§ 6.5. Применение фотоэффекта

Определения и обозначения

Фотоэлемент — устройство, в котором свет вызывает или изменяет электрический ток. Его действие основано на фотоэффекте — явлении взаимодействия света с веществом, при котором меняются движение электронов или проводимость. Фотоэлемент нужен, чтобы обнаруживать свет и превращать его воздействие в электрический сигнал.

Вакуумный фотоэлемент — прибор с фотокатодом и анодом, помещёнными в вакуум. Свет выбивает электроны с фотокатода, а электрическое поле направляет их к аноду. Такой прибор позволяет получить ток, величина которого связана с освещением.

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, сопротивление которого уменьшается при освещении из-за увеличения числа носителей заряда. Носители заряда — частицы, способные переносить электрический заряд; в полупроводнике это электроны и дырки. Фоторезистор применяют там, где нужно реагировать на изменение яркости.

Солнечный элемент — полупроводниковый прибор, преобразующий энергию света непосредственно в электрическую энергию. Возникающее в нём напряжение можно использовать для питания нагрузки. В отличие от фоторезистора, солнечный элемент способен быть источником электрической энергии.

Как это устроено

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на фотокатод и передаёт энергию его электронам. Если электрон получает достаточно энергии, он покидает поверхность катода — происходит внешний фотоэффект. Между катодом и анодом поддерживается напряжение, поэтому электрическое поле ускоряет вылетевшие электроны к аноду; их направленное движение и образует фототок.

Сила фототока зависит от потока света, падающего на фотокатод. При неизменных условиях более интенсивный поток означает, что за секунду на поверхность попадает больше фотонов. Поэтому обычно за это же время вылетает больше электронов, и через цепь переносится больший заряд; ток возрастает.

В полупроводнике свет может передать энергию электронам внутри вещества и создать дополнительные носители заряда. В фоторезисторе их становится больше, поэтому заряд переносится легче и сопротивление уменьшается. В солнечном элементе свет тоже создаёт носители, но внутреннее электрическое поле разделяет заряды и поддерживает разность потенциалов. При подключении внешней цепи эта разность потенциалов вызывает ток.

В автоматических устройствах фотоэлемент служит датчиком: он реагирует на освещённость, а электрическая схема превращает изменение его сигнала в команду. Например, когда темнеет, сигнал может включить уличную лампу; при пересечении светового луча человеком схема может открыть двери. Срабатывание происходит потому, что изменение света меняет фототок или сопротивление чувствительного элемента, а электронная схема распознаёт этот сдвиг.

При воспроизведении звука с киноплёнки свет проходит через участок с оптической фонограммой, прозрачность которой меняется вдоль плёнки. Движение плёнки превращает эти изменения в меняющийся световой поток на фотоэлементе. Из-за этого изменяется фототок, соответствующий записи звука; усилитель увеличивает сигнал, а динамик преобразует его в звуковые колебания.

Применение фотоэффекта в приборах

Сначала определите, какой элемент используется: вакуумный, полупроводниковый или преобразующий свет в электрическую энергию. Затем проследите, какая величина меняется при освещении — фототок, сопротивление или напряжение. Последний столбец показывает, как это изменение применяют на практике.

Разбор задач

Задача 1. Объясните, почему фототок в вакуумном фотоэлементе увеличивается при усилении освещения фотокатода.

1. Свяжем фототок с движением электронов: его создаёт заряд электронов, которые за секунду достигают анода.
2. При более ярком освещении на фотокатод за то же время попадает больше света. При неизменных свойствах прибора это обычно вызывает вылет большего числа электронов.
3. Значит, за секунду к аноду переносится больший заряд. По определению силы тока как заряда, прошедшего за единицу времени, фототок возрастает.

Ответ: при усилении освещения обычно вылетает больше электронов в секунду, поэтому увеличивается фототок.

Задача 2. Фоторезистор освещают ярче. Как изменятся его сопротивление и ток в цепи, если напряжение источника остаётся постоянным?

1. Свет создаёт в полупроводнике дополнительные носители заряда. Из-за этого фоторезистор проводит ток лучше, то есть его сопротивление уменьшается.
2. Для участка цепи при постоянном напряжении действует закон Ома: I = U / R. Здесь I — ток, U — напряжение, R — сопротивление.
3. Если U не меняется, а R уменьшается, отношение U / R увеличивается. Следовательно, ток в цепи возрастает.

Ответ: сопротивление фоторезистора уменьшится, а ток при постоянном напряжении увеличится.

Задача 3. Солнечный элемент площадью 0,02 м² получает световую мощность 100 Вт/м². При КПД 15% определите электрическую мощность элемента.

1. Освещённость здесь задана как мощность света на единицу площади. Поэтому падающая на элемент мощность равна Pпад = E × S.
2. Подставим значения: Pпад = 100 Вт/м² × 0,02 м² = 2 Вт. Единицы площади сокращаются, остаются ватты.
3. КПД 15% означает, что в электрическую энергию превращается 0,15 падающей мощности. Тогда Pэл = 0,15 × 2 Вт = 0,3 Вт.

Ответ: электрическая мощность элемента равна 0,3 Вт.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой фотоэлемент работает только за счёт вылета электронов в вакуум. Так думают, потому что именно такую модель часто используют для объяснения внешнего фотоэффекта. Но в полупроводниковых приборах свет может менять проводимость или создавать напряжение; проверьте себя, уточнив, какие частицы или величина меняются в данном устройстве.

Ошибка: путать фоторезистор с источником напряжения. Он меняет сопротивление, а ток возникает под действием напряжения источника или другого элемента цепи. Чтобы проверить рассуждение, найдите источник напряжения на схеме: если его нет, одно изменение сопротивления не задаёт ток.

Ошибка: ожидать, что усиление освещения повышает сопротивление фоторезистора. Это предположение может возникнуть из-за смешения сопротивления с числом носителей заряда, но свет обычно создаёт дополнительные носители, и сопротивление падает. Проверьте направление изменения: больше носителей означает более лёгкий перенос заряда.

Ошибка: считать мощность света, падающую на солнечный элемент, его электрической мощностью. Не вся энергия света преобразуется в электрическую, поэтому выходная мощность зависит от КПД и меньше падающей. Проверка проста: умножьте падающую мощность на КПД, выраженный долей единицы, а не приравнивайте эти мощности.

Связь с другими темами

Для понимания вакуумного фотоэлемента нужны знания о внешнем фотоэффекте, работе выхода — минимальной энергии для выхода электрона из вещества, — фототоке и электрической цепи. Работа полупроводниковых приборов связана с представлениями о носителях заряда и проводимости полупроводников. Эти знания помогают увидеть, почему одни устройства реагируют изменением тока, а другие — сопротивления или напряжения. Фотоэлементы применяют в оптике, автоматике, системах связи и преобразовании солнечной энергии.

Что запомнить

• Фотоэлементы преобразуют действие света в электрический сигнал или электрическую энергию.
• Вакуумный фотоэлемент использует вылет электронов с фотокатода.
• При усилении освещения фототок вакуумного фотоэлемента обычно возрастает.
• Освещение уменьшает сопротивление фоторезистора.
• Солнечный элемент преобразует энергию света в электрическую.
• В автоматике фотоэлемент может служить датчиком освещённости.