"Физика (Базовый и углубленный уровни)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.
Фотоэффект позволяет превращать действие света в электрический сигнал или электрическую энергию. На этом явлении работают фотоэлементы, фотореле, фоторезисторы, фотодиоды и солнечные батареи. В одних устройствах свет выбивает электроны из металла, в других изменяет проводимость полупроводника. Главное — понимать, как освещённость влияет на фототок и почему фотоэлектрические приборы способны обнаруживать свет, измерять его и автоматически управлять различными устройствами.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Фотоэлемент — устройство, в котором энергия света преобразуется в электрический сигнал. В простейшем вакуумном варианте есть фотокатод, анод и пространство между ними, а также источник напряжения и внешняя цепь. Он нужен, чтобы обнаружить свет или передать сведения о его интенсивности в электрическую схему.
Фототок — электрический ток, возникающий под действием света. Его сила зависит от освещённости, площади освещённой поверхности, частоты излучения и свойств чувствительного материала, а также от напряжения и сопротивления цепи. По фототоку судят о наличии света и изменении его интенсивности.
Фотореле — устройство автоматического управления, которое срабатывает при изменении освещённости. Фотоэлектрический датчик создаёт сигнал, а электронная схема сравнивает его с заданным порогом и включает или выключает нагрузку. Поэтому фотореле используют там, где не требуется постоянно управлять прибором вручную.
Солнечная батарея — источник электрического тока, преобразующий энергию солнечного излучения в электрическую. Её собирают из множества фотоэлектрических элементов, соединённых для получения нужного напряжения и тока. В отличие от аккумулятора, батарея не запасает энергию сама по себе, а вырабатывает её во время освещения.
В вакуумном фотоэлементе свет падает на фотокатод и передаёт энергию его электронам. Если энергия фотона не меньше работы выхода, электроны покидают металл; между катодом и анодом их направляет электрическое поле, поэтому во внешней цепи появляется ток. Так энергия излучения превращается сначала в движение зарядов, а затем в измеряемый электрический сигнал.
При большей освещённости на поверхность за то же время попадает больше фотонов, поэтому освобождается больше электронов. Увеличение площади также позволяет принять больше излучения, если освещённость на каждом участке одинакова. Поэтому фототок обычно растёт с освещённостью и площадью, пока прибор и внешняя цепь не достигнут предельного режима.
В фотореле фотодатчик включён в схему сравнения или управления. Когда освещённость меняется, меняется фототок либо сопротивление чувствительного элемента, и схема достигает порога срабатывания. Реле замыкает или размыкает цепь нагрузки, поэтому уличный светильник может включаться в темноте, а жалюзи или сигнализация — реагировать на свет автоматически.
В полупроводнике фотон может передать энергию электрону, связать его с другим состоянием или создать пару электрон — дырка. Число свободных носителей увеличивается, и сопротивление материала изменяется: это внутренний фотоэффект, не требующий выхода электронов из вещества. Фоторезистор использует изменение проводимости, а фотодиод — направленное движение носителей в области полупроводникового перехода.
Фотоэлектрические преобразователи применяют там, где нужно обнаружить, измерить или использовать свет. В оптической связи фотодиод превращает световые импульсы в электрические, в автоматике датчики управляют механизмами, а в цифровых камерах множество светочувствительных элементов формируют изображение. Солнечные батареи используют тот же общий принцип преобразования, но рассчитаны не только на сигнал, а на получение полезной электрической мощности.
В таблице сначала определите, какое явление используется в устройстве, затем посмотрите, что именно выходит на его электрическом выходе. Это помогает не путать прибор для обнаружения света с источником энергии. Один и тот же общий принцип фотоэффекта может давать сигнал, изменение сопротивления или мощность для нагрузки.
| Устройство | Физическая основа | Какой сигнал или энергия получается | Примеры применения |
|---|---|---|---|
| Вакуумный фотоэлемент | Внешний фотоэффект: выход электронов из фотокатода | Фототок | Световые датчики, измерительные приборы |
| Фоторезистор | Внутренний фотоэффект, изменение проводимости полупроводника | Изменение сопротивления и тока | Фотореле, датчики освещённости, автоматика |
| Фотодиод | Внутренний фотоэффект в полупроводниковом переходе | Фототок или напряжение | Оптическая связь, считыватели, измерения |
| Фотореле | Работа фотодатчика и пороговой схемы управления | Команда включения или выключения | Уличное освещение, сигнализация, автоматические устройства |
| Солнечная батарея | Внутренний фотоэффект и разделение носителей в переходе | Электрическая энергия | Энергоснабжение космических аппаратов, домов и приборов |
Освещённость фотоэлемента увеличили в k раз, а частота света, площадь поверхности и режим цепи не изменились. Требуется определить изменение фототока. Рассуждать нужно через число фотонов, попадающих на поверхность за единицу времени.
