Применение фотоэффекта в технике

   Согласно 2-му закону фотоэффекта, максимальная кинетическая энергия вырываемых светом электронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности.

   3-й закон фотоэффекта: для каждого вещества при определенном состоянии его поверхности существует граничная частота света, ниже которой фотоэффект не наблюдается. Эта частота и соответствующая длина волны называется красной границей фотоэффекта. Теоретическое объяснение этих законов было дано в 1905 году Эйнштейном. Согласно ему, электромагнитное излучение представляет собой поток отдельных квантов (фотонов) с энергией hν каждый, где h — постоянная Планка. При фотоэффекте часть падающего электромагнитного излучения от поверхности металла отражается, а часть проникает внутрь поверхностного слоя металла и там поглощается. Поглотив фотон, электрон получает от него энергию и, совершая работу выхода A, покидает металл: {\displaystyle h\nu =A+W_{k},} h\nu =A+W_{{k}}, где {\displaystyle W_{k}} W_{{k}} — максимальная кинетическая энергия, которую имеет электрон при вылете из металла.

Фотоэлектрический эффект:

   Фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание веществом электронов под действием электромагнитного излучения. Принято выделять три вида фотоэффекта:

1. Внешний фотоэффект - эмиссия (испускание) электронов с поверхности металла под действием электромагнитного излучения;

2. Внутренний фотоэффект - изменение концентрации свободных зарядов в веществе (полупроводниках и диэлектриках);

3. Вентильный фотоэффект - явление, при котором фотоэлектроны, переходя через поверхность раздела двух веществ, создают разность потенциалов (полупроводник - полупроводник, полупроводник – металл).

КОРПУСКУЛЯРНЫЕ СВОЙСТВА СВЕТА

   Свет обладает корпускулярно-волновой двойственностью. В зависимости от системы отсчета поток электромагнитного излучения можно рассматривать и как поток частиц (корпускул) , и как волну. В частности, свет — это и корпускулы (фотоны) , и электромагнитные волны. Свет демонстрирует свойства волны в явлениях дифракции и интерференции при масштабах, сравнимых с длиной световой волны. Например, одиночные фотоны, проходящие через двойную щель, создают на экране интерференционную картину, определяемую уравнениями Максвелла.

   Корпускулярные свойства света проявляются при фотоэффекте. Фотон ведет себя и как частица, которая излучается или поглощается целиком объектами, размеры которых много меньше его длины волны (например, атомными ядрами) , или вообще могут считаться точечными (например, электрон).

   Если волновые свойства света играют определяющую роль в закономерностях его распространения, интерференции, дифракции, поляризации, то корпускулярные - в процессах взаимодействия света с веществом. Чем больше длина волны света, тем меньше импульс и энергия фотона и тем труднее обнаружить квантовые свойства света. Например, внешний фотоэффект происходит только при энергиях фотонов, больших или равных работе выхода электрона из вещества.

 Чем меньше длина волны электромагнитного излучения, тем больше энергия и импульс фотонов и тем труднее обнаружить волновые свойства этого излучения. Например, рентгеновское излучение дифрагирует только на очень «тонкой» дифракционной решетке - кристаллической решетке твердого тела.

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 электроэнергии 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.

   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.