Alma38.ru

Электро Свет
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света

Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света

Наблюдение фотоэффекта. Для обнаружения фотоэффекта можно использовать электрометр с присоединенной к нему цинковой пластиной. Если зарядить пластину положительно, то ее освещение, например электрической дугой, не влияет на быстроту разрядки электрометра. Но если пластину зарядить отрицательно, то световой пучок от дуги разряжает электрометр очень быстро.

Объяснить это можно так. Свет вырывает электроны с поверхности пластины. Если она заряжена отрицательно, электроны отталкиваются от нее и электрометр разряжается. При положительном лее заряде пластины вырванные светом электроны притягиваются к пластине и снова оседают на ней. Поэтому заряд электрометра не изменяется.

Однако, когда на пути света поставлено обыкновенное стекло, отрицательно заряженная пластина уже не теряет электроны, какова бы ни была интенсивность излучения. Так как известно, что стекло поглощает ультрафиолетовые лучи, то из этого опыта можно заключить: именно ультрафиолетовый участок спектра вызывает фотоэффект

Законы фотоэффекта. Для уточнения законов фотоэффекта были проведены экспериментальные исследования. В стеклянный баллон, из которого выкачан воздух, помещаются два электрода

. Внутрь баллона на один из электродов поступает свет через кварцевое окошко, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового излучения. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. К освещаемому электроду присоединяют отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые при движении в электрическом поле образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока возрастает. При некотором напряжении она достигает максимального значения, после чего перестает увеличиваться. Максимальное значение силы тока Iм называется током насыщения. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за 1 с освещаемым электродом.

Изменяя в этом опыте интенсивность излучения, удалось установить, что количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны. В этом ничего неожиданного нет: чем больше энергия светового пучка, тем эффективнее его действие.

Теперь остановимся на измерении кинетической энергии (или скорости) электронов. Из графика, приведенного на рисунке, видно, что сила фототока отлична от нуля и при нулевом напряжении. Это означает, что часть вырванных светом электронов достигает правого электрода и при отсутствии напряжения. Если изменить полярность батареи, то сила тока уменьшится и при некотором напряжении U, обратной полярности она станет равной нулю. Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод.

Задерживающее напряжение U3 зависит от максимальной кинетической энергии, которую имеют вырванные светом электроны. Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов:

При изменении интенсивности света (плотности потока излучения) задерживающее напряжение, как показали опыты, не меняется. Значит, не меняется кинетическая энергия электронов

Кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты света. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты vmin, то фотоэффект не происходит.

Законы фотоэффекта просты по форме. Но зависимость кинетической энергии электронов от частоты загадочна.

Все попытки объяснить явление фотоэффекта на основе законов электродинамики Максвелла, согласно которым свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались безрезультатными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему лишь при малой длине волны свет вырывает электроны.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка о прерывистом испускании света. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями.

Энергия Е каждой порции излучения в полном соответствии с гипотезой Планка пропорциональна частоте:

где h — постоянная Планка.

Из того что свет излучается порциями, еще не вытекает прерывистая структура самого света. Ведь и минеральную воду продают в бутылках, но отсюда не следует, что вода состоит из неделимых частей. Лишь явление фотоэффекта показало, что свет имеет прерывистую структуру: излученная порция световой энергии E = hv сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

Энергия порции света hv идет на совершение работы выхода А, т. е. работы, которую нужно совершить для извлечения электрона из металла, и на сообщение электрону кинетической энергии.

Читайте так же:
Установка двухклавишного выключателя с подсветкой

Это уравнение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в световом пучке и поэтому определяет число электронов, вырванных из металла. Скорость же электронов определяется только частотой света и работой выхода, зависящей от типа металла и состояния его поверхности. От интенсивности света она не зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь в том случае, если частота v света больше минимального значения vmin. Ведь, чтобы вырвать электрон из металла далее без сообщения ему кинетической энергии, нужно совершить работу выхода А. Следовательно, энергия кванта должна быть больше этой работы:

Предельную частоту vmin называют красной границей фотоэффекта. Работа выхода А зависит от рода вещества. Поэтому и предельная частота vmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна.

Уравнение Эйнштейна несмотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии за работы по теории фотоэффекта.

В современной физике фотон рассматривается как одна из элементарных частиц. Таблица элементарных частиц уже многие десятки лет начинается с фотона.