Ответ: фототок возрастёт примерно в k раз, если не достигнуто насыщение и сопротивление внешней цепи не изменилось.
Для металла известна работа выхода Aвых, а на него падает излучение частоты ν. Нужно выяснить, возникнет ли фототок и сработает ли фотореле, настроенное на обнаружение этого тока. Одной только высокой яркости недостаточно: сначала должна выполняться энергетическая возможность выхода электронов.
Ответ: при hν < Aвых фототока и срабатывания по этому сигналу не будет. При hν ≥ Aвых решение о срабатывании зависит от силы полученного тока и настройки порога.
Солнечная батарея имеет площадь S, получает освещённость I, её КПД равен η, а рабочее напряжение — U. Требуется найти электрическую мощность и силу тока. Сначала нужно определить всю световую мощность, затем учесть потери преобразования.
Ответ: Pэл = ηIS, а сила тока равна Iтока = ηIS/U. В расчёте освещённость должна быть выражена в ваттах на квадратный метр, площадь — в квадратных метрах, КПД — десятичной дробью.
Ошибка: считать, что любое фотоэлектрическое устройство работает только за счёт внешнего фотоэффекта. Её допускают, потому что в обоих случаях свет создаёт электрический отклик, но в полупроводниках электроны обычно не покидают вещество. Проверка простая: если меняется проводимость или работает переход, речь идёт о внутреннем фотоэффекте.
Ошибка: связывать увеличение освещённости с ростом максимальной кинетической энергии электронов. Освещённость меняет число фотонов, а энергию одного фотона задаёт частота: E = hν. Проверьте, какая величина изменилась в условии, и не подменяйте интенсивность частотой.
Ошибка: считать солнечную батарею накопителем энергии. Батарея непосредственно преобразует падающее излучение в электрическую энергию, а запасать её может отдельный аккумулятор. Чтобы проверить себя, спросите, будет ли устройство отдавать энергию в темноте без накопителя.
Ошибка: путать фототок с током во всей цепи устройства. Реальный ток зависит от нагрузки, напряжения, сопротивления и режима работы, поэтому показания могут отличаться от тока короткого замыкания. Перед расчётом определите, о каком участке цепи и каком режиме говорится в задаче.
Для понимания применения фотоэффекта нужны работа выхода, уравнение Эйнштейна и представление о силе фототока. Также пригодятся основы электрического тока, напряжения, сопротивления и мощности. Эти знания позволяют перейти от энергии фотона к работе конкретной электрической схемы.
Тема подготавливает изучение полупроводниковых приборов, фотодиодов, светодиодов и солнечной энергетики. В дальнейшем важно различать носители заряда, полупроводниковый переход и режимы работы приборов. Это объясняет, почему одинаковое освещение может создавать разные электрические результаты.
Применения фотоэффекта связаны с автоматикой, оптической связью, цифровыми камерами и измерительными приборами. В каждой системе свет либо обнаруживается, либо кодирует информацию, либо преобразуется в полезную энергию. Поэтому фотоэлектрические устройства встречаются и в бытовой технике, и в научных установках.
Почему фотоэлемент реагирует на свет, но не обязательно вырабатывает заметную мощность?
Фотоэлемент может давать сигнал, достаточный для регистрации света, но его ток и напряжение иногда малы. Для получения заметной мощности нужна подходящая нагрузка, достаточная освещённость и устройство, рассчитанное на отдачу энергии.
Чем фоторезистор отличается от фотоэлемента?
Фоторезистор изменяет своё сопротивление при освещении и обычно включается в электрическую цепь как управляемый элемент. Фотоэлемент чаще понимают как устройство, непосредственно создающее фототок или электрический сигнал под действием света.
Почему солнечная батарея работает даже без внешнего источника напряжения?
В солнечной батарее свет разделяет носители заряда во внутреннем электрическом поле полупроводникового перехода. Поэтому на её выводах возникает напряжение, а при подключении нагрузки течёт ток.
Можно ли использовать фотореле для измерения освещённости?
Обычное фотореле предназначено главным образом для срабатывания при заданном пороге освещённости, а не для точного измерения. Для измерений нужны градуировка, измерительная схема и прибор, показывающий значение освещённости.
Почему увеличение частоты света не всегда приводит к увеличению фототока?
Частота определяет энергию одного фотона и максимальную кинетическую энергию фотоэлектронов. Фототок в основном связан с числом освобождённых носителей, поэтому при неизменной мощности увеличение частоты может даже уменьшить их число.
5. Применение фотоэффекта
