Kezdőlap


Feladat:	2013. évi Nemzetközi Fizika Diákolimpia 5. feladata	Korcsoport: 18-	Nehézségi fok: nehéz
Füzet:	2013/november, 501 - 503. oldal		PDF \| MathML
Témakör(ök):	Nemzetközi Fizika Diákolimpia, Fénytani (optikai) mérés

A szöveg csak Firefox böngészőben jelenik meg helyesen. Használja a fenti PDF file-ra mutató link-et a letöltésre.

Kísérleti feladatok

2. feladat. Napelemek vizsgálata

Ebben a feladatban a diákok napelemek különböző tulajdonságait tanulmányozták. Rendelkezésüre állt egy külső fénytől elzárható doboz, ami az ,,optikai pad'' szerepét játszotta. Ebbe a dobozba lehetett elhelyezni a fényforrást, egy vagy két napelemet, és ezek közé még esetleg más optikai eszközöket. A napelemek áramának, feszültségének mérésére két multiméter szolgált.
A versenyzőknek először az egyik napelem

I

áramának a fényforrástól mért

r

távolságtól való függését kellett megmérniük. A mérési adatokra illeszteni kellett egy

I (r) = \frac{I_{a}}{1 + r^{2} / a^{2}}

alakú függvényt, és meg kellett határozni

I_{a}

és

a

paraméterek értékét. Az egyik legcélravezetőbb megoldás

r^{2}

ábrázolása

1 / I

függvényében, ugyanis ezzel lineárissá transzformáljuk a megadott összefüggést.
Ezután a napelem karakterisztikájának vizsgálata volt a feladat. A versenyzők állandó megvilágítás és különböző elektromos terhelés mellett mérték a napelem

I

árama és

U

feszültsége közti összefüggést, és ezt összevetették a megadott elméleti formulával. A felvett karakterisztika segítségével a napelemből kivehető maximális elektromos teljesítményt, valamint az ennek eléréséhez szükséges optimális terhelő ellenállás értékét is meg kellett határozni.
Ezt követően két napelemet egyszerre vizsgáltak a versenyzők. Először össze kellett hasonlítaniuk a napelemek legfontosabb paramétereit (maximális feszültség, maximális áram), majd a két napelemet különbözőképpen (sorosan, párhuzamosan, azonos és ellentétes polaritással) kapcsolva végeztek méréseket a napelemeken.
Az utolsó feladat volt talán a legfurfangosabb. A fényforrás és az egyik napelem közé átlátszó küvettát lehetett tenni, és a küvettában levő vízszint

h

magasságának függvényében kellett mérni a napelem

I

áramát. Ezután a kapott eredmény értelmezését, magyarázatát várták el a versenyzőktől.
Meglepő módon az

I (h)

függvény nem monoton, hanem a 4. ábrán látható módon viselkedik. A kapott görbe az

A

B

C

és

D

pontokkal határolt szakaszok között rendre állandó, csökkenő, gyorsan növő, csökkenő, majd újra állandó, és a teli küvettával mért áram nagyobb, mint az üressel mért.

4. ábra. A napelem

I

áramának függése a küvettában levő

h

vízszinttől. A kapocs, illetve a két függőleges vonal jelzi a kiterjedt fényforrás függőleges méretét

5. ábra

A jelenség magyarázata az 5. ábrasoron látható. Alacsony vízszint esetén (

A

helyzet) a víz magassága nem befolyásolja a napelemre jutó fény mennyiségét. Ha
a vízszint kicsit a fényforrás alja fölött van (

B

helyzet), akkor a fény egy része teljes visszaverődést szenved a vízfelszínen, és nem jut el a napelemig. Ha a vízszint kicsivel a fényforrás teteje alatt van, akkor ugyancsak teljes visszaverődés miatt több fény jut a napelembe (

C

helyzet). Végül nagyon magas vízszint esetén a küvetta, mint optikai rendszer, ,,közelebb hozza'' a fényforrást a napelemhez, ez magyarázza, hogy az

I (h)

görbe magasabb értéken telítődik, mint ahonnan indult.
A mérési feladat első része gyors, pontos munkát, grafikus méréskiértékelésben való jártasságot igényelt, az utolsó feladat pedig kifejezetten kreatív gondolkodást.