Unitas.ru

Сантехника водопровод
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Фотоэлементы. Виды и устройство. Работа и применение

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.

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.

Читайте так же:
Чем обжать кабель розетка

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.

Читайте так же:
Протокол измерений постоянным током смонтированных парных кабелей 1

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.

Понятие и свойства фотона

Фотон

Неотъемлемой частью эффекта является фотон. Это материальная частица, распространяющаяся в виде электромагнитного излучения. Её кинетическая энергия описывается уравнением:

  • m — масса фотона;
  • c — скорость света.

Импульс кванта совпадает с направлением светового потока и равен произведению массы на скорость. Открыть существование импульса стало возможным лишь после изучения светового давления (сила воздействия электромагнитного излучения). За импульс фотона была принята частица, способная существовать и иметь массу, только перемещаясь со скоростью света.

Исходя из этого, можно сделать вывод — остановить фотон нельзя. Он может существовать только в движении, иначе его попросту нет. Следовательно, масса покоя частицы равна нулю.

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.

внешний фотоэффект

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.

Читайте так же:
Расчет тока для наружного освещения

Альберт Эйнштейн и современная теория фотоэффекта

В 1905 году, используя результаты исследований различных ученых (Столетова, Томсона, Планка), Эйнштейн опубликовал статью «Об эвристической точке зрения, касающейся возникновения и преобразования света», в которой дал исчерпывающее объяснение рассмотренному явлению и привел уравнение фотоэффекта.

Альберт Эйнштейн

Современные законы фотоэффекта формулируются следующим образом:

  1. Между интенсивностью света и индуцированным фототоком существует прямая пропорциональность (закон Столетова).
  2. Существует некоторая частота света, называемая пороговой, ниже которой рассматриваемое явление не наблюдается.
  3. Кинетическая энергия вырванного фотоном электрона прямо пропорциональна частоте фотона и не зависит от интенсивности света, падающего на катод.
  4. Этот эффект возникает мгновенно, как только свет падает на материал.

Новые особенности

Но вернемся к корпускулярно-волновому дуализму. Для количественной проверки его фундаментального принципа и взаимодополняемости необходима квантовая составная система, которой можно управлять с помощью экспериментальных параметров. После того, как Нильс Бор ввел концепцию «взаимодополняемости» в 1928 году, лишь несколько идей были проверены экспериментально.

Таким образом, концепция дополнительности и корпускулярно-волнового дуализма все еще остается неуловимой и еще не полностью подтверждена экспериментально.

Но эта проблема, как и любая другая, имеет решение. Так, исследовательская группа из Института фундаментальных наук (IBS, Южная Корея) воспользовалась результатами опытов в «схеме однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой» (оптическая схема, которую физики использовали для демонстрации однофотонной интерферометрии с частотной гребенкой, для проверки предсказанных ранее соотношения дополнительности).

Новое, разработанное исследователями устройство – двухлучевой интерферометр – генерирует фотоны когерентного сигнала (кванты), которые используются для измерения квантовых помех. Затем кванты проходят по двум отдельным путям, прежде чем достичь детектора.

Сопряженные «холостые» фотоны используются для получения информации о пути частиц с контролируемой точностью, что позволяет количественно оценивать комплементарность, – пишет портал Phys.org со ссылкой на исследование.

Схема эксперимента. PPLN1 и PPLN2 – это СПР кристаллы, BS1, BS2 и BS3 – светоделители, DA и DB – детекторы холостой моды. PD – фотодетектор, фиксирующий квантовую интерференцию между сигнальными фотонами.
T. H. Yoon / Science Advances, 2021; Перевод N+1

Физики также отмечают, что данные, полученные ими на этой установке ранее, могут быть использованы для исследования связи предсказуемости, видимости и квантовой запутанности. В ходе эксперимента им удалось управлять числом фотонов в «холостых модах» с помощью маломощного лазера и, следовательно, чистотой состояний сигнальных фотонов. Полученные результаты продемонстрировали, что экспериментальные данные довольно точно описываются выведенными соотношениями.

Читайте так же:
Eax64905301 уменьшить ток подсветки

Интересный факт
Как пишет в своей книге «Физика для каждого образованного человека» Спектор Анна Артуровна, фотоэлементы сделали возможным звуковое кино. На кинопленку стали наносить звуковую дорожку – прозрачные окошки различной площади. Свет через них достигал фотоэлемента, затем преобразовывался в электрический сигнал и подавался на громкоговоритель.

В целом, из всего вышеописанного можно сделать вывод, к которому в свое время пришел один из выдающихся исследователей ХХ века, физик Ричард Фейнман. «Решение загадки квантовой механики заключается в понимании эксперимента с двумя щелями», – писал он.

Все потому, что результаты нового исследования, вероятно, будут иметь фундаментальные последствия для лучшего понимания принципа дополнительности и количественного соотношения двойственности волны и частицы. Вообщем, фундаментальные силы природы, кажется, все больше поддаются изучению.

Законы фотоэффекта А. Столетова

Наиболее глубокое исследование фотоэффекта было проведено в конце XIX в. А. Столетовым. Хотя механизм фотоэффекта был установлен лишь в начале XX в., А. Столетов смог вывести количественные закономерности, описывающие фотоэффект, которые сейчас носят его имя.

В опытах использовался стеклянный вакуумный баллон с двумя электродами. Катод мог освещаться через специальное стекло, напряжение между электродами могло задаваться экспериментатором.

Законы фотоэффекта – основные формулы Эйнштейна и Столетова кратко (11 класс)

Рис. 1. Опыт Столетова.

Первый закон фотоэффекта Столетова звучит так: фототок насыщения пропорционален световому потоку, падающему на катод. Объясняется этот закон тем фактом, что фототок — это движение электронов, выбитых из катода в результате фотоэффекта. При нулевом напряжении выбитые электроны летят во все стороны, и некоторые достигают анода — возникает ток. При повышении напряжения все больше электронов достигают анода, ток растет, но только до тех пор, пока до анода не будут долетать все выбитые электроны.

Второй закон фотоэффекта Столетова гласит, что кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а зависит от его частоты и возрастает с частотой. Объяснить этот закон в рамках классической электродинамики невозможно, его смогли объяснить только с разработкой квантовой теории фотоэффекта.

Третий закон фотоэффекта Столетова гласит, что существует некоторая минимальная частота облучения, ниже которой фотоэффект сразу же исчезает. Эта минимальная частота была названа «красной границей фотоэффекта», и она специфична для каждого вещества.

Законы фотоэффекта – основные формулы Эйнштейна и Столетова кратко (11 класс)

Рис. 2. Законы фотоэффекта Столетова.

Вариант 5

A1. При фотоэффекте работа выхода электрона из металла, зависит от

1) частоты падающего света
2) интенсивности падающего света
3) химической природы металла
4) кинетической энергии вырываемых электронов

Читайте так же:
Расчет тока в кабеле электродвигателя

А2. Определите импульс фотона, обладающего энергией 4 · 10 -19 Дж.

1) 4,44 · 10 -36 кг · м/с
2) 3,6 · 10 -2 кг · м/с
3) 1,33 · 10 -21 кг · м/с
4) 1,2 · 10 -10 кг · м/с

А3. Средняя мощность лазерного излучения равна Р, длина волны λ. Число фотонов, ежесекундно излучаемых лазером, в среднем равно

А4. Радиоактивный изотоп урана 238 92U после двух α-распадов и двух β-распадов превращается в изотоп

А5. По данным таблицы химических элементов Д.И. Менделеева определите число нейтронов в ядре технеция.

Технеций

1) 43
2) 56
3) 99
4) 142

B1. Детектор полностью поглощает падающий на него свет длиной волны λ = 500 нм. Поглощаемая мощность равна Р = 3,3 · 10 -14 Вт. Сколько фотонов падает на детектор за время t = 3 с? Полученный ответ разделите на 10 5 .

В2. Ядро атома захватило нейтрон и испустило электрон. Как изменяются перечисленные ниже характеристики атомного ядра при такой реакции? К каждой позиции первого столбца подберите соответствующую позицию второго и запишите выбранные цифры под соответствующими буквами.

ВЕЛИЧИНЫ

А) масса ядра
Б) заряд ядра
В) число нейтронов в ядре

ХАРАКТЕР ИЗМЕНЕНИЯ

1) не изменяется
2) увеличивается
3) уменьшается

C1. Фотокатод, покрытый кальцием (работа выхода 4,4 · 10 -19 Дж), освещается светом с частотой 2 · 10 15 Гц. Вылетевшие из катода электроны попадают в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции этого поля и движутся по окружностям максимального радиуса 5 мм. Чему равен модуль индукции магнитного поля? Заряд электрона 1,6 · 10 -19 Кл, его масса 9,1 · 10 -31 кг.

Ответы на контрольную работу Квантовая физика 11 класс
Вариант 1
A1-2
A2-1
A3-2
A4-1
A5-4
B1. 2,5 ⋅ 10 18
B2. 333
C1. 16 425 К
Вариант 2
A1-1
A2-3
A3-2
A4-2
A5-1
B1. 9,9 ⋅ 10 -7 м
B2. 122
C1. 11 ⋅ 10 -9 Кл
Вариант 3
A1-1
A2-2
A3-4
A4-2
A5-3
B1. 3,7 ⋅ 10 20
B2. 111
C1. 7,45 см
Вариант 4
A1-4
A2-1
A3-2
A4-2
A5-3
B1. 2,4
B2. 332
C1. 4,76 мм
Вариант 5
A1-3
A2-3
A3-4
A4-2
A5-2
B1. 2,5
B2. 221
C1. 1,58 мТл

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector