6. Применение фотоэффекта

Определения и обозначения

Фотоэлемент — устройство, в котором свет вызывает появление электрического сигнала. Он преобразует энергию падающего излучения в ток или напряжение, поэтому служит датчиком света. По сигналу фотоэлемента можно обнаружить предмет, измерить освещённость или запустить автоматическое устройство.

Фотокатод — электрод, с поверхности которого свет выбивает электроны. В вакуумном фотоэлементе он покрыт веществом, чувствительным к свету, и является источником электронов. Без фотокатода внешний фотоэффект не смог бы создать поток зарядов.

Фототок — электрический ток, возникающий благодаря движению электронов, выбитых светом. Электроны перемещаются от фотокатода к аноду и затем проходят по внешней цепи. Величина фототока помогает оценить, насколько сильно освещён фотокатод.

Фотореле — устройство, которое автоматически включает или выключает электрическую цепь при изменении освещённости. Фотоэлемент в нём выполняет роль датчика, а реле — роль переключателя. Такое устройство позволяет управлять лампами и другими приборами без ручного включения.

Как это устроено

Когда свет попадает на фотокатод, его энергия передаётся электронам вещества. Если энергии достаточно, электроны покидают поверхность — это и есть внешний фотоэффект. Оказавшиеся в вакууме электроны могут двигаться к аноду, поэтому световой сигнал превращается в электрический ток.

Форма электродов и электрическое поле создают для электронов направленное движение. Фотокатод отдаёт электроны, а анод притягивает их и собирает. Достигнув анода, частицы замыкают путь через источник питания и внешнюю нагрузку, так что фототок можно измерить прибором.

При изменении освещённости меняется число электронов, покидающих фотокатод за единицу времени. Поэтому изменяется и фототок: он становится признаком наличия света или его интенсивности. Благодаря этому фотоэлемент обнаруживает пересечение луча предметом, контролирует освещение и передаёт информацию в систему управления.

В фотореле фототок поступает в управляющую схему, которая сравнивает его с заранее выбранным порогом. Когда освещённость становится достаточно малой или большой, срабатывает реле и меняет положение контактов. Так, вечером уменьшение фототока может включить уличную лампу, а утром его увеличение — выключить её.

Фотоумножитель нужен тогда, когда обычного фототока недостаточно для надёжного измерения. Электрон, попавший на специальный электрод, выбивает с него несколько вторичных электронов; они ускоряются к следующему электроду и повторяют процесс. Последовательное размножение электронов многократно усиливает исходный поток, поэтому прибор регистрирует очень слабый свет.

Устройства, использующие фотоэффект

В таблице сначала найдите источник изменения: свет, освещённость или звуковой сигнал. Затем проследите, во что фотоэффект превращает это изменение и какое действие выполняет устройство. Так легче отличить измерительный прибор от автоматического переключателя и усилителя.

Разбор задач

Задача 1. На фотокатод вакуумного фотоэлемента направили свет, и во внешней цепи появился ток. Объясните, какие частицы движутся внутри прибора и что создаёт фототок.

1. Свет передаёт энергию электронам фотокатода. Если энергии достаточно, электроны покидают поверхность вследствие внешнего фотоэффекта.
2. Электрическое поле внутри прибора направляет выбитые электроны к аноду. Внутри вакуума движутся именно электроны, а не фотоны.
3. После попадания на анод электроны проходят по внешней цепи. Их упорядоченное движение и создаёт фототок.

Ответ: внутри фотоэлемента летят электроны, выбитые светом с фотокатода, а фототок возникает из-за их направленного движения во внешней цепи.

Задача 2. Фотореле должно включать лампу, когда освещённость становится меньше заданной. Опишите, как изменение фототока приводит к включению лампы.

1. Уменьшение освещённости приводит к уменьшению числа электронов, выбиваемых с фотокатода. Поэтому фототок становится меньше.
2. Управляющая схема фотореле сравнивает фототок с установленным порогом. Когда ток опускается ниже этого уровня, схема распознаёт наступление темноты.
3. Схема подаёт команду на реле, его контакты замыкают цепь лампы. Через лампу начинает течь ток, и она включается.

Ответ: цепочка имеет вид: уменьшение освещённости → уменьшение фототока → срабатывание реле → замыкание цепи лампы.

Задача 3. Фотоэлемент регистрирует слабый световой сигнал, которого недостаточно для надёжного измерения. Какую роль может выполнить фотоумножитель и почему его сигнал сильнее?

1. Слабый свет выбивает небольшое число электронов с фотокатода. Такой исходный поток может теряться на фоне шумов измерительной схемы.
2. В фотоумножителе электроны ускоряются к первому специальному электроду. При ударе каждый из них выбивает несколько вторичных электронов.
3. Вторичные электроны переходят к следующему электроду и снова вызывают эмиссию. После нескольких ступеней число электронов и фототок становятся намного больше исходных.

Ответ: фотоумножитель усиливает слабый сигнал последовательным размножением электронов за счёт вторичной электронной эмиссии, поэтому его легче измерить.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что фотоэлемент сам создаёт свет. Так думают из-за слова «фото», но устройство только принимает излучение и преобразует его энергию в электрический сигнал. Проверка: спросите себя, какой источник освещает фотокатод.

Ошибка: путать фототок с потоком фотонов. Фотоны переносят энергию света, а фототок создаётся движением электронов в цепи. Проверка: определите, какие частицы имеют электрический заряд и движутся внутри проводника.

Ошибка: полагать, что любое изменение света сразу включает фотореле. Срабатывание происходит только при достижении заданного порога и зависит от схемы управления. Проверка: найдите в условии уровень, с которым сравнивается фототок.

Ошибка: считать фотоумножитель просто более освещённым фотоэлементом. Его усиление создаётся не яркостью света, а последовательным размножением электронов на электродах. Проверка: назовите механизм вторичной электронной эмиссии.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны внешний фотоэффект, назначение фотокатода и анода, а также понятия электрического тока и электрического поля. Применения фотоэффекта опираются на электрические цепи, автоматическое управление и регистрацию сигналов. Позже эти идеи встретятся в оптических датчиках, системах связи и приборах для измерения слабого излучения.

Что запомнить

• Фотоэлемент преобразует световой сигнал в электрический.
• Фототок возникает благодаря электронам, выбитым светом с фотокатода.
• Изменение освещённости приводит к изменению фототока.
• Фотореле использует фотоэлемент для автоматического управления цепью.
• Фотоумножитель усиливает слабый сигнал за счёт размножения электронов.
• Фотоэффект позволяет регистрировать свет и управлять устройствами без непосредственного контакта.