Если увеличить световой поток на более низких частотах, фотоэффект не возникнет. Как можно объяснить этот феномен? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.
Фотоэлектрические эффекты можно разделить на несколько типов, которые зависят от производимых свойств и функций:
- Внешний фотоэлектрический эффект. Другое его название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, которые выходят за границы вещества при возникновении внешнего фотоэлектрического эффекта, называются фотоэлектронами. Электрический ток, создаваемый фотоэлектронами при их упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком.
- Внутренний фотоэлектрический эффект. Это влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект возникает при перераспределении электронов в диэлектриках и полупроводниках в зависимости от их физического состояния (жидкость или твердое тело) и энергии. Явление перераспределения происходит под действием светового потока. Только это действие увеличивает электропроводность вещества, т.е. возникает эффект фотопроводимости.
- Вентильный фотоэлектрический эффект. Переход фотоэлектронов от собственного тела к другому телу (твердому полупроводнику) или к электролиту (жидкости) называется этим эффектом.
Вакуумные элементы работают на основе внешнего фотоэлектрического эффекта. Они выпускаются в виде стеклянных колб. Часть их внутренней поверхности покрыта тончайшим слоем напыленного металла. Такая тонкость позволяет генерировать небольшой рабочий ток. Окно в лампе прозрачное и пропускает свет.
Анод в виде диска или проволочной петли, расположенный внутри лампы, задерживает фотоэлектроны. Когда анод подключен к положительному полюсу источника питания, цепь замыкается и течет электрический ток. Другими словами, вакуумные элементы могут переключать реле.
С помощью комбинации реле и фотоэлементов можно создавать различные автоматизированные системы с электронным зрением, например, на входах в метро. Внешний фотоэлектрический эффект заложен во многих промышленных процессах и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматизации в промышленности.
Конструкция и принцип работы
Электрическая цепь батареи состоит из хорошо очищенной цинковой пластины, медной сетки и чувствительного гальванометра.
Когда пластина освещается ультрафиолетовым светом, в цепи возникает электрический ток. Это означает, что свет выбивает электроны из металла. Это явление называется фотоэлектрическим эффектом.
Давайте поставим стекло на пути лучей, чтобы блокировать ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.
Вакуумный цилиндр. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом является металлическое кольцо.
Подайте напряжение. Ток в цепи отсутствует. Теперь осветите элемент, и появится ток. Когда напряжение снимается, ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения фототок увеличивается и достигает насыщения.
Когда напряжение отсутствует, в цепи течет ток. Чтобы остановить фототок, приложите к аноду отрицательный удерживающий потенциал.
Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения к источнику света величина потока увеличивается. Фототок насыщения также увеличивается. Фототок насыщения прямо пропорционален световому потоку. Это первый закон фотографического эффекта.
Давайте выясним, какую роль играет длина волны света в фотоэлектрическом эффекте. Давайте установим фильтр синего света. В данном случае мы имеем дело с током. При использовании зеленого фильтра ток уменьшается. При желтом фильтре ток отсутствует. Для каждого вещества существует определенная пороговая частота, ниже которой фотоэлектрический эффект отсутствует. Это долгосрочный предел фотоэлектрического эффекта.
Если увеличить световой поток на более низких частотах, то фотоэффекта не будет. Как можно объяснить этот феномен? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.
Ученые также пришли к выводу, что свет испускается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. Когда фотон поглощается, энергия переходит в работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает значение 2-го закона фотоэлектрического эффекта.
Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. Когда свет взаимодействует с металлом, наблюдается внешний фотоэлектрический эффект. Экспериментальная схема исследователей послужила прототипом для устройств с внешним фотоэлектрическим эффектом.
Слой светочувствительного вещества и кольцевой анод находятся в вакуумном или газонаполненном пузырьке. Имеющиеся в продаже фотоэлементы работают по этому принципу.
Существует большая группа элементов, свойства которых изменяются под воздействием света. Это полупроводники. Они являются основой для фоточувствительных устройств с так называемым внутренним фотоэлектрическим эффектом.
Фоторезистор
Рассмотрим проволочный резистор, изготовленный из полупроводника. Давайте подключим его к электрической цепи. При воздействии света происходит очень сильное изменение электрического сопротивления, и сила тока увеличивается. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как создается внутренний фотоэффект?
Рассмотрим элемент германий. Он является четырехвалентным. На диаграмме показана стабильная полупроводниковая структура. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна для разрыва связи между электроном и атомом, электрон становится свободным и блуждает по кристаллу. На его месте появляется так называемая дыра. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.
Приложите разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так работает фоторезистор.
При воздействии света появляются носители, проводимость быстро увеличивается, и ток в цепи возрастает.
Проводимость очень чистых полупроводников низкая. Его можно увеличить, добавив примесь другого элемента. Добавьте, например, атомы мышьяка. Они имеют более высокую стоимость. При этом часть электронов остается свободной. Это увеличивает проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. Индий имеет более низкую валентность. Он захватывает электроны из кремния, увеличивая количество дырок. Проводимость становится дырой. Такое загрязнение дает материал p-типа.
Свяжите вместе два полупроводника n-типа и p-типа. На границе раздела происходит перераспределение заряда. Дырки попадают в p-область, а электроны – в n-область, пока на границе не появится электрическое поле, препятствующее дальнейшему перераспределению. Это создает двойной слой заряда, который называется p-n-переходом.
Благодаря фотоэлектрическому эффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Создается разность потенциалов.
Если цепь замкнута, возникает электрический ток. Этот эффект может быть использован для прямого преобразования световой энергии в электрическую. На этом принципе работают преобразователи световой энергии, в прожекторах, люксметрах и солнечных батареях.
Фотодиод
Простой фотодиод – это простой полупроводниковый диод с p-n-переходом, на который может воздействовать световой луч. В результате материал меняет свои свойства и может выполнять различные функции в цепи электрического тока. В отсутствие света диод обладает обычными свойствами.
Комбинируя эти структуры, можно создать фототранзистор. Луч света управляет его работой.
Фотоэлемент – это компонент системы, который помогает обеспечить безопасное использование автоматики. Без фотоэлементов автоматика будет работать в базовом режиме, не понимая, что в зоне прохода или проезда есть объект или препятствие.
Твердотельные фотоэлементы
Твердотельные фотоэлементы могут включать в себя:
1. фоторезисторы. Фоторезисторы .
это полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которых изменяется под воздействием светового потока. Принцип действия фоторезисторов основан на использовании присущего им фотоэлектрического эффекта. Суть его в том, что под воздействием световой энергии в полупроводнике появляются дополнительные носители заряда – электроны и дырки, то есть образуется дополнительная проводимость, которую мы называем полупроводниковой фотопроводимостью. В этом случае сопротивление полупроводника уменьшается. Для создания свободных электронов внутри полупроводника требуется меньше энергии, чем для выбивания электронов из полупроводника. Поэтому чувствительность фоторезисторов выше, чем у вакуумных и газовых фотоэлементов.
2.Клапанные фотоэлементы. В клапанных фотоэлементах световая энергия непосредственно преобразуется в электрическую, поэтому они не требуют внешнего источника тока.
Принцип действия вентильного фотоэлемента (фотовольтаики) основан на использовании барьерного слоя, образованного p-n-переходом.
Когда фотоэлектрический элемент облучается, кванты света, попадающие на p-n-переход, увеличивают число неактуальных носителей заряда – дырок в n-области и электронов в p-области. В результате в p-n-переходе возникает избыток заряда, который создает дополнительную разность потенциалов на внешних контактах фотоэлемента, называемую электродвижущая сила.
Когда цепь замкнута, под действием фотоэлектродвижущей силы, которая зависит от интенсивности светового потока, падающего на фотоэлемент, будет протекать электрический ток.
Особый тип солнечных элементов – кремниевые элементы, которые используются для изготовления солнечных батарей, непосредственно преобразующих солнечную энергию в электричество.
3. фотодиоды. Фотодиод
это двухэлектродный полупроводниковый прибор с одним электронно-дырочным переходом, обратный ток которого изменяется под воздействием лучистой энергии и является его рабочим током.
Фотодиод по своей конструкции похож на фотоэлемент клапана.
