Применение фотоэффекта в технике реферат

Обновлено: 05.07.2024

Функция "чтения" служит для ознакомления с работой. Разметка, таблицы и картинки документа могут отображаться неверно или не в полном объёме!

Муниципальное общеобразовательное учреждение

Выполнила: Ищенко Валерия

Ученица 11 класса

Применение фотоэффекта в технике

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте, имеют следующее устройство. Внутренняя поверхность стеклянного баллона, из которого выкачан воздух, покрыта светочувствительным слоем с небольшим прозрачным для света участком - "окном" для доступа света внутрь баллона. В центре баллона находится металлическое кольцо . От электродов сделаны выводы для подключения фотоэлемента к электрической цепи В качестве светочувствительного слоя обычно используют напыленные покрытия из щелочных металлов, имеющих малую работу выхода, т.е. чувствительных к видимому свету (изготовляют и фотоэлементы, чувствительные только к ультрафиолетовым лучам).

Фотоэлементы, использующие внешний фотоэффект, преобразуют в электрическую энергию лишь незначительную часть энергии излучения. Поэтому в качестве источников электроэнер-" гии их не используют, зато широко применяют в различных схемах автоматики для управления электрическими цепями с помощью световых пучков.

В качестве примера рассмотрим принцип действия фото-электрического реле, срабатывающего при прерывании светового потока, падающего на фотоэлемент. Фотореле состоит из фотоэлемента Ф, усилителя фототока, в качестве которого используют вакуумный триод , и электромагнитного реле ЭМР, включенного в анодную цепь триода. Напряжение на фотоэлемент подают от источника тока а на триод - от источника тока . Ток накала триода создают источником тока - Между сеткой и катодом триода включен нагрузочный резистор RH.

Когда фотоэлемент освещен, в его цепи, содержащей резистор RH, идет ток. На резисторе Ru происходит падение напряжения, вследствие чего потенциал сетки триода значительно меньше потенциала катода и лампа заперта.

Если же поток света, падающий на фотоэлемент, прерывается, ток в его цепи сразу прекращается, падение напряжения на резисторе становится равным нулю и лампа отпирается. Через обмотку электромагнитного реле идет анодный ток, реле срабатывает и его контакты замыкают исполнительную цепь, функциями которой могут быть остановка пресса, в зону действия которого попала рука человека; выдвигание преграды в турникете метро и т.д.

С помощью фотоэлементов осуществляется воспроизведение звука,записанного на кинопленке атакже передача движущихся изображений (телевидение).

В аэронавигации, в военном деле широкое применение нашли фотоэлементы, чувствительные к инфракрасным лучам. Инфракрасные лучи невидимы, облака и туман для них прозрачны.

Сочетание фотоэффекта со вторичной электронной эмиссией применяется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ): слабый пучок фотоэлектронов, ускоряясь попадает на ряд катодов, выбивая из каждого вторичные электроны и лавинообразно усиливаясь. Усиление 9-каскадного ФЭУ достигает 106, т.е. на выходе из фотоумножителя сила тока в миллион раз превосходит первичный фототок.

Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний и вентильный.
Внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах. Внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна.

Прикрепленные файлы: 1 файл

Применение фотоэффекта.doc

Арефьева Настя 11 класс.

Фотоэффект – это вырывание электронов из твёрдых и жидких веществ под действием света.

Выделяют три основных вида фотоэффектов: внутренний, внешний и вентильный.

Внешний фотоэффект – испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Наблюдается в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация) и в конденсированных средах. Внешний фотоэффект в металле можно представить состоящим из трех процессов: поглощение фотона электроном проводимости, в результате чего увеличивается кинетическая энергия электрона; движение электрона к поверхности тела; выход электрона из металла. Этот процесс энергетически описывают уравнением Эйнштейна.

Если, освещая металл монохроматическим светом, уменьшать частоту излучения (увеличивать длину волны), то, начиная с некоторого ее значения, называемого красной границей; фотоэффект прекратится.

Внутренний фотоэффект - это переходы электронов, вызванные электромагнитным излучением, внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные: без вылета наружу. Интересная разновидность внутреннего фотоэффекта наблюдается в контакте электронного и дырочного полупроводников. В этом случае под действием света возникают электроны и дырки, которые разделяются электрическим полем pn перехода, электроны перемещаются в полупроводник типа n, а дырки - в полупроводник типа р, При этом между дырочным и электронным полупроводниками изменяется контактная разность потенциалов по сравнению с равновесной, т. е. возникает фотоэлектродвижущая сила. Такую форму внутреннего фотоэффекта называют вентильным фотоэффектом. Он может быть использован для непосредственного преобразования энергии электромагнитного излучения в энергию электрического тока.

Вентильный фотоэффект – явление, когда фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твердое тело(полупроводник) или жидкость(электролит).

Также ещё существует многофотонный фотоэффект – он будет возможен, если интенсивность света очень большая(при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Применение фотоэффекта в технике.

Практическое применение фотоэффекта в технике может быть разнообразным. В частности, внешний фотоэффект применяется для воспроизведения звука, например, в кино. Кроме того, созданы специальные приборы для измерения яркости, силы света, освещенности. Явление фотоэффекта задействовано в управлении производственными процессами. Для этого есть специальные приборы, называемые фотоэлементами. Фотоэлементы и их применение основаны на изменениях проводимости при изменении освещенности. В основном такие элементы используются в системах контроля и учета, например, подсчета готовой продукции. Другое их назначение – контроль попадания объекта в запретную зону. Если рука оператора пресса попадает в рабочую зону, то пресс сразу останавливается. Это срабатывает фотоэлемент. Такое же устройство стоит в турникете, в метро: если оплата проведена (фотоэлемент отключен), то проход открыт, если нет (фотоэлемент включен), то закрыт. Повышение задымленности воздуха тоже приводит к срабатыванию фотоэлемента, сигнализирующего о критической ситуации. Использование фотоэлементов в обрабатывающих станках позволило добиться повышенной точности обработки деталей. Другой возможностью является применение фотоэффекта в качестве источника тока, или солнечных батарей. В подобных устройствах работа основана на разновидности внутреннего фотоэффекта, называемого вентильным фотоэффектом. В этом случае при попадании света на контакт двух полупроводников возникает ЭДС, вследствие чего возможно прямое преобразование световой в электрическую энергию. Подобные солнечные батареи изготавливаются на основе химических соединений. Они позволяют получать электроэнергию без нанесения вреда экологии – солнце освещает поверхность батареи, и на выходе получается готовая к потреблению энергия. Нет никаких сложных механических устройств, нет необходимости сжигать топливо или строить мощные плотины. Однако с применением фотоэффекта в последнее время, возникли трудности. Солнечные батареи дорогие и значит, растёт цена на электроэнергию. Ведь даже сейчас потребность космических станций в электроэнергии обеспечивают солнечные батареи. Да и в местах, где в течение года наблюдается много солнечных дней, работают подобные преобразователи. Перспективы использования солнечной энергии очень заманчивые. Проведены эксперименты, доказывающие, что энергия солнца позволяет плавить металл. А если вспомнить легенду, в которой древнегреческий ученый Архимед, используя зеркала, смог при помощи солнечного света сжечь римские корабли, то можно не сомневаться в неограниченных возможностях применения света, как источника энергии.

Для учеников 1-11 классов и дошкольников
Бесплатные сертификаты учителям и участникам

и молодежной политики Чувашской Республики

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Среди разнообразных явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество, важное место занимает фотоэлектрический эффект, то есть испускание электронов веществом под действием света. Анализ этого явления привел к представлению о световых квантах и сыграл чрезвычайно важную роль в развитии современных теоретических представлений. Вместе с тем фотоэлектрический эффект используется в фотоэлементах получивших исключительно широкое применение в разнообразнейших областях науки и техники и обещающих еще более богатые перспективы. [1]

В системах автоматизации, сигнализации, наблюдения и контроля применяются датчики всевозможных типов: герконовые, резистивные, емкостные, индуктивные, термические, сенсорные, контактные, микроволновые и многие другие, однако чаще всего используются датчики, включающие в себя фотоэлементы. 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 жизни человека.

Интерес в подготовке данного исследовательского проекта вызван желанием узнать,что такое фотоэффект и какое практическое применение нашел фотоэффект в технике.

Цель: изучить явление фотоэффекта и его применение.

изучить теоретический материал фотоэффекта;

изучить виды фотоэлементов;

обобщить применение фотоэлементов

Методы исследования: сбор информации, обобщение.

1. История открытия фотоэффекта

В 1887 г. немецкий физик Генрих Герц экспериментировал с разрядником для излучения электромагнитных волн - парой металлических шаров; при приложении разности потенциалов между ними проскакивала искра. Когда же он освещал один из шаров ультрафиолетовыми лучами, разряд усиливался. Таким образом, был обнаружен внешний фотоэффект.

В 1888 г. Вильгельм Гальвакс установил, что облучённая ультрафиолетовым светом металлическая пластинка заряжается положительно. Так произошло второе открытие фотоэффекта. Третьим, не зная об опытах Герца и Гальвакса, его наблюдал в том же году итальянец Аугусто Риги. Он выяснил, что фотоэффект возможен и в металлах, и в диэлектриках. Александр Григорьевич Столетов был четвёртым учёным, независимо от других открывшим фотоэффект. Он два года исследовал новое явление и вывел его основные закономерности. Оказалось, что сила фототока, во-первых, прямо пропорциональна интенсивности падающего света, а во-вторых, при фиксированной интенсивности облучения сначала растёт по мере повышения разности потенциалов, но, достигнув определённого значения (ток насыщения), уже не увеличивается.

В 1899 г. немец Филипп Ленард и англичанин Джозеф Томсон доказали, что падающий на металлическую поверхность свет выбивает из неё электроны, движение которых и приводит к появлению фототока. Однако понять природу фотоэффекта с помощью классической электродинамики так и не удалось. Необъяснимым оставалось, почему фототок возникал лишь тогда, когда частота падающего света превышала строго определённую для каждого металла величину.

Только в 1905 г. Эйнштейн превратил эту загадку в совершенно прозрачную картину. Он предположил, что электромагнитное излучение не просто испускается порциями - оно и распространяется в пространстве, и поглощается веществом тоже в виде порций - световых квантов (фотонов). Поэтому для возникновения фотоэффекта важна отнюдь не интенсивность падающего светового пучка. Главное, хватает ли отдельному световому кванту энергии, чтобы выбить электрон из вещества. Минимальную энергию, необходимую для этого, называют работой выхода А. В итоге Эйнштейн вывел уравнение фотоэффекта.

Ясно, что фотоэффект может вызывать только световая волна достаточно высокой частоты, а сила фототока пропорциональна интенсивности поглощённого света, то есть числу фотонов, способных выбить электроны из вещества. В 1907 г. Эйнштейн сделал ещё одно уточнение квантовой гипотезы. Почему тело излучает свет только порциями? А потому, отвечал Эйнштейн, что атомы имеют лишь дискретный набор значений энергии. Таким образом, теория излучения и поглощения приняла законченный вид.

В 1922 г. американец Артур Комптон обнаружил, что длинна волны рентгеновского излучения изменяется при рассеянии на электронах вещества. Но, по классической электродинамике, длина световой волны при рассеянии меняться не может! Тогда Комптон выполнил расчёт, предположив, что на электронах рассеиваются не волны, а частицы (фотоны). Результат совпал с экспериментальным. Это стало прямым доказательством реальности существования фотонов.

Объяснение фотоэффекта было дано в 1905 г. Эйнштейном, развившим идеи Планка, о прерывистом испускании света, а уравнение Эйнштейна, несмотря на свою простоту, объясняет основные закономерности фотоэффекта. И за это Эйнштейн был удостоен Нобелевской премии. Тем не менее, в замечательных опытах С. И. Вавилова было установлено, что человеческий глаз, этот тончайший из “приборов”, способный реагировать на различие освещенности, измеряемые единичными квантами. Поэтому 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. Все это, конечно, странно и непривычно. Мы не в состоянии представить себе наглядно, как же это может быть.

Содержание

Вложенные файлы: 1 файл

курсовая.doc

На явлении внутреннего фотоэффекта основана работа фото-сопротивлений.

Простейшее фотосопротивление представляет собой пластинку изолятора, на которую нанесен тонкий слой полупроводника. При освещении пластинки возникает фотопроводимость и в цепи фотосопротивления идет ток. Фотосопротивления применяются в звуковом кино, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике.

Фотосопротивления позволяют на расстоянии автоматически обнаружить нарушения нормального хода различных производственных процессов и останавливать в этих случаях процессы. При нарушениях нормального хода процесса может измениться световой поток, попадающий на фотоэлемент, в результате изменяется сила фототока, и изменяется ход всего процесса.

Фотосопротивления применяются для сортировки массовых изделий по их размерам и окраске. Пучок света падает на фотоэлемент, отразившись от сортируемых изделий, которые непрерывно подаются на конвейер. Окраска изделия или его размер определяют световой поток, попадающий на фотоэлемент, и силу фототока. В зависимости от силы фототока автоматически производится сортировка изделий.

Устройство фотоэлемента с запирающим слоем ( вентильный фотоэлемент). Две соприкасающиеся друг с другим пластинки, изготовленные из металла и его окиси (полупроводник) покрыты сверху тонким прозрачным слоем металла. Пограничный слой между металлом и его окисью имеет одностороннюю электропроводность - электроны могут проходить лишь в направлении от окиси металла к металлу. Поток электронов, идущий в этом направлении, создается под действием света без всякого внешнего напряжения. Вентильный фотоэлемент непосредственно превращает энергию световой волны в энергию электрического тока, т.е. является источником тока. На этом принципе основано действие солнечных батарей, которые устанавливаются на космических кораблях.

Применение фотоэффекта в медицине

Электровакуумные или полупроводниковые приборы, принцип работы которых основан на фотоэффекте, называют фотоэлектронными. Рассмотрим устройство некоторых из них.

Наиболее распространенным фотоэлектронным прибором является фотоэлемент. Фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, состоит из источника электронов — фотокатода , на который попадает свет, и анода.

Вся система заключена в стеклянный баллон, из которого откачан воздух. Фотокатод, представляющий собой фоточувствительный слой, может быть непосредственно нанесен на часть внутренней поверхности баллона. На рисунке дана схема включения фотокатода в цепь.

Для вакуумных фотоэлементов рабочим режимом является режим насыщения, которому соответствуют горизонтальные участки ВАХ, полученных при разных значениях светового потока.

Основной параметр фотоэлемента — его чувствительность, выражаемая отношением силы фототока к соответствующему световому потоку. Эта величина в вакуумных фотоэлементах достигает значения порядка 100 мкА/лм.

Для увеличения силы фототока применяют также газонаполненные фотоэлементы, в которых возникает несамостоятельный темный разряд в инертном газе, и вторичную электронную эмиссию — испускание электронов, происходящее в результате бомбардировки поверхности металла пучком первичных электронов. Последнее находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

Падающие на фотокатод фотоны эмитируют электроны, которые фокусируются на первом электроде (диноде). В результате вторичной электронной эмиссии с этого динода вылетает больше электронов, чем падает на него, т. е. происходит как бы умножение электронов. Умножаясь на следующих динодах, электроны в итоге образуют усиленный в сотни тысяч раз ток по сравнению с первичным фототоком.

ФЭУ применяют главным образом для измерения малых лучистых потоков, в частности ими регистрируют сверхслабую биолюминесценцию, что важно при некоторых биофизических исследованиях.

На внешнем фотоэффекте основана работа электронно-оптического преобразователя (ЭОП), предназначенного для преобразования изображения из одной области спектра в другую, а также для усиления яркости изображений. Световое изображение объекта, проецированное на полупрозрачный фотокатод , преобразуется в электронное изображение . Ускоренные и сфокусированные электрическим полем электродов электроны попадают на люминесцентный экран . Здесь электронное изображение благодаря катодолюминесценции вновь преобразуется в световое .

В медицине ЭОП применяют для усиления яркости рентгеновского изображения, это позволяет значительно уменьшить дозу облучения человека.

Вентильные фотоэлементы имеют преимущество перед вакуумными, так как работают без источника тока.

Медная пластинка, служащая одним из электродов, покрывается тонким слоем закиси меди Сu2О (полупроводник). На закись меди наносится прозрачный слой металла (например, золото Аu), который служит вторым электродом. Если фотоэлемент осветить через второй электрод, то между электродами возникнет фото-э.д.с., а при замыкании электродов, в электрической цепи пойдет ток, зависящий от светового потока.

Чувствительность вентильных фотоэлементов достигает нескольких тысяч микроампер на люмен.

На основе высокоэффективных вентильных фотоэлементов с к.п.д., равным 15% для солнечного излучения, создают специальные солнечные батареи для питания бортовой аппаратуры спутников и космических кораблей.

Зависимость силы фототока от освещенности (светового потока) позволяет использовать фотоэлементы как люксметры, что находит применение в санитарно-гигиенической практике и при фотографировании для определения экспозиции (в экспонометрах).

Некоторые вентильные фотоэлементы (сернисто-таллиевый, германиевый и др.) чувствительны к инфракрасному излучению, их применяют для обнаружения нагретых невидимых тел, т. е. как бы расширяют возможности зрения. Другие фотоэлементы (селеновые) имеют спектральную чувствительность, близкую к человеческому глазу, это открывает возможности использования их в автоматических системах и приборах вместо глаза как объективных приемников видимого диапазона света.

На явлении фотопроводимости основано и явление фоторезистора.

Простейшее фотосопротивление представляет собой тонкий слой полупроводника с металлическими электродами и изолятором. Фотосопротивления, как и фотоэлементы, позволяют определять некоторые световые характеристики и используются в автоматических системах и измерительной аппаратуре.

Заключение

Открытие сложного строения атома — важнейший этап становления современной физики, наложивший отпечаток на все ее дальнейшее развитие. В процессе создания количественной теории строения атома, позволившей объяснить атомные спектры, были открыты новые законы движения микрочастиц законы квантовой механики.

Это явление, уже в наше время широко применяется в промышленности и быту. Ведь на этом явлении основана и работает солнечная батарея, системы тепловидения применяемые для обзора местности, охраны окружающей среды, обнаружения лесных пожаров, контроля качества продукции и ещё много где. Преимуществом этих систем является их способность работать в любое время суток и в неблагоприятных погодных условиях, и кто знает, как бы мы сейчас жили без этого явления.

Я считаю, что всё большее применение этого явления поможет человечеству решить многие проблемы, такие как: экология нашей планеты, исследование дальнего космоса и т.д..

Читайте также: