Применение фотоэффекта в технике кратко

Обновлено: 07.07.2024

Внешний фотоэффект – испускание электронов с поверхности металлов под действием света.

Внутренний фотоэффект – изменение концентрации носителей тока в веществе и как следствие изменение электропроводности данного вещества под действием света.

Вентильный фотоэффект – возникновение ЭДС под действием света в системе, содержащей контакт двух различных полупроводников.

2. Что такое фотоэлемент?

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами.

3. Где применяется внешний фотоэффект?

1. Кино: воспроизведение звука.
2. Фототелеграф, фототелефон.
3. Фотометрия: для измерения силы света, яркости, освещенности.
4. Управление производственными процессами.

4. Где применяется внутренний фотоэффект?

Фоторезистор – устройство, сопротивление которого зависит от освещенности.

Используются при автоматическом управлении электрическими цепями с помощью световых сигналов и в цепях переменного тока.

5. Использование вентильного фотоэффекта.

Используется в солнечных батареях, которые имеют КПД 12 -16% и применяются в искусственных спутниках Земли, при получении энергии в пустыне.

Принцип действия солнечной батареи: при поглощении кванта энергии полупроводником освобождается пара дополнительных носителей (электрон и дырка) , которые движутся в разных направлениях: дырка – в сторону полупроводника р-типа, а электрон в сторону полупроводников n–типа. В результате образуется в полупроводнике n–типа избыток свободных электронов, а полупроводнике р-типа- избыток дырок. Возникает разность потенциалов.

ну например в CD\DVD приводах, когда лазер считывает информацию, он отклоняется из-за неровности диска!! ! еще вспомню напишу! =)

На протяжении почти всего XIX века ученые наблюдали странное поведение веществ, металлов и электролитов под действием на них прямого света. Эти вещества увеличивали свою проводимость. Первым, кто смог собрать и обосновать данное явление, был Альберт Эйнштейн. Он доказал, что свет существует в виде квантовых порций и может оказывать влияние на некоторые элементы, увеличивая проводимость, то есть высвобождая свободные электроны.

Фотоэффект

Фотоэффектом называют явление испускания веществом свободных электронов под воздействием света или другого электромагнитного облучения. Протекает он в твердых веществах и конденсированных жидкостях. Применение фотоэффекта привело к открытию и обоснованию квантовой теории. На основе этой теории удалось объяснить закономерности фотоэффекта.

Из этой теории выходит, что свободный электрон облучаемого вещества не может поглотить фотон, отдаваемый излучателем, ввиду того, что невозможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Связь электрона вещества с окружением обуславливает фотоэффект в молекулах и конденсированной среде. Такая связь характеризуется ионизирующей энергией, так называемой энергией выхода электрона. Применение фотоэффекта в настоящее время на практике очень широко.

Виды фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов под воздействием электромагнитного излучения. При этом электроны, выходящие из вещества, называются фотоэлектронами, соответственно, электрический ток в нем называется фототоком. Непосредственно элемент в аппарате, подвергающийся облучению и отдающий электроны, называется фотокатодом. Спектральная характеристика фотокатода - это зависимость чувствительности к воздействию от частоты и длины волны излучения.

Внутренним фотоэффектом называют перераспределение внутри вещества согласно энергетическим особенностям. Применение фотоэффекта внутреннего объяснило явление фотопроводимости, то есть изменения концентрации заряда в веществе под воздействием излучения, при этом выход электронов не происходит.

Фотовольтаический эффект возникает под воздействием конкретно электромагнитного излучения на вещество со свободными электронами.

Ядерный фотоэффект возникает при поглощении ядром атома гамма-излучения при неизменном нуклонном количестве. При этом происходит распад ядра и выход ядерной энергии.

Применение фотоэффекта в технике

Фотоэффект начал широко использоваться в начале ХХ столетия, когда получилось обосновать и открыть многие его свойства. Применение фотоэффекта и в быту, и в промышленных масштабах в наше время распространено. Благодаря этому явлению было создано кино и телевидение. Современные металлообрабатывающие станки работают и изготавливают сложнейшие детали благодаря применению фотоэффекта.

Альтернативные источники электроэнергии работают благодаря этому явлению. Причем количество вырабатываемой энергии значительно, чтобы обеспечивать большое количество потребителей.

Фотоэлемент

Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента. Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам. Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук. Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии. Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.

Фотоэффект используется также при создании фотоэлементов - приборов, с помощью которых можно управлять включением и выключением механизмов, уличного освещения и др. Например, фотоэлементы стоят в турникетах метро и предотвращают несчастные случаи на производстве (когда рука рабочего оказывается в опасной зоне, она перекрывает луч света, попадающий на фотоэлемент, вследствие чего останавливается станок или другой механизм).

Фотоэлементы используются при считывании информации (изображения, звука или данных) с оптических дисков (компакт-дисков), которые являются сегодня одной из наиболее распространенных форм записи и хранения информации (рис. 25.4).

На оптическом диске информация записана на спиральной дорожке в виде крошечных углублений. При вращении диска в компьютере или лазерном проигрывателе по дорожке скользит лазерный луч, и изменения интенсивности отраженного луча распознаются фотоэлементом, который превращает их в электрические сигналы. Применение оптических дисков совершило революцию в мире информации: на одном диске помещается целая библиотека.

Поскольку с помощью фотоэлементов световая энергия преобразуется в электрическую, их применяют в солнечных батареях для получения электроэнергии. Такие батареи используют в жарких местностях, а также на космических кораблях (рис. 25.5).

Фотоэлектрический эффект (фотоэффект) — это физический процесс, в котором электроны взаимодействуют со светом или любым другим электромагнитным излучением. В этой статье вы узнаете о физических основах фотоэлектрического эффекта. Мы также объясним три вида этого явления и два экспериментальных метода его обнаружения.

Фотоэлектрическое явление — один из тех эффектов, открытие которого стало результатом упорного труда и многочасовых лабораторных исследований многих ученых. До того как Альберт Эйнштейн объяснил этот эффект, введя понятие квантов, то есть порций энергии, многие исследователи, среди которых были Генрих Герц и Александр Столетов, тщательно изучали различные аспекты этого явления. По всей вероятности, никто из них не предполагал, какое практическое значение будет иметь их работа.

Простое объяснение фотоэффекта

Атомы или молекулы содержат связанные электроны. Когда свет попадает на молекулы или отдельные атомы, при определенных условиях возможно взаимодействие электронов со светом. Чтобы понять фотоэлектрический эффект, мы представляем свет как частицу (называемую фотоном). Фотон обладает энергией E, которую можно вычислить по частоте f света: E = h * f .

Здесь h — постоянная Планка. Эта энергия поглощается электроном. Вы можете представить этот перенос энергии как поглощение фотона электроном. Минимальная энергия, которую электроны должны поглотить, является их энергией связи, или, более точно, работой выхода W_A. Только после этого электрон может освободиться от атома или металла. Высвобожденные электроны могут быть измерены в виде электрического тока.

Виды фотоэффекта

Существует три различных разновидности фотоэлектрического эффекта, с которыми мы познакомим вас далее.

Внешний фотоэффект

Внешний фотоэлектрический эффект — это явление эмиссии электронов из металла под воздействием падающего электромагнитного излучения. Механизм явления заключается в том, что фотоны излучения передают свою энергию электронам, что приводит к их эмиссии за пределы металла. Максимальная кинетическая энергия электрона равна энергии фотона минус работа выхода. Работа выхода — это энергия связи электрона в металле, обычно порядка нескольких электрон-вольт.

Более подробное объяснение.

Когда фотоны попадают в металл или полупроводник, они передают свою энергию электронам. Часть энергии необходима для того, чтобы освободить электроны от атомной связи и позволить им уйти с поверхности металла (работа выхода W_A). Это взаимодействие называется внешним фотоэлектрическим эффектом. Остаточная энергия служит для ускорения электронов. Энергетическое соотношение следующее: h * f = E_kin + W_A , где

где E_kin — это кинетическая энергия высвобожденных электронов. Поэтому кинетическая энергия фотоэлектрона описывается формулой: E_kin = h * f — W_A

Мы видим, что должна существовать граничная частота f_гр, выше которой электроны вообще не могут быть освобождены. Это следует из уравнения: h * f_гр = W_A и зависит от материала. Работа выхода для металлов обычно составляет несколько эВ.

Альберт Эйнштейн изучил внешний фотоэлектрический эффект с помощью квантования света. Таким образом, внешний фотоэлектрический эффект представляет собой важную веху в развитии квантовой механики.

Внутренний фотоэффект

Внутренний фотоэлектрический эффект также основан на передаче энергии фотонов электронам. Однако они не покидают материал, в котором находятся, а изменяют электронную оболочку в атоме. Это может привести к изменению проводимости материала и, следовательно, протеканию электрического тока.

Более подробное объяснение.

Внутренний фотоэффект возникает в полупроводниках — материалах, электропроводность которых меньше, чем у проводников, и больше, чем у изоляторов. Чтобы лучше понять его механизм, давайте вспомним зонную теорию проводимости. Электронные энергетические уровни в полупроводниках относятся к двум группам — валентной зоне и зоне проводимости. Эти зоны энергетически разделены возбужденной областью. Электроны с энергией в валентной зоне связаны в атомах и не участвуют в протекании электрического тока. Электроны с энергией, принадлежащей зоне проводимости, свободны и могут двигаться под действием приложенного напряжения, т.е. проводить электрический ток.

Изменение энергии электрона от энергии валентной зоны до энергии зоны проводимости при поглощении энергии фотона электромагнитного излучения называется внутренним фотоэлектрическим эффектом.

В результате полоса проводимости обогащается свободным носителем отрицательного заряда — электроном, а валентная зона обогащается электронной дыркой, т.е. вакансией, оставленной электроном, которая также участвует в протекании электрического тока. Это увеличивает проводимость материала.

Для того чтобы электроны поднялись в полосу проводимости, энергия облученного света должна быть больше, чем ширина запрещённой зоны E_gap : h * f > E_gap . Ширина запрещённой зоны относится к разности энергий между валентной зоной и зоной проводимости.

Полупроводник, состоящий из одного чистого материала, называется собственным полупроводником. В таких материалах число отрицательных носителей заряда в зоне проводимости — электронов — равно числу положительных зарядов в валентной зоне — дырок. На практике, однако, часто используются легированные полупроводники, т.е. обогащенные небольшим количеством другого материала. В зависимости от типа легирующего элемента различают два типа полупроводников: n-типа и p-типа. В полупроводнике p-типа преобладают дырки. Важно помнить, что речь идет только о носителях заряда, участвующих в проведении электричества, весь кристалл электрически нейтрален.

Внутренний фотоэффект также имеет место в солнечных батареях. Когда свет попадает на пограничный слой солнечного элемента (очень тонкая область на поверхности с электрическим полем), электроны высвобождаются из кристаллической связи и движутся в электрическом поле. Этот электрический ток может быть воспринят потребителем и вызывает фотонапряжение.

Молекулярный фотоэффект / атомный фотоэффект

Если облученные фотоны высвобождают электрон из отдельных атомов или молекул, они электрически заряжаются или ионизируются недостающим электроном. Это называется фотоионизацией и наблюдается, например, с помощью рентгеновских лучей. Для молекулярного фотоэлектрического эффекта требуется гораздо более высокочастотный свет, поскольку электроны прочно связаны в атомах.

Формула фотоэлектрического эффекта

Мы используем следующее соотношение для расчета физических величин: h * f = E_kin + W_A

Если свет обладает энергией, достаточной для выброса электронов, мы можем вычислить граничную частоту по следующей формуле: f_гр = W_A / h .

Используя формулу для кинетической энергии, мы определяем скорость освобожденных электронов по формуле:

Методы обнаружения фотоэффекта

Далее мы покажем вам два метода обнаружения фотоэлектрического эффекта и, следовательно, выхода электронов.

Метод встречного поля

В методе встречного поля металлический катод облучается монохроматическим светом с частотой f. Без приложенного напряжения можно обнаружить фототок. Если приложить противодействующее напряжение U_G так, чтобы катод был заряжен положительно, а анод — отрицательно, то электроны, высвобождаемые внешним фотоэлектрическим эффектом, замедляются. Необходимая для этого работа: W = e * U_G .

Рис. 1. Фотоэффект: метод встречного поля

Если напряжение настолько велико, что электроны не достигают анода, то применяется следующее соотношение: Ekin = e * U_G .

Встречное поле полностью компенсирует кинетическую энергию электронов. Из этой зависимости мы можем определить скорость электронов. Метод встречного поля также дает нам возможность определить постоянную Планка h. При известной работе выхода, h можно найти из уравнения: h * f = e * U_G + W_A

Стержень с фотоэффектом

Мы можем воспроизвести фотоэлектрический эффект в эксперименте со стержнем из ПВХ и металлической пластиной, подключенной к электрометру. Если стержень отрицательно заряжен в результате трения, то он имеет избыток электронов. Металлическая пластина нейтральна, электрометр не отклоняется.

Рис. 2. Стержневой метод — начальное состояние

Если привести стержень в контакт с пластиной, то избыточный заряд в стержне уравновесится. В результате на пластине появляется избыток электронов, и электрометр показывает отрицательное значение.

Рис. 3. Компенсация избыточного заряда в стержне

Если облучать металлическую пластину лампой с парами ртути, электрометр становится положительным. Электроны высвобождаются из пластины под действием внешнего фотоэлектрического эффекта. В металлической пластине не хватает электронов.

Рис. 4. Облучение металлической пластины

Применение фотоэффекта

Сегодня внешний и внутренний фотоэлектрический эффект лежат в основе таких распространенных устройств, как фотоэлементы, солнечные батареи или ПЗС-матрицы.

Фотоэлемент.

Рис. 5. Фотография фотоэлемента в 1940-х годах. Источник фото: Antonio Pedreira [Public domain], via Wikimedia Commons]

Наиболее распространенным устройством, использующим внешнее фотоэлектрическое явление, является фотоэлемент. Первые фотоэлементы были разработаны еще в 1890-х годах и начали широко использоваться в первой половине 20-го века. Простейший фотоэлемент состоит из двух электродов, катода и анода, помещенных в вакуумную колбу.

Между электродами прикладывается напряжение так, чтобы катод был соединен с положительным полюсом питающего напряжения. Если электромагнитное излучение не попадает на катод, электрический ток в цепи не течет. Когда катод освещается излучением с энергией фотонов, превышающей работу выхода материала катода, электроны выбиваются из катода и мигрируют к аноду, вызывая протекание электрического тока. Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток.

Схемы, содержащие фотоэлемент, могут использоваться, например, для освещения уличных фонарей. Лампы загораются в сумерках. Механизм, заставляющий их светиться, реагирует на отсутствие света, то есть на прекращение протекания электрического тока в цепи, содержащей фотоэлемент. Пример такой схемы представлен на рис. 6.

Рис. 6. Схема уличного фонаря, который автоматически загорается после наступления темноты

Освещенный фотоэлемент проводит электрический ток. В цепи находится электромагнит. Если через электромагнит проходит электрический ток, создаваемое магнитное поле притягивает рычаг выключателя, размыкая цепь лампы, и лампа выключается. Когда свет прерывается, электрический ток в цепи фотоэлемента прекращается, электромагнит выключается, цепь лампы замыкается, и лампа окончательно зажигается.

Фотоэлектронный умножитель.

Рис. 7. Фотоумножитель. Источник фото

Фотоумножители — это устройства, используемые для измерения света. Чаще всего они подключаются к сцинтиллятору, который представляет собой материал, поглощающий ионизирующее излучение (например, гамма- или бета-излучение) и испускающий видимый или ультрафиолетовый свет. Излучаемый свет поглощается фотоумножителем и преобразуется в электрический сигнал.

Сцинтиллятор в сочетании с фотоумножителем представляет собой детектор ионизирующего излучения, т.е. устройство, которое поглощает ионизирующее излучение и генерирует электрический сигнал в зависимости от поглощенного излучения.

Устройство фотоумножителя очень похоже на устройство вакуумного фотоэлемента. Его важнейшими элементами являются фотокатод, где происходит внешний фотоэлектрический эффект, и анод, где накапливается заряд. Кроме того, в области между катодом и анодом находится ряд электродов, задача которых — усилить заряд, то есть увеличить количество электронов, попадающих на анод. Эти электроды называются динодами. Все три типа электродов помещаются в сильное электрическое поле. Механизм работы фотоумножителя показан на рис. 8.

Рис. 8. Схема построения фотоумножителя.

Фотоны света, испускаемые сцинтиллятором, достигают фотокатода, вызывая эмиссию электрона под действием внешнего фотоэлектрического явления. Электрон ускоряется в электрическом поле, что приводит к увеличению его кинетической энергии.

При столкновении с динодом электрон вызывает испускание нескольких вторичных электронов, которые также ускоряются и также умножаются при столкновении с другим динодом. Количество электронов увеличивается экспоненциально, так что конечный электрический сигнал, достигающий анода, может быть измерен.

Фотоумножители характеризуются высокой чувствительностью. Это означает, что их можно использовать для измерения света очень низкой интенсивности. В этом отношении они явно превосходят ПЗС-матрицы.

Фотоэлектрический (солнечный элемент).

Фотоэлектрический элемент — это устройство, в котором энергия фотона света преобразуется в электрическую энергию.

В солнечных батареях используются p-n-переходы. Фотоны, падающие на границу раздела полупроводников, вызывают выбивание электронов из валентного слоя в слой проводимости, т.е. образуется электронно-дырочная пара. Из-за пространственного распределения зарядов на p-n-переходе электроны диффундируют к полупроводнику n-типа, а дырки диффундируют к полупроводнику p-типа и остаются там. Накопление заряда создает разность потенциалов на границе раздела, т.е. электрическое напряжение. В этом процессе энергия солнечного света напрямую преобразуется в электрическую энергию. Поэтому он является отличным источником электрической энергии. Однако стоит помнить, что для хранения электрической энергии требуются батареи.

ПЗС-матрица.

ПЗС-матрица — это светочувствительный элемент, который вытеснил традиционную фотопленку, открыв путь к созданию и распространению цифровой фотографии. Матрица состоит из множества полупроводниковых пикселей размером около десятка квадратных миллиметров. Свет, падающий на полупроводниковый пиксель, приводит к выбиванию электрона из валентной зоны. На каждый пиксель наносится электрод для сбора и хранения заряда.

Размер заряда зависит от интенсивности света, освещающего пиксель. Сама ПЗС-матрица не различает цвета. Эта функция реализуется с помощью цветовых фильтров с тремя основными цветами — красным, зеленым и синим. Важным параметром для ПЗС является их квантовая эффективность, которая определяет, какой процент падающего света улавливается. Современные матрицы имеют квантовую эффективность 70%, что более чем в 10 раз выше, чем у традиционной фотопленки.

Пример задачи по фотоэффекту

Мы облучаем вольфрамовую пластину (работа выхода W_A = 4,6 эВ) монохроматическим светом с частотой f = 6,75 * 10 15 Гц. Мы хотим узнать, достаточно ли энергии света для высвобождения электронов из пластины?

Для этого мы вычисляем граничную частоту:

f_гр = W_A / h = 4,6 эВ / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 7,37 * 10 -19 Дж / 6,626 * 10⁻³⁴ Дж*с = 1,11 * 10 15 Гц

Частота облучаемого света превышает это значение. Поэтому электроны высвобождаются в результате фотоэлектрического эффекта. Скорость этих электронов составляет:

Читайте также: