5. Применение фотоэффекта

Определения и обозначения

Фотоэлемент — устройство, в котором свет вызывает появление или изменение электрического тока. Он нужен, чтобы обнаруживать свет и передавать информацию о его интенсивности в виде электрического сигнала. Поэтому фотоэлементы можно использовать в датчиках, измерительных приборах и автоматике.

Вакуумный фотоэлемент — прибор с фотокатодом и анодом в вакуумной колбе; свет выбивает электроны из катода, и они движутся к аноду. Фотокатодом называют освещаемый электрод, с которого вылетают электроны, а анод собирает их. Такое устройство позволяет получить ток, связанный с освещённостью.

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, сопротивление которого уменьшается при освещении. Полупроводник — материал, проводимость которого можно заметно менять, в частности, действием света. Фоторезистор нужен там, где требуется преобразовать изменение освещённости в изменение электрического сопротивления.

Фотореле — устройство, которое автоматически включает или выключает электрическую цепь при изменении освещённости. Оно использует фотодатчик и управляющую часть, переключающую цепь при заданном условии. Так, фотореле может включить фонарь, когда световой сигнал становится достаточно слабым.

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 фотоэмиссия, то есть вылет электронов под действием света. Напряжение между катодом и анодом создаёт электрическое поле, которое притягивает электроны к аноду. Их направленное движение по цепи и образует фототок.

Когда освещённость фотокатода увеличивается, на него за то же время попадает больше света. При неизменных условиях это приводит к тому, что за единицу времени с катода вылетает больше фотоэлектронов. Если поле собирает эти электроны, через цепь проходит больший заряд в единицу времени, а значит, фототок возрастает. Поэтому изменение фототока можно использовать как сигнал о том, что освещённость изменилась.

В фоторезисторе свет поглощается полупроводником и передаёт энергию его частицам. В результате появляются дополнительные носители заряда — электроны и дырки, способные участвовать в переносе электрического заряда. Чем больше таких носителей, тем легче току проходить через материал, поэтому сопротивление фоторезистора уменьшается. При подключении к источнику это изменение сопротивления меняет ток в цепи.

Фотореле получает сигнал от фотодатчика и использует его для управления электрической цепью. Например, когда темнеет, фотодатчик выдаёт сигнал, соответствующий низкой освещённости, а управляющая часть сравнивает его с заданным порогом. Если порог достигнут, она переключает контакты и подаёт питание на нагрузку — устройство, которым управляют, например лампу. Благодаря этому светильник включается без участия человека.

Фотоэлектрические устройства применяют для автоматического управления, контроля и регистрации световых сигналов. Выбор прибора зависит от того, какую величину удобно измерять или использовать: фототок, сопротивление либо сигнал управляющего устройства. Например, фототок может служить мерой освещённости, а изменение сопротивления фоторезистора — командой для автоматики. Так фотоэффект связывает изменение света с работой электрической схемы.

Фотоэлектрические устройства и их применение

Сначала определите, какое изменение света нужно обнаружить, затем найдите в таблице соответствующий электрический сигнал. Вакуумный фотоэлемент создаёт фототок, фоторезистор меняет сопротивление, а фотореле переключает цепь по сигналу датчика. Последний столбец показывает, как эти свойства используют на практике.

Разбор задач

Изменение фототока

Условие. На фотокатод вакуумного фотоэлемента направили более интенсивный свет. Напряжение между электродами не изменилось. Требуется определить, как изменится фототок.

1. Более интенсивное освещение означает, что за одинаковое время к фотокатоду поступает больше световой энергии.
2. При прочих равных условиях за единицу времени вылетает больше электронов.
3. Неизменное напряжение сохраняет прежнее электрическое поле, собирающее электроны. Поэтому больший поток электронов создаёт больший фототок.

Ответ. Фототок возрастёт. Вывод относится к режиму, в котором анод собирает фотоэлектроны; причина изменения тока — увеличение числа электронов, проходящих через цепь за единицу времени.

Фоторезистор в цепи

Условие. Фоторезистор подключён к источнику питания и освещается лампой. Освещённость увеличили, а напряжение источника считаем неизменным. Нужно определить, как изменятся сопротивление фоторезистора и ток.

1. При усилении освещения в полупроводнике появляется больше носителей заряда, поэтому сопротивление фоторезистора уменьшается.
2. Для участка цепи при постоянном напряжении действует закон Ома: I = U/R, где I — сила тока, U — напряжение, R — сопротивление.
3. Если U не меняется, а R становится меньше, отношение U/R увеличивается. Значит, сила тока в цепи возрастает.

Ответ. Сопротивление фоторезистора уменьшится, а ток увеличится. При решении важно учитывать условие о неизменном напряжении: если меняется и источник, одного сравнения сопротивлений недостаточно.

Настройка фотореле

Условие. Фотореле должно включать уличную лампу при наступлении темноты. Нужно описать настройку порога срабатывания и последовательность работы при уменьшении освещённости.

1. Выбирают порог освещённости, при котором лампа должна включаться, например уровень наступления сумерек. Его настраивают так, чтобы обычные колебания света не вызывали нежелательных переключений.
2. При уменьшении освещённости фотодатчик меняет свой электрический сигнал. В фотореле с фоторезистором сопротивление при затемнении увеличивается.
3. Управляющая часть сравнивает сигнал датчика с порогом. Когда сигнал достигает условия срабатывания, она переключает цепь и подаёт питание на лампу.

Ответ. Порог настраивают на нужный уровень сумерек, затем фотореле отслеживает сигнал датчика и включает лампу при его достижении. Последовательность такова: освещённость уменьшается, меняется сигнал фотодатчика, управляющая часть переключает цепь, лампа загорается.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что фотоэлемент сам создаёт свет. Такой вывод возникает из-за путаницы между источником света и прибором, который на него реагирует. Фотоэлемент преобразует световое воздействие в электрический сигнал, а не производит свет. Проверьте себя вопросом: что подаётся на вход устройства и что появляется на выходе?

Ошибка: путать вакуумный фотоэлемент с фоторезистором. Оба прибора реагируют на освещение, поэтому их работу легко объединить в одну модель. Но в первом случае свет выбивает электроны с катода, а во втором меняется проводимость полупроводника. Проверка проста: назовите, какая величина меняется в описанном устройстве — число фотоэлектронов и фототок или сопротивление материала.

Ошибка: утверждать, что у любого фотодатчика при усилении света обязательно уменьшается сопротивление. Так происходит у фоторезистора, но этот признак не описывает все фотоэлектрические устройства. В вакуумном фотоэлементе обсуждают фототок, а не сопротивление полупроводника. Чтобы проверить себя, уточните тип датчика и его принцип действия.

Ошибка: считать фотореле только фотодатчиком. Датчик действительно реагирует на свет, но сам по себе он не обязательно переключает мощную нагрузку. Фотореле включает также управляющую часть, которая обрабатывает сигнал и меняет состояние цепи. В описании работы проверьте всю цепочку: датчик, управляющий сигнал и переключение нагрузки.

Связь с другими темами

Для понимания работы вакуумного фотоэлемента нужны знания о фотоэффекте, фотонах и фотоэлектронах. Фотон передаёт энергию, а фотоэлектрон — электрон, покинувший вещество под действием света. Зависимость фототока от освещённости помогает объяснить, почему фотоэлемент может служить датчиком.

При разборе цепей с фоторезистором пригодятся закон Ома, понятия силы тока и сопротивления. Они позволяют предсказать, как изменение сопротивления повлияет на ток при заданном напряжении. Это связывает свойства полупроводника с расчётом электрической цепи.

Применение фотоэффекта связано с темами о полупроводниковых приборах, автоматике, сигнализации и датчиках. В таких системах свет выступает входным воздействием, а электрическая цепь обрабатывает полученный сигнал. Понимание этого принципа помогает разбирать работу устройств, которые управляют освещением или регистрируют свет.

Что запомнить

• Фотоэлемент преобразует световое воздействие в электрический сигнал.
• В вакуумном фотоэлементе свет вызывает вылет электронов с фотокатода.
• При большей освещённости вакуумного фотоэлемента обычно возрастает фототок.
• У фоторезистора при освещении уменьшается сопротивление.
• Фотореле автоматически переключает цепь по сигналу фотодатчика.
• Фотоэлектрические устройства применяют для регистрации света, измерений и автоматического управления.