Энергия и импульс фотона. При испускании и поглощении свет ведет себя подобно потоку частиц с энергией. Е = hv, зависящей от частоты. Порция света оказалась неожиданно очень похожей на то, что принято называть частицей. Свойства света, обнаруживаемые при излучении и поглощении, называют корпускулярными. Сама нее световая частица была названа фотоном или квантом электромагнитного излучения.

Фотон, подобно частицам, обладает определенной порцией энергии hv. Энергию фотона часто выражают не через частоту v, а через циклическую частоту .

Фотон лишен массы покоя т, т. е. он не существует в состоянии покоя, и при рождении сразу имеет скорость с. Можно определить лишь массу движущегося фотона. По известной массе и скорости фотона можно найти его импульс:

Направлен импульс фотона по световому лучу.

Чем больше частота, тем больше энергия и импульс фотона и тем отчетливее выражены корпускулярные свойства света.

Корпускулярно-волновой дуализм. Ученые были вынуждены ввести представление о свете как о потоке частиц. Может показаться, что это возврат к корпускулярной теории Ньютона. Однако нельзя забывать, что интерференция и дифракция света вполне определенно говорят о наличии у света волновых свойств. Свет обладает своеобразным дуализмом (двойственностью) свойств. При распространении света проявляются его волновые свойства, а при взаимодействии с веществом (излучении и поглощении) — корпускулярные.

Корпускулярно-волновой дуализм — общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне.

Открытие фотоэффекта имело очень большое значение для более глубокого понимания природы света. Но ценность науки состоит не только в том, что она выясняет сложное и многообразное строение окружающего нас мира, но и в том, что она дает нам в руки средства, используя которые можно совершенствовать производство, улучшать условия материальной и культурной жизни общества.

С помощью фотоэффекта «заговорило» кино и стала возможной передача движущихся изображений (телевидение). Применение фотоэлектронных приборов позволило создать станки, которые без всякого участия человека изготовляют детали по заданным чертежам. Основанные на фотоэффекте приборы контролируют размеры изделий лучше любого человека, вовремя включают и выключают маяки и уличное освещение и т. п.

Все это оказалось возможным благодаря изобретению особых устройств — фотоэлементов, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в нее.

2. Задача на вычисления индуктивного сопротивления:

Катушка индуктивностью 20 мГн и включена в сеть промышленного переменного тока со стандартной частотой. Определить индуктивное сопротивление катушки.

studopedia.org — Студопедия.Орг — 2014-2021 год. Студопедия не является автором материалов, которые размещены. Но предоставляет возможность бесплатного использования (0.004 с) .

Физика Б1.Б8.

Волновая оптика. Физика атома. Ядерная физика, элементарные частицы.

1. Элементы волновой оптики

Волновая оптика это раздел оптики, изучающий явления, в которых проявляются волновые свойства света: интерференция, дифракция, поляризация, дисперсия света и другие, связанные с ними явления. Классическая волновая оптика рассматривает свет как поток электромагнитных волн и основывается на теории электромагнитных волн, разработанной Максвеллом в семидесятых годах девятнадцатого столетия. C ветовые волны по всем своим признакам идентичны с электромагнитными волнами и видимый свет занимает интервал длин волн от 400 нм до 760 нм или частот от 4·10 14 до 7,6·10 14 с -1 в шкале электромагнитных волн . Другим наиболее весомым доводом для установления электромагнитной природы световых волн послужило установление равенства скорости распространения световых и электромагнитных волн в пустоте, которая выражается через магнитную и электростатическую постоянные

Световая волна, как и любая другая электромагнитная волна, состоит из двух взаимосвязанных полей – электрического и магнитного, – векторы напряженности которых и колеблются в одинаковых фазах и во взаимно перпендикулярных плоскостях (рис.1 ).

Читайте так же:
Перегорел выключатель света что делать

Они выражаются уравнениями

Опыт показывает, что электрическое и магнитное поля в электромагнитной волне не равноценны. Физиологическое, биологическое, фотохимическое, фотоэлектрическое и другие действия света вызываются, в основном, электрическим полем световой волны. В соответствии с этим вектор электрического поля световой волны принято называть световым вектором. Это значит, что при рассмотрении различных явлений в световой волне учитываются колебания только вектора .

Фазовая скорость световых волн в веществе связана со скоростью распространения в вакууме соотношением

Откуда следует, что показатель преломления среды выражается через магнитную и диэлектрическую проницаемости . Для всех прозрачных веществ , поэтому . Эта формула связывает оптические и электрические свойства вещества.

Монохроматичность и когерентность световых волн . Понятие монохроматической волны подразумевает неограниченную в пространстве волну, характеризуемую единственной и строго постоянной частотой. Близкую к такому определению монохроматичности световую волну могут давать лазеры, работающие в непрерывном режиме. Однако другие реальные источники света не могут излучать такую волну. Излучение таких источников имеет прерывистый характер. Прерывание волн уже приводит к их немонохроматичности. Поэтому понятие монохроматичности световых волн имеет ограниченный смысл. С понятием монохроматичности тесно связано также понятие когерентности волн, означающее согласованность колебаний светового вектора во времени и пространстве в двух или нескольких световых волнах. Когерентными волнами являются волны, имеющие одинаковую частоту и постоянную во времени и в пространстве разность фаз.

Причина отсутствия монохроматичности и когерентности света обычных источников света заключается в самом механизме испускания света атомами или молекулами источника. Продолжительность возбужденного состояния атомов, т.е. продолжительность процесса излучения света, равна τ ≈10 -8 с. За этот промежуток времени возбужденный атом, излучив световую волну, вернется в нормальное состояние и, спустя некоторое время, возбудившись вновь, может излучать световую волну с новой начальной фазой, т.е. фазы этих волн изменяются при каждом новом акте излучения. Поскольку возбуждение атомов является случайным явлением, то и разность фаз двух последовательных волн, испущенных атомом, будет случайным, они не будут когерентными. Сказанное можно отнести и к излучению двух разных атомов вещества, так как их можно рассматривать как два независимых источника света. Отсюда следует, что волны, испускаемые атомами вещества, будут когерентными только в течение интервала времени ≈10 -8 с. Совокупность волн, испущенных атомами за такой промежуток времени называется цугом волн. Значит, когерентны только волны, принадлежащие одному цугу волн. Средняя продолжительность одного цуга волн называется временем когерентности . За время когерентности волна проходит путь , эта величина является длиной когерентности (длиной цуга волн).

Фотоэффектом называется полное или частичное освобождение электронов от связей с атомами вещества под действием света .

Если электроны выходят за пределы освещаемого образца ( полное освобождение ) , фотоэффект называется внешним . Если же электроны теряют связь только со своими атомами и молекулами , но остаются внутри освещенного вещества в качестве « свободных » электронов ( частичное освобождение ) , фотоэффект называется внутренним . Освобожденные светом электроны называются фотоэлектронами

Фотоэффект присущ всем без исключения телам ( твердым , жидким , газообразным ) . В газах фотоэффект сопровождается ионизацией молекул газа и называется фотоионизацией .

Внешний фотоэффект открыл в 1887 г. немецкий ученный Генрих Герц и подробно исследовал в 1890 г. русский ученый Столетов .

Он описывается тремя законами .

1 закон . Число фотоэлектронов , вылетающих с единицы поверхности освещенного вещества за единицу времени , пропорционально интенсивности света .

2 закон . Скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты света и не зависит от интенсивности света .

3 закон . Фотоэффект возникает при определенной для данного вещества минимальной частоте или максимальной длине волны света , называемой «красной границей» фотоэффекта .

Возникновение фотоэффекта и 1 закон можно объяснить волновой теорией света , согласно которой свет излучается , распространяется и поглощается в виде непрерывной электромагнитной волны , которая может переносить любую энергию. Электрическое поле световой волны , воздействуя на электроны внутри освещаемого вещества , возбуждает их колебания . Амплитуда вынужденных колебаний электронов пропорциональна амплитуде световой волны и может достичь такого значения , при котором связь электронов с веществом нарушается , и электроны покидают вещество — тогда и наблюдается фотоэффект .

Однако , 2 и 3 законы не только не объясняются волновой теорией света , но и противоречат ей . В самом деле , скорость вылетевших фотоэлектронов должна возрастать с амплитудой электромагнитной волны, а , следовательно , с увеличением ее интенсивности ( интенсивность света пропорциональна квадрату амплитуды световой волны ) . Но опыт показывает , что скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света .

Все законы фотоэффекта легко объясняются квантовой теорией света , разработанной Эйнштейном в 1905 году на основе квантовой теории излучения , созданной Планком в 1900 г. По квантовой теории излучения энергии телом происходит не непрерывно , а порциями ( квантами ) . Энергия каждой порции электромагнитного излучения :

Читайте так же:
Подключаем светодиодную ленту с батарейке с выключателем

где Дж с — постоянная Планка ,

n — частота , l — длина волны излучения .

Эйнштейн развил теорию Планка , предположив , что свет не только излучает , но и распространяется и поглощается веществом такими же порциями ( квантами ). Позже они были названы фотонами . Применяя к явлению фотоэффекта в металлах закон сохранения энергии , Эйнштейн предложил следующую формулу :

где A— работа выхода электрона из метала ,

— максимальная скорость фотоэлектрона ,

m — масса электрона .

Согласно Эйнштейну каждый фотон поглощается только одним электроном , причем часть энергии падающего фотона расходуется на совершение работы выхода электрона из металла , а оставшаяся часть сообщает электрону кинетическую энергию .

Заметим , что вылетевшие из металла фотоэлектроны обладают различной скоростью , т.к. кинетическая энергия электронов в металле различна , и для удаления за пределы металла разным электронам надо сообщить неодинаковую энергию . Наибольшей скоростью обладают те вылетевшие из металла электроны , для вырывания которых нужно затратить наименьшую энергию , равную работе выхода .

Формула Эйнштейна хорошо объясняет законы фотоэффекта . Из нее видно , что скорость фотоэлектронов увеличивается с ростом частоты падающего света и не зависит от его интенсивности (т.к. А и ν не зависят от интенсивности).Фотоэффект в металле может произойти при условии , если .

В противном случае энергия фотона будет недостаточна для вырывания электрона .

Наименьшая частота света , под действием которого происходит фотоэффект , называется красной границей фотоэффекта .

Она определяется из условия :

Обычно ее выражают через максимальную длину волны:

Численные значения красной границы фотоэффекта для некоторых материалов приведены в таблице :

металлплатинацинкнатрийцезий
, мкм0,2350,2900,5520,620

Из квантовой теории следует , что интенсивность света пропорциональна числу квантов . Поэтому число выбитых фотонов пропорциональна интенсивности света , — так объясняется 1 закон фотоэффекта .

В полупроводниках и диэлектриках помимо внешнего фотоэффекта наблюдается внутренний . Он происходит при условии и сопровождается образованием свободных электронов , увеличивающих проводимость вещества, — работа отрыва электрона от атома. В металлах внутренний фотоэффект не наблюдается , т.к. в них имеется много свободных электронов и незначительное увеличение их числа за счет внутреннего фотоэффекта практически не отражается на электропроводности металла . В диэлектриках энергия связи электрона с атомами велика , поэтому ни внутренний , ни внешний фотоэффект в диэлектриках практического применения не имеет .

В заключении подчеркнем , что фотоэффект , вскрывая квантовую природу света , не отвергает волновую природу , а дополняет ее .Свет сложный электромагнитный процесс , обладающий двойственной (корпускулярно — волновой) природой . В одних явлениях , таких как интерференция , дифракция , поляризация , проявляется волновая природа света , в других — излучение , фотоэффект и др. — квантовая природа света .

Фотоэлементы

1. На основе внешнего и внутреннего фотоэффекта создано множество приборов , преобразующих световой сигнал в электрический . К ним относятся фотоэлементы , фотосопротивления , фотоэлектронные умножители , электронно — оптические преобразователи , передающие телевизионные трубки , фотодиоды и т.д. На внешнем фотоэффекте основана работа вакуумных фотоэлементов . Конструктивно они выполнены в виде стеклянного баллона , откачанного до высокого вакуума (рис.1) . Часть внутренней поверхности баллона покрыта слоем чувствительного к свету вещества , который называется фотокатодом . В качестве фотокатода используются вещества с малой работой выхода . Такими веществами является соединения сурьмы с одним или несколькими щелочными металлами и соединения серебро — цезий . Анодом служит металличе ское кольцо или сетка , помещенные в центре баллона .

2.
Зависимость силы фототока от приложенного между катодом и анодом напряжения при постоянной интенсивности света называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) фотоэлемента . Она имеет вид , показанный на (рис.2) . Пологий ход кривой объясняется тем , что электроны вылетают из катода с различной скоростью . Некоторые из них обладают достаточно большой скоростью и , пролетая по инерции пространство между анодом и катодом , замыкают цепь . Этим объясняется наличие тока в цепи в отсутствии анодного напряжения. (участок 0-1) . Для обращения силы тока в нуль на анод надо подать отрицательное задерживающее напряжение . При таком напряжении ни одному из электронов , даже обладающему максимальной скоростью , не удастся достигнуть анода . Поэтому можно записать :

где — кинетическая энергия электрона .

3 -4 — Участок насыщения означает , что все электроны , испущенные катодом, попадают на анод . Для увеличения тока насыщения надо увеличить интенсивность света .

3. Одним из основных параметров любого фотоэлемента является интегральная чувствительность , равная силе фототока насыщения при световом потоке в 1 лм. Главным недостатком вакуумных фотоэлементов является малая интегральная чувствительность . Значительно большей интегральной чувствительностью обладают фотоэлектронные умножители (ФЭУ) .

Читайте так же:
Lg 39ln540v уменьшить ток подсветки

4. На явлении внутреннего фотоэффекта в полупроводниках основано действие вентильных фотоэлементов и фотосопротивлений . Они устроены следующим образом . На металлическую подложку М наносится слой полупроводника Р (рис.3). На границе металл — полупроводник в силу их различных физических свойств образуется запирающий слой , пропускающий носители тока в одном направлении — из полупроводника в металл .

При освещении полупроводника в нем образуется большее число свободных электронов, в результате равновесное распределение носителей тока в области контакта нарушается , и электроны переходят из полупроводника в металл , заряжая металл отрицательно , а полупроводник — положительно . Таким образом , на границе металл — полупроводник образуется два противоположных полюса , и , если их соединить проводником , по цепи потечет ток без какого — либо дополнительного источника тока . Иначе говоря , вентильный фотоэлемент сам является источником тока .

Явление возникновения ЭДС при освещении контакта металл — полупроводник называется вентильным фотоэффектом .

В отличие от вакуумных вентильные фотоэлементы непосредственно преобразуют световую энергию в электрическую. Наиболее эффективными являются вентильные фотоэлементы, основанные на использования контакта двух полупроводников электронного (n) и дырочного (p) типа проводимости , т.е. на так называемом p-n — переходе .

Несколько десятков соединенных последовательно p-n — переходов образуют солнечную батарею .

Вентильные фотоэлементы имеют значительно большую интегральную чувствительность , чем вакуумные .

Фотосопротивления представляют собой нанесенный на стеклянную пластинку слой полупроводника , на поверхности которого укреплены токоподводящие электроды (рис.4) . При освещении полупроводника число носителей тока в нем резко возрастает , а сопротивление резко падает . Изменяя интенсивность света . можно регулировать сопротивление цепи в широком интервале .

Описание установки и ход выполнения работы.

В работе исследуется вакуумный фотоэлемент с сурьмяно — цезиевым катодом. Красная граница фотоэффекта мкм Площадь фотокатода 2·10 -3 м 2 .

Лабораторная установка позволяет :

1. исследовать вольтамперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента ;

2. определить его интегральную чувствительность ;

3. проверить 1 закон фотоэффекта .

Электрическая схема установки показана на рис.5 . Потенциометром P плавно изменяют напряжение , подаваемое на анод A . Величина напряжения измеряется вольтметром , сила фототока микроамперметром . Катод К освещается лампой накаливания Л , которая может перемещаться вдоль линейки А B . Интенсивность света , падающего на катод , регулируется расстоянием r между лампой и фотоэлементом Ф .

Снятие ВАХ фотоэлемента

1. Установите источник света Л на заданном расстоянии r от фотоэлемента.

2. Изменяя потенциометром анодное напряжение Uа от 0 до 150 В через 10 В, снимите зависимость силы фототока от напряжения . Данные занесите в таблицу 1

Uа, В102030405060708090100110120130
Іа, мкА

3. Постройте график зависимости силы фототока от анодного напряжения .

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Общие условия выбора системы дренажа: Система дренажа выбирается в зависимости от характера защищаемого.

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:

  • Внешний фотоэффект. Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
  • Внутренний фотоэффект. Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
  • Вентильный фотоэффект. Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Читайте так же:
Устанавливаем выключатель света макел
Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

Fotoelement printsip deistviia 1

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Fotoelementy printsip deistviia 2

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Fotoelement printsip deistviia 3

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

Fotoelement printsip deistviia 4

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Fotoelement printsip deistviia 5

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Fotoelement printsip deistviia 6

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Fotoelement printsip deistviia 7

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Fotoelementy printsip deistviia 8

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

Fotoelementy printsip deistviia 9

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Fotoelementy printsip deistviia 10

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Fotoelementy printsip deistviia 11

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Fotoelementy printsip deistviia 12

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор. Световой луч управляет его работой.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector