напряжение на красном светодиоде составляет всего 2 В [3, с. 49]. Например, для красного светодиода GNL-AL307SRR (L= 25,4 mm) излучаемая длина волны равна 
.
Светодиод чувствителен к воздействию электростатического поля, поэтому его надо правильно подключать в электрическую цепь. Вследствие этого выводы светодиода изготовляют разной длины: длинный – это анод, а короткий – катод. Этот прибор всегда требует поддержания стабильного рабочего тока, чтобы он не сгорел, поэтому к нему необходимо подключить резистор. На рис.2 представлена схема для расчета сопротивления резистора.
Рис.2. Расчет сопротивления для светодиода
У каждого маломощного светодиода 
расчетное напряжение свое и лежит в интервале 
В. Для выбранного красного светодиода рабочее напряжение 
. Для него требуется ток 
. Используя закон Ома, получим величину резистора 
Ом = 2 кОм.
Таким образом, творческое задание по обеспечению демонстрации практического применения фотоэффекта курсантами выполнено. Схема робота рассчитана и работает. Само выполнение курсантами задания конструкторского характера в рамках ВНР сделало их работу более осмысленной и целенаправленной, а знания физических законов стали более глубокими и осознанными.
Литература:
1. Малафеев Р.И. Проблемное обучение физике в средней школе. М.: Просвещение, 1993. 120 с.
2. http://radioskot.ru/publ/signalizacii/imitacija_vtomobilnoj_signalizacii/17-1-0-522.
3. Гадре Д. Занимательные проекты на базе микроконтроллеров tinyAVR / Дхананья Гадре, Нигул Мэлхотра: Пер. с англ. СПб.: БХВ-Петербург, 2012. 352 с.
