ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣΜΑΘΗΤΕΣ ΔΙΟΔΟΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΦΩΤΟΣ (LED)

Transcript

1 NTSE - Nano Technology Science Education Project No: LLP TR-KA3-KA3MP ΟΔΗΓΙΕΣ ΓΙΑ ΤΟΥΣΜΑΘΗΤΕΣ ΔΙΟΔΟΣ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΦΩΤΟΣ (LED) ΜΕΡΟΣ Ι: ΜΕΛΕΤΗ ΠΡΙΝ ΤΟ ΠΕΙΡΑΜΑ Στην ηλεκτρονική, τα LED (δίοδοι εκπομπής φωτός) είναι συσκευές ημιαγωγών που εκπέμπουν υπέρυθρο ή ορατό φως όταν διαρρέονται με ηλεκτρικό ρεύμα. Τα LED χρησιμοποιούνται σε πολλές ηλεκτρονικές συσκευές, όπως σε ψηφιακά ρολόγια, ενδεικτικές λυχνίες στα αυτοκίνητα, και διαφημιστικές οθόνες (Εικόνα 1-2). Τα υπέρυθρα LED χρησιμοποιούνται στην τηλεόραση τα τηλεχειριστήρια, τις φωτογραφικές μηχανές αυτόματης εστίασης και και ως πηγές φωτός σε οπτικές ίνες, και συστήματα τηλεπικοινωνιών. εικόνα 1: εικόνα 2: ψηφία σε ένα ξυπνητήρι Σχέδιο σκηνής στο διαγωνισμό της Eurovision Ποιο είναι το φυσικό φαινόμενο σε ένα LED ; Ο κλασικός λαμπτήρας εκπέμπει φως μέσω της "πυράκτωσης", στο οποίο η θέρμανση ενός νήματος από ένα ηλεκτρικό ρεύμα αναγκάζει το σύρμα να εκπέμπει φωτόνια, τα βασικά πακέτα ενέργειας του φωτός. Ωστόσο τα LEDs λειτουργούν με ηλεκτροφωταύγεια, στην οποία η εκπομπή των φωτονίων προκαλείται από την ηλεκτρονική διέγερση ενός υλικού. Ο όρος "δίοδος" αναφέρεται στη διπλή -τερματική δομή της συσκευής εκπομπής φωτός. Σε ένα κλασικό λαμπτήρα, ένα νήμα καλώδιο είναι συνδεδεμένο με μια μπαταρία, μέσω δύο πόλων, της ανόδου που έχει το αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο και της καθόδου που έχει το θετικό φορτίο. Στο LED, 1

2 οι «πόλοι» είναι δύο υλικά ημιαγωγών διαφορετικής σύνθεσης. Οι ημιαγωγοί είναι υλικά τα οποία διαθέτουν ηλεκτρική αγωγιμότητα μεταξύ εκείνης ενός μετάλλου όπως χαλκού και ενός μονωτή όπως το γυαλί. Το υλικό που χρησιμοποιείται περισσότερο στα LED είναι αρσενίδιο του γαλλίου (GaAs). Υπάρχουν και άλλες παραλλαγές αυτού του υλικού, αυτές οι ενώσεις είναι μέλη των ημιαγωγών, τα οποία είναι κατασκευασμένα από στοιχεία που απαριθμούνται στις στήλες III και V του περιοδικού πίνακα. Μεταβάλλοντας την σύνθεση του ημιαγωγού, το μήκος κύματος (λ), και συνεπώς το χρώμα του εκπεμπόμενου φωτός μπορεί να αλλάξει. Τα LED εκπομπής εμφανίζεται γενικά στο ορατό τμήμα του φάσματος (λ = 0,4-0,7 μm) ή στο εγγύς υπέρυθρο (λ = 0,7 έως 2,0 μm). Η ένταση του φωτός που παρατηρείται από ένα LED εξαρτάται από την ισχύ που εκπέμπεται από το LED. Η εφαρμοζόμενη τάση στα περισσότερα LEDs είναι αρκετά χαμηλή, στην περιοχή των 2,0 volt. Το ρεύμα εξαρτάται από την εφαρμογή και κυμαίνεται από μερικά μα σε αρκετές εκατοντάδες μα. H δομή Ενός LED Σε μία τυπική δομή LED (Σχήμα 1), Ο θόλος χρησιμεύει ως ένα δομικό στοιχείο για να κρατήσει το προβάδισμα πλαίσιο μαζί, σαν ένας φακός να εστιάσει το φως, και ως βελτιωτής του δείκτη διάθλασης ώστε να επιτρέπει περισσότερο φως να εξέρχεται από το LED. Το τσιπ, συνήθως μm σε διάσταση, είναι τοποθετημένο σε μία ανακλαστική κοιλότηατα πάνω στο πλαίσιο χαλκού. για πράσσινη εεκπομπή, χρησιμοποιούνται επιστρώσεις GaP:N για πορτοκαλί και κίτρινη εκπομπή, χρησιμοποιούνται επιστρώσεις GaAsP:N για κόκκινη εκπομπή, χρησιμοποιούνται επιστρώσεις GaP:Zn,O για μπλέ εκπομπή, χρησιμοποιούνται επιστρώσεις GaN. Σχήμα 1: Αναπαράσταση ενός LED Τα LED μπορούν να συνδυαστούν σε συσσωματώματα με άλλα LED για να δώσουν όλα τα χρώματα συμπεριλαμβανομένου του λευκού. Γιατί LEDs διαρκούν τόσο πολύ; Τα LED σχεδόν ποτέ δεν καίγονται! τα LED δεν έχουν νήματα, ούτε υφίστανται κόπωση του μετάλλου, ούτε και οξείδωση η εξάτμιση των ηλεκτρικών εξαρτημάτων, όπως και σε άλλες λάμπες. Και οι κλασικές λάμπες και οι λαμπτήρες φθορισμού είναι εύθραυστες και πρέπει να αντιμετωπίζονται όπως τα αυγά. Όμως, τα LED είναι ισχυρές, πολύ ανθεκτικές, συσκευές στερεάς κατάστασης χωρίς γυαλί που σπάσει. Από την άλλη πλευρά, τα LED λειτουργούν με "ηλεκτροφωταύγεια", η οποία είναι εντελώς διαφορετική από την εργασία άλλων φανών. Αν και τα LED δεν καίγονται, η φωτεινότητα τους μειώνεται σιγά-σιγά μετά από τη μακρά διάρκεια ζωής τους. Τα LED μπορεί να διαρκέσουν για χιλιάδες χρόνια, αλλά θα λειτουργούν στο 70% της φωτεινότητάς τους όταν θα έχουν φθάσει την πλήρη διάρκεια της αναμενόμενης ζωής τους.. 2

3 Τύπος Λάμπας Αναμενόμενες ώρες ζωής Αναμενόμενα Χρόνια ζωής Αποτέλεσμα στο τέλος ζωής τους LED 100, % της αρχικής λαμπρότητας Φθορισμού 15, Καίγονται Κλασσικές 2,000 2 Καίγονται Σχήμα 2: Τύποι λαμπών και διαφορετικές αντοχές Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα Το ηλεκτρομαγνητικό (ΗΜ) φάσμα είναι το φάσμα όλων των τύπων της ΗΜ ακτινοβολίας (Σχήματα 3 και 4). Η ακτινοβολία αυτή είναι η ενέργεια που ταξιδεύει και διαδίδεται - το ορατό φως που προέρχεται από μια λάμπα στο σπίτι σας και τα ραδιοκύματα που προέρχονται από ένα ραδιοφωνικό σταθμό είναι δύο τύποι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Άλλοι τύποι της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που συνθέτουν το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα είναι τα μικροκύματα, το υπέρυθρο φως, το υπεριώδες φως, οι ακτίνες-χ και οι ακτίνες γάμα. Γνωρίζετε περισσότερα για το ηλεκτρομαγνητικό φάσμα από ό, τι νομίζετε. Η εικόνα στα δεξιά δείχνει πού μπορείτε να συναντήσετε κάθε τμήμα του ΗΜ φάσματος κάθε μέρα στη ζωή σας. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα περιγράφονται με οποιαδήποτε από τις ακόλουθες τρεις φυσικές ιδιότητες τους : τη συχνότητα f, το μήκος κύματος λ, ή την ενέργεια Ε. Το μήκος κύματος είναι αντιστρόφως ανάλογο προς τη συχνότητα του κύματος, έτσι για παράδειγμα οι ακτίνες γάμα έχουν πολύ βραχέα μήκη κύματος τα οποία είναι κλάσματα του μεγέθους των ατόμων, ενώ τα μήκη κύματος στο αντίθετο άκρο του φάσματος μπορεί να είναι όσο το σύμπαν. Η ενέργεια των φωτονίων είναι ανάλογη με την συχνότητα του κύματος, έτσι ώστε τα φωτόνια ακτίνων γάμα να έχουν την υψηλότερη ενέργεια, ενώ τα φωτόνια ραδιοκυμάτων έχουν πολύ χαμηλή ενέργεια. Οι σχέσεις αυτές μπορούν να εμφανίζονται ως: 3 Σχήμα 3: Ηλεκτρομαγνητικό φάσμα

4 όπου: c ~ m/s είναι η ταχύτητα του φωτός στο κενό h ~ Js είναι η σταθερά του Πλάνκ Σχήμα 4: μεγένθυση του ορατού τμήματος του ΗΜ φάσματος Μια επίδειξη του "ηλεκτρομαγνητικού φάσματος": Ουράνιο Τόξο Ένα ουράνιο τόξο είναι ένα μετεωρολογικό και οπτικό γεγονός που προκαλείται από την αντανάκλαση του φωτός σε σταγονίδια νερού στην ατμόσφαιρα της Γης, το οποίο αποτελεί ένα φάσμα του φωτός στον ουρανό. Σε ένα ουράνιο τόξο, το κόκκινο χρώμα εμφανίζεται στο εξωτερικό μέρος και το βιολετί στην εσωτερική πλευρά. Αυτό το ουράνιο τόξο προκαλείται από το φως που διαθλάται, ενώ εισέρχεται σε ένα σταγονίδιο ύδατος, τότε αντανακλάται μέσα στο πίσω μέρος της σταγόνας και διαθλάται εκ νέου κατά την έξοδο. Το 1672, ο Νεύτωνας χώρισε αρχικά το φάσμα σε 5 βασικά χρώματα: κόκκινο, κίτρινο, πράσινο, μπλε και βιολετί. Αργότερα περιλήφθηκαν το πορτοκαλί και το ιώδες δίδοντας 7 βασικά χρώματα, όσος και ο αριθμός των απο τις νότες σε μια μουσική κλίμακα. Ένα ουράνιο τόξο είναι ένα μετεωρολογικό και οπτικό γεγονός που προκαλείται από την αντανάκλαση του Σχήμα 5: Ουράνιο τόξο φωτός σε σταγονίδια νερού στην ατμόσφαιρα της Γης, το οποίο αποτελεί ένα «φάσμα του φωτός στον ουρανό". Σε ένα ουράνιο τόξο, το κόκκινο χρώμα εμφανίζεται στο εξωτερικό μέρος και βιολετί στην εσωτερική πλευρά. Αυτό το ουράνιο τόξο προκαλείται από το φως που διαθλάται, ενώ εισέρχεται ένα σταγονίδιο ύδατος, τότε αντανακλάται μέσα στο πίσω μέρος της σταγόνας και διαθλάται εκ νέου κατά την έξοδο.. 4

