Foto-elektrisch effect en satellieten (quantum)

Onderwerp: Quantumwereld

Over lading van satellieten aan zon- en schaduwkant van de aarde

Deze opgave komt uit de lesmethode Nova Natuurkunde 6 vwo|gymnasium, uit het hoofdstuk Quantumwereld. Uitgeverij: Malmberg.

Het foto-elektrisch effect treedt op bij satellieten in een baan om de aarde.

Vraag a. Welke lading krijgen satellieten wanneer ze zich aan de zonkant van de aarde bevinden?

Een positieve lading, want er verdwijnen elektronen door het foto-elektrisch effect.

Vraag b. Leg uit dat er uiteindelijk een evenwicht ontstaat waarbij de lading van de satellieten constant blijft.

Hoe sterker positief geladen de satelliet is, hoe sterker hij losgemaakte elektronen zal aantrekken. Op een gegeven moment komen er evenveel elektronen terug door de elektrostatische aantrekking als er worden losgemaakt.

Aan de schaduwkant van de aarde krijgt een satelliet een andere lading. Rond de aarde bevindt zich een zogenaamd plasma: een fase waarbij elektronen en ionen deels vrij van elkaar bewegen. Het plasma bestaat voornamelijk uit elektronen, protonen en He+-ionen.

Vraag c. Zoek in Binas op hoeveel energie (in eV) er nodig is om uit een He-atoom een He+-ion te vormen.

Binas tabel 21C geeft 24,59 eV.

Vraag d. Welke golflengte moet een foton hebben om een He-atoom te ioniseren? Om welk soort elektromagnetische straling gaat het hier?

De golflengte wordt gegeven door:

$\lambda = \frac{hc}{E_{f}} = 50,\!42 \text{ nm}$

Dit ligt in de ultra-violette straling.

De kinetische energie is voor alle geladen deeltjes in het plasma rond de aarde even groot.

Vraag e. Leg uit welke deeltjes (elektronen, protonen, He+-ionen) de grootste snelheid hebben?

$E = \frac{1}{2}mv^{2} \rightarrow v = \sqrt{\frac{2E}{m}}$

Kinetische energie voor alle deeltjes gelijk, dus hoe kleiner de massa, hoe groter de snelheid. Dan hebben de elektronen de grootste snelheid.

Vraag f. De geladen deeltjes komen van alle kanten op een satelliet af. Leg uit welk soort geladen deeltjes per seconde het meest tegen de satelliet zal botsen.

De elektronen hebben een grote snelheid, en dus zullen deze in een seconde uit een groot gebied de satelliet bereiken en er tegenaan botsen.

Vraag g. Welke lading krijgt de satelliet in de schaduw van de aarde?

Uit het antwoord bij opgave f volgt dat de satelliet een negatieve lading zal krijgen.

Vraag h. Waarom zal de satelliet vooral last hebben van deze lading aan de zonkant van de aarde?

Aan de schaduwkant zal de satelliet als geheel negatief geladen worden. Dat is op zich niet zo erg. Aan de zonkant zal de ene kant van de satelliet positief geladen worden (zie opgave a) en aan de andere kant negatief (zie opgave g). Dan krijg je een spanning over een deel van de satelliet. Bij een ontlading (dus stroom) kunnen elektrische componenten beschadigd raken.