Фотодиоды могут включаться двумя способами: с внешним электропитанием или без него. Способ работы фотодиода с внешним источником питания называется фотодиодом, а без источника питания – вентильным фотодиодом или фотоэлектрическим фотодиодом,
Фотодиоды широко используются в качестве приемников лучистой энергии в различных радиоэлектронных устройствах.
4 Фототранзисторы. Фоторезисторы и фотодиоды являются пассивными преобразователями лучистой энергии, т.е. не обладают усиливающими свойствами. В отличие от этих устройств, фототранзисторы являются активными преобразователями, в которых происходит не только преобразование лучистой энергии, но и ее усиление.
Структурно фототранзистор представляет собой планарную транзисторную структуру p-p-p
или
p-p-p
тип
.
Фототранзистор имеет три электрода: эмиттер, коллектор и базу, причем область базы облучается потоком лучистой энергии.
Конструктивно фототранзисторы заключены в металлический корпус
Фототранзисторы, как и фотодиоды, используются в качестве рецепторов лучистой энергии в различных фотоэлектронных устройствах.
5 светодиодов. A LED
это полупроводниковый диод с одним электронно-дырочным переходом, в котором электрическая энергия преобразуется непосредственно в лучистую энергию (видимую или инфракрасную) путем рекомбинации электронов и дырок.
В обычных диодах процесс рекомбинации заканчивается выделением энергии, которая возвращается в кристаллическую решетку, т.е. преобразуется в тепло. Однако в полупроводниках на основе арсенида галлия и карбида кремния свет излучается во время процесса рекомбинации.
Высокая надежность, длительный срок службы и низкая стоимость делают светодиоды особенно подходящими для использования в современных компьютерных системах (например, в схемах дисплея, системах фотопамяти и т.д.).
Широко используются не одиночные светодиоды, а массивы светодиодов, которые могут воспроизводить цифры или буквы от A до Z, применяются в устройствах отображения информации и различных дисплеях.
6 Оптронов.Светодиоды широко используются при разработке нового класса устройств, называемых
Они состоят из источника излучения – светодиода – и приемника излучения (фоторезистора, фотодиода, фототранзистора), соединенных оптической средой и конструктивно объединенных между собой.
Вход и выход оптопары электрически изолированы. Оптическая среда для распространения сигнала от передатчика к приемнику может быть представлена оптическим волокном, которое представляет собой прозрачное диэлектрическое волокно. Луч света входит в конец оптического волокна и, после многократного отражения от боковых стенок оптического волокна, выходит на другом конце оптического волокна.
Оптическое волокно может использоваться для размещения приемника на значительном расстоянии от передатчика, обеспечивая им высокую электрическую изоляцию при сохранении контроля без помех.
Оптроны используются в схемах быстрого переключения, генераторах, согласовании высокого и низкого напряжения, измерении высокого напряжения, схемах усиления и модуляции.
Оптроны являются строительными блоками для новой области электроники – оптоэлектроники
Под действием электромагнитного излучения, в том числе светового, электроны вещества, поглощающего излучение, могут приобретать дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе вещество-среда. Таким образом, поток света может вызвать эмиссию электронов из различных материалов при определенной энергии фотонов, которая зависит от частоты излучения.
Как устроен фотоэлектрический элемент
Фотоэлектрическое устройство это преобразователь лучистой энергии, благодаря которому изменяются электрические свойства вещества внутри устройства.
Работа фотоэлектрических устройств основана на фотоэлектрических явлениях (фотоэлектрических эффектах). Существует два типа фотоэлектрического эффекта: внутренний и внешний.
Внутренний фотоэффект – это возбуждение электронов вещества, т.е. их переход на более высокий энергетический уровень под воздействием излучения, что приводит к изменению концентрации свободных носителей заряда и, следовательно, к изменению электрических свойств вещества.
Внешний фотоэлектрический эффект – это фотоэлектронная эмиссия, т.е. движение электронов от поверхности вещества под воздействием излучения.
Под воздействием электромагнитного излучения, в том числе светового, электроны вещества, поглощающего излучение, могут получить дополнительную энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера на границе вещество-среда. Таким образом, поток света может вызвать эмиссию электронов из различных материалов при определенной энергии фотонов, которая зависит от частоты излучения.
Внешний фотоэлектрический эффект лежит в основе фотоэлементыа также фотоэлектронные умножители (фотоумножители).
Электронный фотоэлемент (photocell) – электровакуумный прибор с двумя электродами – катодом и анодом – помещенными внутрь стеклянного пузырька. В колбе создается такой же вакуум, как и в электронных вакуумных приборах.
Катод К фотоэлемента (рис. 1, а) представляет собой тонкий слой светочувствительного материала, расположенный на внутренней поверхности колбы. Площадь поверхности катода достигает нескольких квадратных сантиметров. Фотокатоды изготавливаются из материалов, которые являются эффективными эмиттерами электронов при освещении излучением соответствующей длины волны.
Анод А Катод и анод фотокатода изготовлены из колец никелевой проволоки, петель или тонкой металлической сетки, что позволяет световому лучу свободно проходить к катоду. Выводы катода и анода расположены на одной или двух удаленных базах.
Рисунок 1. Устройство (а) и маркировка пиктограммами (б) электронного светового барьера
Схематически электронные фотоэлементы показаны на рисунке 1, б.
Рис. 2. Коммутационная диаграмма электронного фотоэлемента
Если к фотоэлементу (рис. 2), на катод которого поступает световой поток Фприкладывается анодное напряжение Uаподается, в цепи возникает фототок Iф через нагрузочный резистор Rн. Фототок, как следует из закона Столетова, пропорционален световому потоку при определенных условиях. Таким образом, энерго-токовые характеристики электронного фотоэлемента (рис. 3) практически линейны в широком диапазоне изменения потока.
Рис. 3 Энергетический отклик электронного фототока
При высокой освещенности энергетический отклик становится нелинейным, его крутизна уменьшается из-за образования пространственного заряда на поверхности фотокатода.
Ионные фотоэлементы. Ионные фотоэлементы используют свойства темного газового разряда. Их конструкция аналогична электронным фотоэлементам. Разница заключается в том, что после удаления воздуха в колбу добавляется инертный газ (обычно аргон). В ионных фотоэлементах используются те же катоды, что и в электронных.
Инертный газ вводится в фотоэлемент для повышения его чувствительности, в результате чего чувствительность повышается в несколько раз по сравнению с соответствующим электронным фотоэлементом. Такое повышение чувствительности вызвано возникновением темного разряда в приборе. Вторичные электроны, возникающие в результате этого разряда, вызывают увеличение тока. Это явление называется газовым усилением.
Фотоэлектронный умножитель (ФУМ) Фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) – это электровакуумный прибор, в котором ток фотоумножителя усиливается за счет вторичной электронной эмиссии. Помимо фотокатода и анода, фотоумножитель содержит один или несколько электродов, которые являются вторичными эмиттерами электронов и называются динодами. Наличие динодов позволяет многократно усиливать внутренний фототок. Фотоэлектронный умножитель производит такое же разрежение, как и электронный фотоэлемент.
Рисунок 4: Структура фотоэлектронного умножителя
Наиболее распространенными типами фотоумножителей являются электростатический и сфокусированный электронный луч. Этот тип фотоумножителя показан на рисунке 4. 4.
Источник постоянного напряжения подключается между анодом и катодом, и напряжение составляет несколько сотен вольт или несколько киловольт, в зависимости от количества динодов. Диноды подключены к делителю напряжения так, чтобы напряжение между соседними электродами составляло 50-150 В. Когда катод облучается пучком света, электроны из катода ударяют ускоряющим электрическим полем по первому диноду и выбивают на нем вторичные электроны. Вторичные электроны достигают динода под действием ускоряющего электрического поля, создаваемого напряжением между первым и вторым динодами. Д2 и выбить из него новые вторичные электроны. Движение электронов от динода к диноду с образованием новых вторичных электронов будет продолжаться до тех пор, пока поток электронов не достигнет анода, вызывая анодный ток Iа (см. рисунок 4) на анодной цепи фотоумножителя.
Фотоумножители могут использоваться для измерения очень слабых световых потоков до 10-9 лм.
Преимуществом фотоэлектронных умножителей является их высокая чувствительность. К недостаткам относятся сложность конструкции, высокая стоимость и необходимость в высоковольтном источнике питания.
К листам прикладывалось постоянное напряжение, которое можно было регулировать от 0 до 250 В. Положительный полюс источника напряжения был подключен к электроду сетки, а отрицательный – к твердому электроду. К цепи также был подключен чувствительный гальванометр.
Полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи энергии (фотоэлементы)
Фотоэлектрические элементы – это электронные устройства, предназначенные для преобразования энергии фотонов в энергию электрического тока.
Исторически первый прототип современного фотоэлемента был изобретен Александр Григорьевич Столетов в конце 19 века. Он создал прибор, работающий по принципу внешнего фотоэлектрического эффекта. Первое экспериментальное устройство состояло из пары параллельно расположенных плоских листов, один из которых был сделан из сетки для пропускания света, а другой был сплошным.
На листы подавалось постоянное напряжение, которое можно было регулировать в диапазоне от 0 до 250 вольт. Положительный полюс источника напряжения был подключен к электроду сетки, а отрицательный – к твердому электроду. К цепи также был подключен чувствительный гальванометр.
Когда сплошная пластина освещалась светом электрической дуги, стрелка гальванометра отклонялась, указывая на то, что в цепи протекает постоянный ток, хотя между пластинами был воздух. В ходе эксперимента исследователи обнаружили, что величина “фототока” зависела как от приложенного напряжения, так и от интенсивности света.
Чтобы усложнить установку, Столетов поместил электроды в цилиндр, из которого откачивался воздух, а ультрафиолетовый свет падал на чувствительный электрод через кварцевое окно. Таким образом, он обнаружил фотоэлектрический эффект.
Сегодня этот эффект является основой для фотоэлектрические преобразователи. Они реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность клетки, и преобразуют его в выходное напряжение. Примером такого преобразователя является солнечный элемент. Этот же принцип применим и к датчики освещённости.
Типичный солнечный элемент состоит из слоя светочувствительного материала с высоким сопротивлением, помещенного между двумя проводящими электродами. В солнечных батареях в качестве фотоэлектрического материала обычно используется полупроводник, который при полном освещении способен вырабатывать 0,5 В.
Такие ячейки являются наиболее эффективными с точки зрения выработки энергии, поскольку они позволяют осуществлять прямой, одномоментный перевод энергии фотонов в электричество. В нормальных условиях эффективность 28% является нормой для этих клеток.
Интенсивный фотоэлектрический эффект обусловлен неоднородностью полупроводниковой структуры рабочего материала. Эта неоднородность достигается либо путем легирования полупроводникового материала различными примесями, создавая тем самым p-n-переход, либо путем комбинирования полупроводников с различными размерами полосовой щели (энергии, при которой электроны покидают атомы), создавая тем самым гетеропереход, либо путем подбора химического состава полупроводника таким образом, что внутри него виден градиент полосовой щели (варонова структура). В результате эффективность ячейки зависит от характеристик неоднородности, возникающих в рассматриваемой полупроводниковой структуре, а также от фотопроводимости.
Чтобы снизить потери в солнечных батареях, при их производстве используется ряд решений. Во-первых, используются полупроводники, ширина полосовой щели которых оптимальна для солнечного света, например, кремний и соединения арсенида галлия. Во-вторых, свойства структуры улучшаются за счет оптимального легирования. Предпочтительны гетерогенные и дифференцированные структуры. Они выбирают оптимальную толщину слоя, глубину p-n-перехода, наилучшие параметры контактной решетки.
Также создаются каскадные элементы, в которых работают несколько полупроводников с разной полосой пропускания, так что после прохождения через один каскад свет попадает в следующий каскад, и так далее. Перспективной идеей является разложение солнечного спектра таким образом, чтобы каждая область спектра преобразовывалась отдельной частью фотоэлектрического элемента.
В настоящее время на рынке представлены три основных типа фотоэлектрических элементов: монокристаллический кремний, поликристаллический кремний и тонкая пленка. Тонкопленочные элементы считаются наиболее перспективными, поскольку они чувствительны даже к рассеянному свету, позволяют размещать их на изогнутых поверхностях, не такие хрупкие, как кремниевые элементы, и эффективны даже при высоких рабочих температурах.
Если вам понравилась эта статья, пожалуйста, поделитесь ею в социальных сетях. Это очень поможет нам в развитии нашего сайта!
Какое устройство обеспечивало озвучивание в немом кино?
Как работает фотоэлемент?
Все мы ходили в кино. До недавнего времени, 20-25 лет назад, он был известен как Великий немой кинотеатр. В кинотеатре показывали только живые картины с пояснениями. Однако теперь Великое немое кино заговорило: в кинотеатре слышны всевозможные звуки – звуки боя и шелест веток, разговоры и пение.
Какая машина сделала немое кино звуковым?
Посмотрите на рисунок 1. Вы видите очень маленькую и очень простую на вид машину. Это небольшая электрическая машина. Его называют “звуковой машиной”. фотоэлемент.
Рис. 1. Внешний вид современного фотоэлемента.
Только с изобретением этого устройства стало возможным озвучить немой фильм.
Это одна из основных частей звукового кинематографа.
Фотоэлемент используется не только в кино. Он очень широко используется в современной жизни, и области применения фотоэлемента безграничны.
Передача изображений по телеграфным проводам и радиоволнам, автоматическое включение и выключение различных машин и оборудования, контроль качества продукции, максимально точное измерение освещенности – все это осуществляется с помощью фотоэлементов.
Электрический ток в фотоэлементе создается светом. Это устройство работает только в том случае, если на него падает свет. По этой причине фотоэлемент часто называют “электрическим глазом”. Электрический глаз” способен безупречно считать, отбраковывать, предотвращать несчастные случаи, добросовестно выполнять задачи по пожаротушению и охране. Более того, он прекрасно “видит” в темноте на расстоянии сотен метров, даже когда контуры предметов с первого взгляда невозможно разглядеть!
Как устроен чудесный прибор – фотоэлемент, как в нем создается электрический ток, каковы разновидности “электрического глаза”, где и как они используются в жизни – обо всем этом рассказывается в нашей книге.
I. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО, РОЖДЕННОЕ СВЕТОМ
1. опыты великого русского физика
А. Г. Столетов (родился в 1839 году, умер в 1896 году).
В конце прошлого века, в 1888 году, профессор физики Московского университета Александр Григорьевич Столетов провел очень интересные эксперименты. Он наблюдал образование электрического тока под воздействием света!
Вот как проходили эксперименты.
Два небольших диска – массивная металлическая пластина и тонкая металлическая сетка – были прикреплены вертикально друг к другу. Диски были соединены проводом, который, в свою очередь, был последовательно соединен с электрической батареей и чувствительным прибором для измерения слабых электрических токов – гальванометром (рис. 2).
Рис. 2. Эксперимент А. Г. Столетова (обратите внимание, что на рисунке все приборы показаны условно, схематично).
Так называемая электрическая цепь, состоящая из диска I, электрической батареи, гальванометра, диска II и соединяющих их проводов. Поскольку эта цепь была разомкнута – между дисками имелся воздушный зазор – естественно, в ней не наблюдалось электрического тока, хотя электрическая батарея была включена в цепь. Самым странным было то, что как только на металлическую пластину попадал сильный свет электрической дуги, гальванометр сразу же ощущал электрический ток в цепи!
В чем была проблема?
Оказалось, что свет как бы переносит электрические заряды с диска на диск – с диска на решетку.
Столетов использовал для своих экспериментов диски из различных металлов: алюминия, меди, цинка, серебра, никеля, и во всех случаях он наблюдал, что под воздействием света дуги в цепи его экспериментальной установки возникал электрический ток… если только освещенная металлическая пластина была подключена к отрицательному полюсу батареи.
Но если полюса поменять местами, то есть пластину подключить к положительному полюсу батареи, а сетку – к отрицательному, то ток в цепи не появится, из какого бы металла ни были сделаны диски.
Заинтересовавшись этим необычным физическим явлением, Столетов проводил все новые и новые эксперименты.
Он обнаружил, что воздействие света на диски происходит практически мгновенно: достаточно осветить диск на 1/150 долю секунды, и гальванометр уже регистрирует возникший электрический ток.
Он пытается осветить диски светом из различных источников: электрической дуги, бензиновой горелки, солнечного света. Столетов приходит к выводу, что лучше всего работают электродуговые лучи.
Наконец, Столетов проводит еще более интересный эксперимент. Он вынимает электрическую батарею из цепи и зажигает совершенно незаряженные пластины.
И в этом случае в цепи течет электрический ток!
Металлическая пластина заряжена положительным электрическим зарядом.
Свет порождает электричество!
Это явление, впервые подробно изученное великим русским ученым А.Г. Столетовым, получило название фотоэлектрического эффекта (латинское слово “effect” означает “эффект”, “действие”, а “photos” по-гречески означает “свет”).
Фотоэлектрический эффект – воздействие света на электрические заряды тел – лежит в основе того замечательного прибора, фотоэлемента, который описан в нашей книге.
В чем причина фотоэлектрического эффекта? Почему и как возникает ток в электрической цепи, когда луч света падает на металлическую пластину?
Чтобы правильно понять это, давайте вспомним, что происходит, когда тело электризуется.
2 Что происходит, когда тела электризуются?
Вы, конечно, знаете, что все тела вокруг нас состоят из крошечных, невидимых частиц – атомов. Количество различных видов этих частиц невелико. Однако они могут соединяться друг с другом в различных комбинациях, образуя устойчивые группы – молекулы. Это объясняет тот факт, что небольшое количество различных видов атомов построило невероятно разнообразный мир тел вокруг нас.
Размеры отдельных атомов чрезвычайно малы – не более нескольких сотен миллионных долей сантиметра. Поэтому очевидно, что число частиц – атомов или молекул – в каждом куске материи, с которым мы обычно имеем дело, чрезвычайно велико. Вот, например, сколько молекул содержит одна капля воды, считая 20 капель на кубический сантиметр: 1 600 000 000 000 000 000 000 000 000 000 000.
Это одна тысяча шестьсот миллиардов раз по одному миллиарду частиц!
Посудите сами, насколько мала масса каждой отдельной частицы, каждого отдельного атома.
Несмотря на столь малые размеры атомов и молекул, об этих невидимых частицах уже многое известно. Ученые обнаружили, чему равна их масса, то есть им удалось определить вес отдельных атомов, они подробно изучили многие свойства различных атомов и молекул.
За последние пятьдесят лет физики установили, что атомы – это сложные миры.
Вот как устроен атом. В центре атома находится электрически положительно заряженное ядро. Это ядро примерно в 100 000 раз меньше самого атома. Величина заряда и масса атомного ядра варьируются от атома к атому. Отрицательно заряженные электрические частицы – электроны – вращаются вокруг ядра. Они образуют так называемую электронную оболочку атома. Электроны – это своего рода “атом отрицательного электричества”: эти крошечные частицы материи несут наименьший отрицательный электрический заряд. Заряды всех электронов одинаковы.
Ядерный фотоэлектрический эффект возникает, когда ядро атома поглощает гамма-лучи при фиксированном числе нуклонов. Это приводит к распаду ядра и высвобождению ядерной энергии.
Принцип работы и конструкция вакуумных фотоэлементов
Он основан на внешнем фотоэлектрическом эффекте, при котором пучок излучения, падающий на поверхность материала, вызывает эмиссию электронов в вакуум. Эти фотоэлектроны увлекаются внешним электрическим полем, создаваемым напряжением, приложенным между двумя электродами.
Катод – это светочувствительный слой (фотокатод). Другой электрод является анодом. Под действием приложенного напряжения фотоэлектроны устремляются к аноду, генерируя ток во внешней цепи.
Эмиссия электронов с фотокатода происходит в результате следующих процессов: поглощение падающего фотона, что приводит к передаче энергии фотона электрону; диффузия возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождение электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум.
Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.
Излучательная способность материала характеризуется его квантовым выходом, который равен отношению числа высвобожденных электронов к числу падающих фотонов. Чем выше эффективность первых двух стадий фотоэмиссии и чем меньше работа убегания, тем выше значение квантовой эффективности. Некоторые составные полупроводники, являющиеся эффективными фотокатодами, предлагают удачное сочетание этих характеристик.
Анализ показывает, что для данного материала существует оптимальная длина волны, при которой квантовая эффективность максимальна.
Закон Столетова гласит, что фототок пропорционален потоку излучения, поглощенному материалом, а максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем выше частота падающего излучения, и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).
где – работа выхода электрона;
Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, которая определяется выражением
Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэлектрическим эффектом представляет собой стеклянный вакуумный цилиндр с фотокатодом на одной из стенок. Анод – это металлическая пластина или кольцо, расположенное в центре цилиндра. Некоторые конструкции фотоэлементов, предназначенных для измерения слабого потока, имеют третий вспомогательный электрод, защитное кольцо, расположенное для улавливания токов утечки через цилиндр между клеммами катода и анода. Цилиндр изготовлен полностью из стекла или имеет окно для пропускания регистрируемого излучения, изготовленное из ультрафиолетового стекла, кварца или сапфира.
Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.
1 Фотоэлементы со сплошными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми спереди (Рисунок 9, a). Они используются для получения сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных на низкой частоте.
a – с неподвижным фотокатодом; b – измерительный фотоэлемент с торцевым фотокатодом и защитным кольцом; c – сильноточный коаксиальный фотоэлемент; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – защитное кольцо.
Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента
Этот тип фотоэлемента используется в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной аппаратуре. Сферическая форма цилиндра является оптимальной, поскольку излучение, отраженное от поверхности фотокатода, достигает соседних областей фотокатода.
2 Фотоэлементы (рис. 9, b) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно изменяющихся по величине или модулированных на определенной частоте. Они изготавливаются как с массивным фотокатодом, так и с полупрозрачным фотокатодом в форме наконечника. Обычно они имеют защитное кольцо.
3 Специальные коаксиальные сильноточные фотокатоды (ФКФ) для регистрации лазерных импульсов длительностью несколько наносекунд. Для этого фотокатод изготавливается в виде плоской пластины, а перед фотокатодом размещается сетчатый анод. Вся конструкция фотоэлемента выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, согласованной с коаксиальным кабелем. Такие фотоэлементы имеют линейный световой отклик при фототоках до нескольких ампер. Чтобы сократить время прохождения электронов, напряжение на аноде увеличивают до 2-5 кВ, а расстояние между анодом и фотокатодом уменьшают до нескольких миллиметров.
4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения общей чувствительности первичный фототок усиливается инертным газом, заполняющим цилиндр фотоэлемента. В газе под воздействием приложенного анодного напряжения происходит лавинная ионизация за счет движения электронов, что приводит к увеличению тока в цепи. В результате чувствительность газонаполненного фотоэлемента TsG-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных фотоэлементов с вакуумной герметизацией.
Выбор типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптоэлектронных устройствах определяется следующими требованиями.
Для работы в инфракрасном диапазоне подходит только серебряно-кислородно-нулевой фотокатод. Однако он не подходит для слабых потоков из-за высокой тепловой эмиссии и низкой чувствительности к интегрированию.
(2) Для монохроматических источников выбираются фотокатоды с максимальной квантовой эффективностью в данной спектральной области. В диапазоне коротких волн используются фотокатоды на основе сурьмы или двущелочи с пониженной тепловой эмиссией. Многощелочные фотокатоды используются в более длинноволновом диапазоне (600-900 нм). 3.
(3) Многощелочные фотокатоды и более простые в изготовлении кислородно-сенсибилизированные сурьмяно-нулевые фотокатоды имеют более высокую общую чувствительность.
4. Висмут-серебро-цез или сурьма-рубидий-цез фотокатоды используются в телевидении и других областях, требующих характеристик, близких к кривой чувствительности глаза.
Читайте далее:- Типы эмиссии электронов.
- Как работают атомы.
- Урок 33: Электрический ток в полупроводниках – Физика – 10 класс – Российская электронная школа.
- Атомная структура.
- Солнечная энергия – это. Что такое солнечная энергия?.
- 1 Понятие электромагнитного поля и его различные проявления. Материальность – Работа в школе.
- Полупроводники – материал для подготовки к Единому государственному экзамену по физике.