5 κόκκινο πορτοκαλί κίτρινο πράσσινο μπλέ ιώδες βιολετί 650 nm 590 nm 570 nm 510 nm 475 nm 445 nm 400 nm Σχήμα 6: μήκη κύματος των χρωμάτων του ουράνιου τόξου Διασπορά του Φωτός Το φως αλλάζει ταχύτητα καθώς κινείται από το ένα μέσο στο άλλο (για παράδειγμα, από τον αέρα μέσα στο γυαλί του πρίσματος). Αυτή η αλλαγή ταχύτητας αναγκάζει το φως να διαθλάται και να εισάγεται στο νέο μέσο σε μια διαφορετική γωνία (αρχή Huygens). Ο βαθμός κάμψης της διαδρομής του φωτός εξαρτάται από τη γωνία πρόσπτωσης του φωτός με την επιφάνεια, και με την αναλογία μεταξύ των δεικτών διάθλασης των δύο μέσων (νόμος του Snell). Ο δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται ανάλογα με το μήκος κύματος ή το χρώμα του χρησιμοποιούμενου φωτός, ένα φαινόμενο γνωστό ως "διασπορά". Αυτό είναι αιτία το αίτιο για τα διαφορετικά χρώματα του φωτός ότι δηλαδή κάθε χρώμα διαθλάται διαφορετικά και αφήνει το πρίσμα σε διαφορετικές γωνίες, δημιουργώντας ένα αποτέλεσμα παρόμοιο με ένα ουράνιο τόξο. Η γωνία απόκλισης του φωτός εξαρτάται από το μήκος κύματος μέσω του n, και η γωνία απόκλισης ποικίλλει ανάλογα με το μήκος κύματος. Σχήμα 7: διασπορά του φωτός μέσω πρίσματος ΜΕΡΟΣ II: ΠΡΟΤΕΙΝΟΜΕΝΕΣ ΔΡΑΣΤΗΡΙΟΤΗΤΕΣ Δραστηριότητα 1: δημιουργώντας το σύστημα του φωτός Δείτε το βίντεο 1, προκειμένου οι μαθητές να κατανοήσουν την προετοιμασία του συστήματος LED. Συζήτηση για τη δομή των διαφορετικών χρωμάτων των LEDs»με τους φίλους σας. Materials for Activities V μπαταρία βολτόμετρο Σειρά LED (στα χρώματα του ουράνιου τόξου) Βολτόμετρο διαφανές πρίσμα 5

6 Δραστηριότητα 2: Ενέργειες των LED Συνδέστε την μπαταρία 9V στο σύστημα LED. Στη συνέχεια, αφαιρέστε τη σύνδεση, και παρατηρήστε τι συμβαίνει. Ποια χρώματα ξεθωριάζουν πρώτα, και ποιά στο τέλος; Μπορείτε να συσχετίσετε αυτό που βλέπετε τις έννοιες "μήκος κύματος" και "ενέργεια". Δραστηριότητα 3: Παραγωγή των χρωμάτων λόγω της τάσης Συνδέστε την μπαταρία 9V στο σύστημα LED. Χρησιμοποιήστε το βολτόμετρο για να βρείτε την τάση του χρώματος στα LEDs: Συνδέστε το ένα κλιπ του βολτόμετρου στην αρχή του συστήματος, και το άλλο για το χρώμα που θέλετε να μετρήσετε. Καταγράψτε τις διαπιστώσεις σας ξεκινώντας από το μεγαλύτερο προς το μικρότερο. Μπορείτε να παρατηρήσετε τη διάταξη που υπάρχει στο ουράνιο τόξο; Προσπαθήστε να καταγράψετε τα μήκη κύματος των χρωμάτων, χρησιμοποιώντας τις εξισώσεις που αφορούν "ενέργεια", "συχνότητα" και "μήκος κύματος". Δραστηριότητα 4: Παρατηρώντας την περίθλαση των χρωμάτων Το λευκό φως περιλαμβάνει όλα τα ορατά χρώματα από μόνο του. Ρίξτε το λευκό φως πάνω στο διαφανές πρίσμα και παρατηρήστε τι συμβαίνει. Ποια χρώματα αποκλίνουν περισσότερο και ποια χρώματα είναι λιγότερο από την αρχική δέσμη; Προσπαθήστε να συσχετίσετε τη διαφορά στις αποκλίσεις με τα μήκη κύματος των χρωμάτων. ΕΛΕΓΞΤΕ ΤΙΣ ΓΝΩΣΕΙΣ ΣΑΣ Συμπληρώστε τα κενά με τις κατάλληλες εκφράσεις (10 λεπτά) a. LEDs εκπέμπουν φως, από ηλεκτρονική... των ημιαγώγιμων υλικών. b. Για να μετατρέψετε το φως από κίτρινο σε μπλε, θα πρέπει να μειωθεί η... c. Οι ακτίνες Χ είναι επιβλαβείς για το ανθρώπινο σώμα, επειδή η συχνότητά τους και η... τους είναι υψηλή. d. Το προσδόκιμο ζωής ενός κλασικού λαμπτήρα είναι περίπου... ώρες, αλλά ένος LED είναι περίπου... ΑΝΑΦΟΡΕΣ