Apibūdinkite vandens šiluminio plėtimosi ypatybes. Šiluminis skysčių plėtimasis

Paprasti eksperimentai ir stebėjimai mus įtikina, kad kylant temperatūrai kūnų dydžiai šiek tiek padidėja, o atvėsus – sumažėja iki ankstesnių dydžių. Taigi, pavyzdžiui, labai įkaitęs varžtas netelpa į sriegį, į kurį šaltas jis laisvai telpa. Kai varžtas atvės, jis vėl patenka į sriegius. Karštu vasaros oru telegrafo laidai krenta pastebimai labiau nei per žiemos šalnos. Kai šildomas elektros šokas viela pailgėja ir nusileidžia; Išjungus srovę, ji grįžta į ankstesnę padėtį. Padidėjęs įlinkimas, taigi ir įtemptų laidų ilgis kaitinant, gali būti lengvai atkuriamas eksperimentiškai. Kaitinant įtemptą laidą elektros srove, matome, kad jis pastebimai nusmunka, o kai kaitinimas nutrūksta, vėl įsitempia.

Kaitinant didėja ne tik kūno ilgis, bet ir kiti linijiniai matmenys. Kūno linijinių matmenų pokytis kaitinant vadinamas tiesiniu plėtimu. Jei vienalytis kūnas (pavyzdžiui, stiklinis vamzdis) kaitinamas vienodai visose dalyse, jis plečiasi ir išlaiko formą. Priešingai atsitinka esant netolygiam šildymui. Panagrinėkime šią patirtį. Stiklinis vamzdis yra horizontaliai, o vienas galas yra pritvirtintas. Jei vamzdis šildomas iš apačios, jo viršutinė dalis išlieka šaltesnė dėl prasto stiklo šilumos laidumo.

A) Plokštė, kniedyta iš vario ir geležies juostelių, šalta. b) Ta pati plokštė įkaitinta (aiškumo dėlei lenkimas parodytas perdėtas) Garo linijos kompensatorius leidžia vamzdžiams A ir B išsiplėsti. Buvo atvejų, kai geležinių tiltų dalys, sukniedytos dieną, o naktį atvėsusios, sugriuvo, nuplėšdamos daugybę kniedžių. Siekiant išvengti tokių reiškinių, imamasi priemonių, kad keičiantis temperatūrai konstrukcijų dalys laisvai išsiplėstų arba susitrauktų. Pavyzdžiui, geležies garų linijose yra spyruokliniai lenkimai kilpų pavidalu.

Linijinių matmenų padidėjimą lydi kūnų tūrio padidėjimas ( tūrinis plėtimasis tel). Neįmanoma kalbėti apie linijinį skysčių plėtimąsi, nes skystis neturi tam tikra forma. Skysčių tūrinį plėtimąsi nesunku pastebėti. Užpildykite kolbą spalvotu vandeniu ar kitu skysčiu ir užkimškite kamščiu stikliniu vamzdeliu, kad skystis patektų į mėgintuvėlį. Jei atsineši laivą su karštas vanduo, tada iš pradžių skystis vamzdelyje nukris, o tada pradės kilti. Skysčio lygio sumažėjimas pirmą kartą rodo, kad indas pirmiausia plečiasi, o skystis dar nespėjo sušilti. Tada skystis sušyla. a) Į kamštį iš kolbos pateko spalvotas vanduo. b) Iš apačios į kolbą atnešamas indas su karštu vandeniu. Pirmuoju kolbos panardinimo momentu vamzdyje esantis skystis nusileidžia žemyn. c) Lygis mėgintuvėlyje po kurio laiko tampa didesnis nei prieš kolbos kaitinimą.

Vandens plėtimosi gamtoje pavyzdžiai Žemės paviršiuje labiausiai paplitusi medžiaga – vanduo – turi savybę, išskiriančią ją iš daugumos kitų skysčių. Jis plečiasi kaitinant tik virš 4 °C. Nuo 0 iki 4 °C vandens tūris, atvirkščiai, kaitinant mažėja. Taigi didžiausias vandens tankis yra 4 °C temperatūroje. Šie duomenys susiję su gėlu (chemiškai grynu) vandeniu. U jūros vandens didžiausias tankis stebimas maždaug 3 °C temperatūroje. Didėjantis slėgis taip pat mažina temperatūrą didžiausias tankis vandens. Vandens plėtimosi ypatybės turi didžiulę reikšmę Žemės klimatui. Dauguma(79 proc.) Žemės paviršiaus padengta vandeniu. Saulės spinduliai, krintantys ant vandens paviršiaus, iš dalies atsispindi nuo jo, iš dalies prasiskverbia į vandenį ir jį įkaitina. Jei vandens temperatūra žema, tai įkaitinti sluoksniai (pavyzdžiui, esant 2 °C) yra tankesni nei šaltieji (pavyzdžiui, esant 1 °C), todėl grimzta žemyn. Jų vietą užima šalti sluoksniai, kurie savo ruožtu įkaista. Taigi nuolat keičiasi vandens sluoksniai, kurie prisideda prie tolygaus viso vandens stulpelio kaitinimo, kol pasiekiama maksimalų tankį atitinkanti temperatūra. Toliau kaitinant, viršutiniai sluoksniai tampa vis mažiau tankūs, todėl lieka viršuje. Dėl to dideli vandens sluoksniai gana lengvai įšyla saulės spinduliai tik iki didžiausio vandens tankio temperatūros; Tolesnis apatinių sluoksnių šildymas vyksta itin lėtai. Priešingai, vanduo atšaldomas iki didžiausio tankio temperatūros gana greitai. tada aušinimo procesas sulėtėja. Visa tai lemia tai, kad giliuose vandens telkiniuose Žemės paviršiuje, pradedant nuo tam tikro gylio, temperatūra yra artima didžiausio vandens tankio temperatūrai (4 ° C). Viršutiniuose jūrų sluoksniuose šiltose šalyse gali būti daug aukštesnė temperatūra (30 ° C ar daugiau).

Šiluminis plėtimasis - kūno linijinių matmenų ir formos pasikeitimas, kai keičiasi jo temperatūra. Kietųjų kūnų šiluminiam plėtimuisi apibūdinti įvedamas linijinio šiluminio plėtimosi koeficientas.

Šiluminio plėtimosi mechanizmas kietosios medžiagos gali būti pavaizduotas taip. Jei privesime prie kieto kūno šiluminė energija, tada dėl atomų virpesių gardelėje vyksta šilumos sugerties procesas. Tokiu atveju atomų virpesiai tampa intensyvesni, t.y. didėja jų amplitudė ir dažnis. Didėjant atstumui tarp atomų, didėja ir potenciali energija, kuriai būdingas tarpatominis potencialas.

Pastarasis išreiškiamas atstumiančių ir traukiančių jėgų potencialų suma. Atstumiančios jėgos tarp atomų keičiasi greičiau, keičiantis tarpatominiam atstumui, nei traukos jėgos; Dėl to energijos minimumo kreivės forma pasirodo esanti asimetriška, o pusiausvyros tarpatominis atstumas didėja. Šis reiškinys atitinka šiluminį plėtimąsi.

Priklausomybė potenciali energija molekulių sąveika priklausomai nuo atstumo tarp jų leidžia išsiaiškinti šiluminio plėtimosi priežastį. Kaip matyti iš 9.2 paveikslo, potencialios energijos kreivė yra labai asimetrinė. Jis labai greitai (staigiai) didėja nuo minimalios vertės E p0(taške r 0) kai mažėja r ir auga palyginti lėtai, didėjant r.

2.5 pav

Esant absoliučiam nuliui, pusiausvyros būsenoje, molekulės būtų viena nuo kitos nutolusios r 0 atitinka minimali vertė potenciali energija E p0 . Kai molekulės įkaista, jos pradeda vibruoti aplink savo pusiausvyros padėtį. Virpesių diapazonas nustatomas pagal vidutinę energijos vertę E. Jei potencialo kreivė būtų simetriška, tai vidutinė molekulės padėtis vis tiek atitiktų atstumą r 0 . Tai reikštų bendrą vidutinių atstumų tarp molekulių kaitinant nekintamumą, taigi ir šiluminio plėtimosi nebuvimą. Tiesą sakant, kreivė yra asimetriška. Todėl kai vidutinė energija, lygus , vidutinė vibruojančios molekulės padėtis atitinka atstumą r 1> r 0.

Vidutinio atstumo tarp dviejų gretimų molekulių pokytis reiškia atstumo tarp visų kūno molekulių pasikeitimą. Todėl kūno dydis didėja. Tolesnis kūno šildymas lemia, kad vidutinė molekulės energija padidėja iki tam tikros vertės , ir tt Tuo pačiu metu didėja ir vidutinis atstumas tarp molekulių, nes dabar vibracijos atsiranda su didesne amplitude aplink naują pusiausvyros padėtį: r 2 > r 1, r 3 > r 2 ir tt

Kalbant apie kietąsias medžiagas, kurių forma nesikeičia kintant temperatūrai (vienodai kaitinant ar aušinant), išskiriamas linijinių matmenų (ilgio, skersmens ir kt.) pasikeitimas – tiesinis plėtimasis ir tūris – tūrinis plėtimasis. Kaitinami skysčiai gali keisti formą (pavyzdžiui, termometre gyvsidabris patenka į kapiliarą). Todėl skysčių atveju prasminga kalbėti tik apie tūrio plėtimąsi.

Pagrindinis šiluminio plėtimosi dėsnis kietųjų kūnų teigia, kad kūnas su linijiniu matmeniu L 0 kai jo temperatūra pakyla ΔT plečiasi dydžiu Δ L, lygus:

Δ L = αL 0 ΔT, (2.28)

Kur α - vadinamasis linijinio šiluminio plėtimosi koeficientas.

Yra panašių formulių, skirtų kūno ploto ir tūrio pokyčiams apskaičiuoti. Paprasčiausiu pateiktu atveju, kai šiluminio plėtimosi koeficientas nepriklauso nei nuo temperatūros, nei nuo plėtimosi krypties, medžiaga tolygiai plėsis visomis kryptimis griežtai pagal aukščiau pateiktą formulę.

Koeficientas linijinis plėtimasis priklauso nuo medžiagos pobūdžio, taip pat nuo temperatūros. Tačiau, jei svarstysime temperatūros pokyčius ne per plačiose ribose, α priklausomybę nuo temperatūros galima nepaisyti ir linijinio plėtimosi temperatūros koeficientą galima laikyti pastovia tam tikros medžiagos verte. Šiuo atveju kūno linijiniai matmenys, kaip matyti iš (2.28) formulės, priklauso nuo temperatūros pokyčio taip:

L = L 0 ( 1 +αΔT) (2.29)

Iš kietųjų medžiagų labiausiai plečiasi vaškas, šiuo atžvilgiu pranokdamas daug skysčių. Priklausomai nuo tipo, vaško šiluminio plėtimosi koeficientas yra 25–120 kartų didesnis nei geležies. Iš skysčių labiausiai plečiasi eteris. Tačiau yra skystis, kuris plečiasi 9 kartus galingiau už eterį – skystas anglies dioksidas (CO3) esant +20 laipsnių Celsijaus. Jo plėtimosi koeficientas yra 4 kartus didesnis nei dujų.

Kvarcinis stiklas turi mažiausią šiluminio plėtimosi koeficientą tarp kietųjų medžiagų – 40 kartų mažiau nei geležis. Į 1000 laipsnių įkaitintą kvarcinę kolbą galima saugiai nuleisti ledinis vanduo nesibaiminant dėl ​​indo vientisumo: kolba nesprogsta. Deimantas taip pat turi mažą plėtimosi koeficientą, nors ir didesnį nei kvarcinio stiklo.

Iš metalų mažiausiai besiplečiantis plienas vadinamas Invaru, jo šiluminio plėtimosi koeficientas yra 80 kartų mažesnis nei paprasto plieno.

2.1 lentelėje pateikti kai kurių medžiagų tūrio plėtimosi koeficientai.

2.1 lentelė. Kai kurių dujų, skysčių ir kietųjų medžiagų izobarinio plėtimosi koeficiento reikšmė esant atmosferos slėgiui

Saugumo klausimai

1. Apibūdinkite normaliųjų virpesių pasiskirstymą pagal dažnį.

2. Kas yra fononas?

3. Paaiškinkite fizinę reikšmę Debye temperatūros. Kas lemia tam tikros medžiagos Debye temperatūrą?

4. Kodėl kada žemos temperatūros gardelės šiluminė kristalo talpa nelieka pastovi?

5. Kas vadinama kietojo kūno šilumine talpa? Kaip tai nustatoma?

6. Paaiškinkite kristalinės gardelės šiluminės talpos Krešo priklausomybę nuo temperatūros T.

7. Gauti gardelės molinės šiluminės talpos Dulong-Petit dėsnį.

8. Gaukite kristalinės gardelės molinės šiluminės talpos Debio dėsnį.

9. Kokį indėlį į metalo molinę šiluminę talpą turi elektroninė šiluminė talpa?

10. Koks yra kietojo kūno šilumos laidumas? Kaip tai apibūdinama? Kaip atsiranda šilumos laidumas metalo ir dielektriko atveju.

11. Kaip kristalinės gardelės šilumos laidumas priklauso nuo temperatūros? Paaiškinkite.

12. Apibrėžkite šilumos laidumą elektronų dujos. Palyginti χ el Ir χ išspręsti metaluose ir dielektrikuose.

13. Pateikite kietųjų kūnų šiluminio plėtimosi mechanizmo fizikinį paaiškinimą? Ar CTE gali būti neigiamas? Jei taip, paaiškinkite priežastį.

14. Paaiškinkite šiluminio plėtimosi koeficiento priklausomybę nuo temperatūros.

Bilietas Nr.3

„Šiluminis kūnų plėtimasis. Termometras. Temperatūros svarstyklės. Kūnų šiluminio plėtimosi reikšmė gamtoje ir technikoje. Vandens šiluminio plėtimosi ypatybės"

Šiluminis plėtimasis- kūno linijinių matmenų ir formos pasikeitimas, kai keičiasi jo temperatūra.

Priežastis: didėja kūno temperatūra -> didėja molekulių judėjimo greitis -> didėja virpesių amplitudė -> didėja atstumas tarp molekulių, taigi ir kūno dydis.

Skirtingi kūnai kaitinant plečiasi nevienodai, nes skiriasi molekulių masės, todėl kinetinė energija o tarpmolekuliniai atstumai kinta skirtingai.

Kiekybinis skysčių ir dujų šiluminis plėtimasis ties pastovus slėgis charakterizuojamas tūrinisšiluminio plėtimosi koeficientas (β).

V = V0 (1 + β (t galutinis-pradinis))

Kur V yra kūno tūris galutinėje temperatūroje, o V0 yra kūno tūris pradinėje temperatūroje

Kietųjų medžiagų šiluminiam plėtimuisi apibūdinti papildomai įvedamas koeficientas linijinisšiluminis plėtimasis (α)

l=l0 (1+α(tgalutinis-pradinis))

Kur l yra kūno ilgis galutinėje temperatūroje, l0 yra kūno ilgis pradinėje temperatūroje

Termometras- temperatūros matavimo prietaisas

Termometro veikimas pagrįstas skysčio šiluminiu plėtimu.

Išrado Galilėjus 1597 m.

Termometrų tipai:

· gyvsidabrio (nuo -35 iki 750 laipsnių Celsijaus)

alkoholis (nuo -80 iki 70 laipsnių Celsijaus)

· pentanas (nuo -200 iki 35 laipsnių Celsijaus)

Svarstyklės:

Farenheito. 1732 m. pagal Farenheitą – vamzdžius pripylė spirito, vėliau perėjo prie gyvsidabrio. Skalės nulis - sniego ir amoniako mišinio temperatūra arba valgomoji druska. Vandens užšalimo temperatūra yra 32 °F. Temperatūra sveikas žmogus– 96°F. Vanduo užverda 212 °F temperatūroje.

Celsijaus. Švedų fizikas Celsius 1742. Skysčio užšalimo temperatūra yra 0°C, o virimo temperatūra 100°C.

Kelvino skalė. Anglų fizikas Viljamas Tomsonas (lordas Kelvinas) 1848 m. Pradinis taškas yra „ absoliutus nulis" -273,15°С. Esant tokiai temperatūrai, terminis molekulių judėjimas sustoja. 1°K=1°C

Tiesą sakant, absoliutus nulis nepasiekiamas.

Kasdieniame gyvenime ir technologijosešiluminis plėtimasis yra labai svarbus. Ant elektros geležinkeliaiŽiemą ir vasarą būtina išlaikyti nuolatinį elektros lokomotyvus maitinančio laido įtampą. Norėdami tai padaryti, laido įtempimas sukuriamas kabeliu, kurio vienas galas yra prijungtas prie laido, o kitas permetamas per bloką ir ant jo pakabinamas krovinys.

Statant tiltą vienas santvaros galas dedamas ant volų. Jei tai nebus padaryta, tada, kai vasarą ji išsiplės, o žiemą susitrauks, santvara atlaisvins atramas, ant kurių remiasi tiltas.

Gaminant kaitinamąsias lempas dalis stiklo viduje einančio laido turi būti pagaminta iš medžiagos, kurios plėtimosi koeficientas yra toks pat kaip stiklo, kitaip jis gali įtrūkti.

Elektros linijos laidai niekada nėra įtempti, kad nenutrūktų.

Garo vamzdynuose įrengti posūkiai ir kompensatoriai.

Didelį vaidmenį vaidina terminis oro plėtimasis vaidmenį gamtos reiškiniuose. Šiluminis oro plėtimasis sukuria judėjimą oro masės vertikalia kryptimi (šildoma, mažiau tankus oras pakyla aukštyn, šalta ir mažiau tanki žemyn). Netolygus oro įkaitimas skirtingos dalysžemė sukelia vėją. Netolygus vandens šildymas sukelia sroves vandenynuose.

Šildant ir vėsinant akmenys Dėl kasdienių ir metinių temperatūros svyravimų (jei uolienų sudėtis nevienalytė) susidaro įtrūkimai, kurie prisideda prie uolienų sunaikinimo.

Žemės paviršiuje gausiausia medžiaga yra vandens- turi savybę, kuri išskiria jį iš daugelio kitų skysčių. Jis plečiasi kaitinant tik virš 4 °C. Nuo 0 iki 4 °C vandens tūris, atvirkščiai, kaitinant mažėja. Taigi didžiausias vandens tankis yra 4 °C temperatūroje. Šie duomenys susiję su gėlu (chemiškai grynu) vandeniu. Didžiausias jūros vandens tankis yra maždaug 3 °C. Slėgio padidėjimas taip pat sumažina didžiausio tankio vandens temperatūrą.

Kūno linijinių matmenų pokytis kaitinant yra proporcingas temperatūros pokyčiui.

Didžioji dauguma medžiagų kaitinant plečiasi. Tai lengvai paaiškinama mechaninės šilumos teorijos požiūriu, nes kaitinant medžiagos molekulės arba atomai pradeda judėti greičiau. Kietosiose medžiagose atomai pradeda vibruoti didesne amplitude aplink savo vidutinę padėtį kristalinėje gardelėje, ir jiems reikia daugiau laisvos vietos. Dėl to kūnas plečiasi. Taip pat skysčiai ir dujos didžiąja dalimi plečiasi didėjant temperatūrai, nes didėja laisvųjų molekulių šiluminio judėjimo greitis ( cm. Boyle-Marriott dėsnis, Charleso įstatymas, idealių dujų būsenos lygtis).

Pagrindinis šiluminio plėtimosi dėsnis teigia, kad linijinio dydžio kūnas L atitinkamame matmenyje, kai jo temperatūra padidėja Δ T plečiasi dydžiu Δ L, lygus:

Δ L = αLΔ T

Kur α — vadinamasis linijinio šiluminio plėtimosi koeficientas. Yra panašių formulių, skirtų kūno ploto ir tūrio pokyčiams apskaičiuoti. Paprasčiausiu pateiktu atveju, kai šiluminio plėtimosi koeficientas nepriklauso nei nuo temperatūros, nei nuo plėtimosi krypties, medžiaga tolygiai plėsis visomis kryptimis griežtai pagal aukščiau pateiktą formulę.

Inžinieriams šiluminis plėtimasis yra gyvybiškai svarbus. svarbus reiškinys. Projektuojant plieninį tiltą per upę žemyninio klimato mieste, neįmanoma neatsižvelgti į galimus temperatūros pokyčius, svyruojančius nuo -40°C iki +40°C ištisus metus. Tokie pokyčiai sukels pokyčius bendras ilgis tiltas iki kelių metrų, o kad vasarą tiltas nesusvyruotų, o žiemą nepatirtų didelių tempimo apkrovų, projektuotojai tiltą komponuoja iš atskirų atkarpų, sujungiant jas specialiomis šiluminio buferio jungtys, kurios yra dantų eilės, kurios susijungia, bet nėra tvirtai sujungtos, stipriai užsidaro karštyje ir gana plačiai išsiskiria šaltyje. Įjungta ilgas tiltas tokių buferių gali būti nemažai.

Tačiau ne visos medžiagos, ypač kristalinės kietosios medžiagos, vienodai plečiasi visomis kryptimis. Ir ne visos medžiagos vienodai plečiasi skirtingos temperatūros. Dauguma ryškus pavyzdys paskutinė rūšis- vanduo. Atvėsęs vanduo pirmiausia susitraukia, kaip ir dauguma medžiagų. Tačiau nuo +4°C iki 0°C užšalimo temperatūros vanduo vėsdamas pradeda plėstis, o kaitinant – trauktis (remiantis aukščiau pateikta formule, galima teigti, kad temperatūros diapazone nuo 0°C iki +4°C vandens šiluminio plėtimosi koeficientas α priima neigiama vertė). Taip yra dėl šio reto efekto žemės jūros o vandenynai iki dugno neužšąla net labiausiai stiprių šalnų: vanduo, šaltesnis nei +4°C, tampa mažiau tankus nei šiltesnis ir plūduriuoja į paviršių, išstumdamas vandenį, kurio temperatūra aukštesnė nei +4°C, į dugną.

Ką turi ledas savitasis svoris mažesnis už vandens tankį yra dar viena (nors ir nesusijusi su ankstesne) anomali vandens savybė, kuriai mes skolingi gyvybės egzistavimui mūsų planetoje. Jei ne šis efektas, ledas nugrimztų į upių, ežerų ir vandenynų dugną, o jie vėl užšaltų iki dugno, sunaikindami visus gyvius.

Daugumos medžiagų tūris didėja tirpstant ir mažėja kietėjant, taip pat keičiasi medžiagos tankis.

Medžiagos tankis mažėja tirpstant ir didėja kietėjant. Tačiau yra medžiagų, tokių kaip, pavyzdžiui, silicis, germanis, bismutas, kurių tankis didėja lydantis ir mažėja kietėjant. Šios medžiagos taip pat apima ledą (vanduo).

Patirtis rodo, kad didžiausias vandens tankis yra 4°C temperatūroje. Tai paaiškinama struktūrinėmis savybėmis kristalinė gardelė ledas. Jei į skysta būsena molekulesH2O yra išsidėstę arti vienas kito, tuomet kristalizacijos metu atstumas tarp šalia esančių molekulių didėja ir kristale tarp molekulių susidaro „tuštumos“. Todėl vandens tankis yra didesnis nei ledo ir pasiekia didžiausia vertė esant 4°C temperatūrai kylant arba nukritus nuo 4°C, vandens tankis mažėja ir tūris didėja.

Dėl to, kad beveik 80% Žemės paviršiaus yra padengta vandeniu, jo šiluminio plėtimosi ypatybės turi didžiulę įtaką Žemės klimatui. Kaitinant vandenį atviruose rezervuaruose 1-2°C temperatūroje, nuolat keičiasi skirtingos temperatūros vandens sluoksniai. Tai vyksta tol, kol* pasiekiama maksimalią tankį atitinkanti temperatūra. Toliau kaitinant, viršutiniai sluoksniai tampa mažiau tankūs, todėl lieka viršuje. Tai paaiškina faktą, kad giliuose rezervuaruose vandens temperatūra, pradedant nuo tam tikro gylio, yra artima didžiausio vandens tankio temperatūrai.

Ši vandens šiluminio plėtimosi savybė paaiškina tai, kad rezervuarai žiemą neužšąla iki dugno. Atvėsus, kol paviršinio sluoksnio temperatūra pasiekia 4°C, tankis būna didesnis šilto vandens mažesnio tankio nei šaltesnio vandens, todėl šiltesnis vanduo pakyla, o šaltesnis nusileidžia.

Temperatūros diapazone nuo 0 iki 4°C tankio reikšmės keičiasi: dabar aukštesnės temperatūros vanduo nusileidžia žemyn, o šaltesnis juda aukštyn ir vėsdamas užšąla.

Vandens plėtimasis užšalimo metu sunaikina uolienas ir indus, kuriuose jis yra.

2. Foto efektas.

1900 metais vokiečių fizikas Maxas Planckas iškėlė hipotezę: šviesa išspinduliuojama ir sugeriama atskiromis dalimis – kvantais (arba fotonais). Kiekvieno fotono energija nustatoma pagal formulę E = hv, kur h yra Planko konstanta, lygi6,63 10 J s, v - šviesos dažnis. Plancko hipotezė paaiškino daugybę reiškinių: ypač fotoelektrinio efekto reiškinį, kurį 1887 m. atrado vokiečių mokslininkas Heinrichas Hertzas ir eksperimentiškai ištyrė rusų mokslininkas Aleksandras Grigorjevičius Stoletovas.

Fotoelektrinis efektas yra reiškinys, kai medžiaga, veikiama šviesos, išskiria elektronus. Jei įkrausite cinko plokštė, prijungtas prie elektrometro, neigiamai ir jį apšviesti elektros lankas(35 pav.), elektrometras greitai išsikraus.

Atlikus tyrimą buvo nustatyti šie empiriniai modeliai:

- elektronų, išspinduliuotų šviesos iš metalo paviršiaus per 1 s, skaičius yra tiesiogiai proporcingas per šį laiką sugertos šviesos bangos energijai;

- maksimali fotoelektronų kinetinė energija didėja tiesiškai didėjant šviesos dažniui ir nepriklauso nuo jos intensyvumo.

Be to, buvo nustatytos dvi pagrindinės savybės.

Pirma, fotoelektrinis efektas be inercijos: procesas prasideda iškart apšvietimo momentu.

Antra, kiekvieno metalo minimalaus dažnio charakteristikos buvimasvmin - raudono krašto nuotraukos efektas . Šis dažnis toks, kad kadav< vmin Fotoelektrinis efektas atsiranda ne esant bet kokiai šviesos energijai, bet jeiv > vmin, tada fotoelektrinis efektas prasideda net esant mažai energijai.

Fotoelektrinio efekto teoriją sukūrė vokiečių mokslininkas A. Einšteinas 1905 m.

Einšteino teorija remiasi elektronų iš metalo darbo funkcijos koncepcija ir šviesos kvantinės spinduliuotės samprata. Pagal Einšteino teoriją fotoelektrinis efektas turi tokį paaiškinimą: sugerdamas šviesos kvantą, elektronas įgyja energijos.hv . Išeinant iš metalo, kiekvieno elektrono energija sumažėja tam tikru dydžiu, kuris vadinamasdarbo funkcija (Avyh). Darbo funkcija yra darbas, reikalingas elektronui pašalinti iš metalo.

Todėl maksimali elektronų kinetinė energija po emisijos (jei nėra kitų nuostolių) yra lygi:tv /2 - hv - Avychas. Vadinasi, . Ši lygtis vadinama Einšteino lygtimi.

Jeiguhv< Авых , tada fotoelektrinis efektas neatsiranda. Tai reiškia, kad raudona fotoelektrinio efekto riba yra lygivmin = A/ h .

Prietaisai, pagrįsti fotoelektriniu efektu, vadinami fotoelementais. Paprasčiausias toks prietaisas yra vakuuminis fotoelementas. Tokio fotoelemento trūkumai yra maža srovė, mažas jautrumas ilgųjų bangų spinduliuotei, gamybos sunkumai, negalėjimas naudoti grandinėse. AC. Naudojamas fotometrijoje šviesos stipriui, ryškumui, apšvietimui matuoti, kine garso atkūrimui, fototelegrafuose ir fotofonuose, gamybos procesų valdymui.

Yra puslaidininkinių fotoelementų, kuriuose veikiant šviesai keičiasi srovės nešėjų koncentracija. Jie naudojami automatiniam elektros grandinių valdymui (pavyzdžiui, metro turniketuose), kintamosios srovės grandinėse, kaip neatsinaujinantys srovės šaltiniai laikrodžiuose, mikroskaičiuotuvuose, bandomi pirmieji saulės automobiliai, naudojami saulės baterijose dirbtiniai Žemės palydovai, tarpplanetinės ir orbitinės automatinės stotys.

Fotoelektrinio efekto reiškinys siejamas su fotocheminiais procesais, vykstančiais veikiant šviesai fotografijos medžiagose.