Pozor! Jste na staveništi. Více informací zde.
logo RVP.CZ
Přihlásit se
Titulka > Modul články > Gymnaziální vzdělávání

Zobrazit na úvodní stránce článků

LED a laser

Praktický příspěvek
inspirace

Téměř všechny elektrické spotřebiče, které každý den používáme, využívají k indikaci svých různých funkcí LED (Light Emitting Diode). Proto by se žáci středních škol měli se základní funkcí LED seznámit. V následujícím článku bude popsán základní fyzikální experiment vysvětlující kvalitativně činnost LED a jeden zajímavý experiment, který lze použít i jako motivaci k výkladu kvantové fyziky.

Teorie

LED je polovodičová součástka, která po připojení ke zdroji napětí a dodržení správné polarity emituje světlo. Barva emitovaného světla je závislá na materiálu polovodičů, ze kterých se vyrábí vlastní čip LED. Světlo vzniká v čipu LED na základě fyzikálního děje zvaného rekombinace, při kterém se spojují volné elektrony a díry v polovodičích čipu LED, a uvolněná energie se mění na světelnou energii.

Polovodičová LED je (tak jako většina polovodičových součástek) závislá na polaritě zdroje napětí. Proto je nutné ji připojit ke zdroji napětí správně, tj. katodu LED (zápornou elektrodu), která je u LED tvořena kratším drátkem než anoda, musíme připojit k zápornému pólu zdroje. Aby LED emitovala světlo, musí být připojena k napětí, jehož hodnota dosahuje minimálně tzv. prahového napětí. To je závislé na materiálu čipu LED (a tedy i na barvě světla, které LED emituje). Při připojení k napětí, které je menší než prahové napětí, LED nesvítí.

Detailněji je LED popsána v [1].

Popis experimentů

K experimentům budeme potřebovat LED (nejlépe červené barvy), zdroj napětí, spojovací vodiče a pro druhý experiment také laserové ukazovátko (svítící červeně) a voltmetr (viz obr. 1). Z důvodu ochrany LED před velkým elektrickým proudem, který by ji mohl zničit, je vhodné použít ochranný rezistor o odporu např. 100 Ω. Pokud tento ochranný rezistor do obvodu nezařadíme a použijeme-li zdroj napětí do přibližně 5 V, LED se při krátkodobém zapojení nezničí. Nicméně i tento typ znalostí by žáci měli postupně získávat: při dlouhodobém používání LED nebo při zapojení k vyššímu napětí by se LED poničila. Proto by žáci měli funkci ochranného rezistoru postupně pochopit, protože v řadě technických aplikací je jeho použití nezbytné!

Pomůcky nutné k experimentům
1. Pomůcky nutné k experimentům
Autor díla: Jaroslav Reichl

Obvod zapojíme dle schématu na obr. 2 a pozorujeme, že LED svítí (viz obr. 3). Elektrická energie zdroje napětí se tedy v LED mění na světelnou energii. Pokud zapojíme LED ke zdroji napětí s opačnou polaritou, LED svítit nebude. Přechod PN, který je součástí čipu LED, je totiž v tomto druhém kroku experimentu zapojen v závěrném směru a elektrický proud jím neprochází. Při použití ploché baterie s elektromotorickým napětím 4,5 V poničení LED nehrozí, ale v případě zapojení k vyššímu napětí by se LED při tomto zapojení mohla poničit.

Připojení LED ke zdroji napětí
2. Připojení LED ke zdroji napětí
Autor díla: Jaroslav Reichl

 

Připojení LED ke zdroji napětí
3. Připojení LED ke zdroji napětí
Autor díla: Jaroslav Reichl

K provedení druhého experimentu budeme potřebovat laserové ukazovátko, které emituje světlo téže barvy, jako je barva emitovaná LED. Před vlastním použitím laserového ukazovátka ve třídě je vhodné žáky upozornit na jeho nebezpečí. Vyplatí se žáky i mírně vyděsit, neboť neopatrné zacházení s laserovým ukazovátkem (i malého výkonu) může být nebezpečné. Pokud dopadne přímé světlo z laseru nebo světlo odražené od lesklých ploch (zrcadla, skleněné výplně skříní, …) do oka, může být nevratně poškozena i sítnice oka! A toto poškození žáci přitom nemusejí vnímat okamžitě; poškození sítnice se objeví až v pokročilém věku, kdy už sítnice nebude vyživována tak, jako byla vyživována v mládí, a vady sítnice se tak začnou projevovat.

LED v tomto případě připojíme k voltmetru. Ochranný rezistor do obvodu zapojovat nebudeme - chceme měřit napětí na samotné LED. K horní části plastového pouzdra LED přiblížíme ve směru podélné osy LED laserové ukazovátko (viz obr. 4). Ukazovátko zapneme a sledujeme údaj voltmetru připojeného k LED. Na obr. 5 je zobrazen experiment, během kterého voltmetr ukázal hodnotu 0,187 V. Toto napětí bylo generováno světlem z laseru, které dopadlo na čip LED.

Osvit LED laserem
4. Osvit LED laserem
Autor díla: Jaroslav Reichl

 

Průběh experimentu
5. Průběh experimentu
Autor díla: Jaroslav Reichl

 

Vysvětlení experimentu

Příčina vzniku elektrického napětí, které bylo měřeno voltmetrem, spočívá ve fotoelektrickém jevu (též fotoefekt). Dopadem světla na čip LED nastala generace - tj. vytvořily se páry elektron - díra. Energii nutnou ke vzniku těchto párů dodalo dopadající světlo z laseru.

Pokud osvětlíme výše popsaným způsobem laserem emitujícím červené světlo LED, která emituje např. zelené světlo, bude měřené napětí nižší, případně voltmetr neukáže napětí žádné. Příčinou je fakt, že fotoefekt nastává jen tehdy, je-li daný materiál (v tomto případě materiál čipu LED) ozářen elektromagnetickým zářením jisté mezní frekvence (případně zářením s frekvencí vyšší - viz detailněji [2]). Vzhledem k tomu, že červené světlo (které je emitováno použitým laserem) má nejnižší frekvenci, může způsobit fotoefekt pouze na materiálu citlivém na červenou barvu světla. V případě použití laseru, který emituje zelené světlo, by bylo možné největší napětí získat z LED emitující zelené světlo a nižší napětí z LED, která emituje červené světlo.

V případě pochybností o aktuálnosti či funkčnosti příspěvku využijte tlačítko „Napište nám“.
Napište nám