7. Применение фотоэффекта

Определения и обозначения

Фотоэлемент — устройство, в котором свет вызывает электрический эффект. Он нужен, чтобы обнаруживать освещение, измерять его или получать электрический сигнал. В вакуумных фотоэлементах электроны вылетают с фотокатода, а в полупроводниковых меняются свойства вещества.

Фотореле — устройство, автоматически включающее или выключающее электрическую цепь в зависимости от освещённости. Оно нужно для управления нагрузкой без постоянного участия человека. Например, фотореле может включить фонарь при наступлении темноты.

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, сопротивление которого меняется при освещении. Обычно свет уменьшает его сопротивление, поэтому через него при том же напряжении проходит больший ток. Такой прибор удобен как датчик уровня освещённости.

Фотоэлектрический генератор — устройство, непосредственно преобразующее энергию света в электрическую энергию. Он нужен для получения электричества от солнечного излучения. При работе генератора на его контактах возникает напряжение, а во внешней цепи может протекать ток.

Как это устроено

В вакуумном фотоэлементе свет попадает на фотокатод — электрод, покрытый веществом, из которого электроны легко выбиваются. Поглощённая энергия фотонов передаётся электронам, и часть из них покидает поверхность катода. Электрическое поле между катодом и анодом ускоряет эти электроны к аноду, поэтому во внешней цепи регистрируется фототок.

Сила фототока связана с числом электронов, достигающих анода за единицу времени. Чем выше освещённость при неизменных свойствах света и площади катода, тем больше фотонов попадает на поверхность и тем больше электронов выбивается. Поэтому ток возрастает, пока устройство не достигнет режима насыщения, при котором почти все выбитые электроны собираются анодом.

В фоторезисторе свет не выбивает электроны наружу, а изменяет состояние самого полупроводника. Энергия света переводит часть электронов в свободное состояние и увеличивает число носителей заряда. Проводимость становится больше, а сопротивление, связанное с проводимостью обратной зависимостью, обычно уменьшается.

В фотоэлектрическом генераторе свет создаёт в полупроводнике разделение положительных и отрицательных зарядов. Внутреннее электрическое поле не позволяет им сразу рекомбинировать и направляет их к разным контактам. Между контактами появляется напряжение, а после подключения внешней цепи разделённые заряды создают ток.

Фотореле использует изменение сигнала фотоэлемента для управления другой цепью. Последовательность такова: свет меняет ток или сопротивление датчика, этот сигнал воздействует на управляющее устройство, а оно переключает контакты реле. Так автоматически включаются уличные фонари в темноте, регулируется освещение витрин и управляются шторы или системы безопасности.

Применение фотоэффекта в устройствах

В таблице сначала определите, какой параметр меняется под действием света, а затем сравните его с назначением устройства. Если меняется ток или сопротивление, речь идёт о датчике и сигнале; если получается полезная электрическая мощность, перед нами генератор. Фотореле объединяет датчик и коммутирующую часть, поэтому оно может управлять более мощной нагрузкой.

Разбор задач

Фототок по числу электронов

Условие: за 1 с на фотокатод падает свет, выбивающий N = 2·10¹² электронов. Каждый электрон достигает анода. Найти фототок. Используем заряд электрона e = 1,6·10⁻¹⁹ Кл.

1. За время t электроны переносят заряд q = Ne, поскольку вклад каждого электрона равен элементарному заряду.
2. Подставим значения: q = 2·10¹² · 1,6·10⁻¹⁹ Кл = 3,2·10⁻⁷ Кл.
3. По определению силы тока I = q/t, поэтому I = 3,2·10⁻⁷ Кл / 1 с = 3,2·10⁻⁷ А.

Ответ: I = 3,2·10⁻⁷ А, или 0,32 мкА.

Изменение тока в фоторезисторе

Условие: сопротивление фоторезистора при освещении изменилось с R₁ = 12 кОм до R₂ = 3 кОм. Напряжение постоянно. Найти, как изменился ток. Здесь важно сравнить токи, а не только сопротивления.

1. По закону Ома I = U/R, поэтому при одинаковом напряжении ток обратно пропорционален сопротивлению.
2. Найдём отношение: I₂/I₁ = R₁/R₂ = 12 кОм / 3 кОм = 4.
3. Следовательно, после освещения ток станет в 4 раза больше. В численном виде его можно найти только при известном напряжении.

Ответ: ток увеличится в 4 раза.

Мощность фотоэлектрического генератора

Условие: генератор площадью S = 0,08 м² получает излучение интенсивностью Iсв = 500 Вт/м². КПД генератора η = 15%. Найти электрическую мощность. Сначала определяем всю мощность падающего света, затем учитываем потери.

1. Падающая световая мощность равна Pсв = IсвS = 500 Вт/м² · 0,08 м² = 40 Вт.
2. КПД показывает, какая доля этой мощности превращается в электрическую: η = 15% = 0,15.
3. Электрическая мощность Pэл = ηPсв = 0,15 · 40 Вт = 6 Вт.

Ответ: Pэл = 6 Вт.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой фотоэлемент работает за счёт вылета электронов из вещества. Так думают из-за примера вакуумного элемента, но в фоторезисторе свет меняет проводимость внутри полупроводника. Проверьте себя: спросите, покидают ли электроны материал или остаются в нём.

Ошибка: путать фотоэлектрический генератор с прибором, только регистрирующим свет. Причина — оба устройства реагируют на освещение, хотя генератор отдаёт энергию во внешнюю цепь. Проверка проста: у генератора должны быть напряжение, ток и преобразование энергии.

Ошибка: утверждать, что освещение всегда увеличивает сопротивление. У фоторезистора оно обычно уменьшается из-за роста числа носителей заряда. Сверьте вывод с законом Ома: при постоянном напряжении уменьшение R должно увеличивать I.

Ошибка: считать, что фотореле обязательно само коммутирует мощную нагрузку. Фотоэлемент часто создаёт лишь слабый управляющий сигнал, а силовую цепь переключает отдельное реле или электронный ключ. Проверьте схему: найдите датчик, управляющую часть и контакты нагрузки.

Связь с другими темами

Для понимания устройств нужны знания о внешнем и внутреннем фотоэффекте, фототоке, электрическом заряде и силе тока. Внешний фотоэффект помогает объяснить работу вакуумного фотоэлемента, а внутренний — фоторезистора и генератора.

В задачах используются закон Ома, формулы электрической мощности и КПД. При расчёте фототока применяется связь I = q/t и q = Ne, а для генератора — Pэл = ηSI.

Практические применения связаны с автоматикой, солнечной энергетикой и датчиками освещённости. Поэтому тема продолжает изучение электрических цепей и помогает понять работу бытовых систем управления.

Что запомнить

• Фотоэлемент превращает световое воздействие в электрический сигнал или энергию.
• В вакуумном фотоэлементе свет выбивает электроны с фотокатода.
• В фоторезисторе освещение изменяет сопротивление полупроводника.
• Фотоэлектрический генератор преобразует энергию света в электрическую.
• Фотореле использует световой сигнал для автоматического управления цепью.
• Конкретное применение определяется тем, какой параметр устройства меняется при освещении.