§ 90. Применение фотоэффекта

Определения и обозначения

Фотоэлемент — устройство, в котором свет вызывает электрический сигнал благодаря фотоэффекту. Свет передаёт энергию электронам, а электрическая цепь регистрирует их движение. Такой прибор нужен, чтобы обнаруживать свет или измерять изменения освещённости.

Фотокатод — светочувствительный электрод, испускающий электроны при освещении. Он является источником фотоэлектронов внутри фотоэлемента. Именно на него направляют свет, который требуется обнаружить.

Фотореле — устройство, которое автоматически замыкает или размыкает электрическую цепь в зависимости от освещённости. Оно получает сигнал от фотоэлемента и с помощью управляющей схемы переключает цепь. Фотореле позволяет включать или выключать приборы без участия человека.

Фотоумножитель — прибор, в котором слабый световой сигнал преобразуется в усиленный электрический сигнал. Внутри него электроны вызывают появление новых электронов на специальных электродах. Это помогает регистрировать свет, слишком слабый для обычного фотоэлемента.

Как это устроено

Когда свет падает на фотокатод, фотоны передают энергию электронам вещества. Если электрон получает достаточно энергии, чтобы преодолеть притяжение со стороны материала, он покидает его поверхность. Такое явление называют внешним фотоэффектом, потому что электрон выходит из вещества наружу. Поэтому освещение создаёт поток свободных электронов, который можно использовать в приборе.

В вакуумном фотоэлементе внутри колбы находятся фотокатод и анод, между которыми действует электрическое поле. Вылетевший электрон имеет заряд, поэтому поле действует на него и направляет к положительно заряженному аноду. Без такого направленного движения электроны не создавали бы устойчивого тока во внешней цепи. Когда они достигают анода, в цепи возникает фототок.

При изменении освещённости меняется число фотонов, попадающих на фотокатод за единицу времени. При неизменных условиях более сильный свет обычно выбивает больше электронов, поэтому фототок увеличивается; при ослаблении света он уменьшается. Измеряя ток, схема получает сведения об освещённости. Так фотоэлемент становится датчиком света, который реагирует на изменение внешних условий.

Фотореле соединяет светочувствительный элемент с управляющей схемой и исполнительным устройством, например реле, переключающим контакты. Пока фототок соответствует заданному уровню освещённости, цепь остаётся в одном состоянии. Когда освещение пересекает установленный порог, схема управления подаёт сигнал на переключение. Так, при наступлении темноты фотореле может замкнуть цепь уличной лампы, а при рассвете — разомкнуть её.

В фотоумножителе фотоэлектроны направляются электрическим полем к специальным электродам, которые называют динодами. При ударе электрон выбивает с динода несколько новых электронов, и поле ускоряет их к следующей ступени. На каждом последующем электроде процесс повторяется, поэтому число электронов быстро возрастает. В результате небольшой поток от фотокатода превращается в достаточно сильный электрический сигнал для регистрации.

Приборы на основе фотоэффекта и их применение

В таблице удобно сравнить приборы по цепочке: что делает свет, какой сигнал получается и как его используют. Фотоэлемент служит основой для датчика, а фотореле добавляет к нему управляющую схему. Фотоумножитель выбирают, когда исходный световой сигнал слишком слаб для простой регистрации.

Разбор задач

Фотоэлемент и фототок

Условие. На фотокатод фотоэлемента падает свет, и в цепи появляется ток. Нужно определить, какие частицы создают ток и откуда они берутся. Рассмотрим путь этих частиц от освещённого электрода до внешней цепи.

1. Фотоны света попадают на фотокатод и передают энергию его электронам. Если энергии достаточно, электроны покидают поверхность — это внешний фотоэффект.
2. Электрическое поле между электродами направляет вылетевшие электроны от фотокатода к аноду. Их движение по прибору поддерживает движение зарядов во внешней цепи.
3. Ток создают электроны, которые первоначально находились в веществе фотокатода. Свет не порождает частицы из ничего, а сообщает им энергию для выхода из материала.

Ответ. Фототок связан с направленным движением фотоэлектронов. Они вылетают из освещённого фотокатода и собираются анодом.

Переключение фотореле

Условие. Фотореле должно включать лампу, когда освещённость становится ниже заданного уровня. Требуется описать, как изменение света приводит к переключению цепи. Проследим сигнал от датчика до лампы.

1. При уменьшении освещённости на фотокатод попадает меньше света, поэтому фототок фотоэлемента меняется и обычно уменьшается. Этот ток служит входным сигналом для схемы управления.
2. Схема сравнивает сигнал с порогом, заданным для работы фотореле. Когда освещённость падает ниже порога, сигнал достигает условия переключения, и схема воздействует на контакты реле.
3. Контакты замыкают цепь лампы, поэтому она включается. При повышении освещённости выше установленного уровня схема может разомкнуть цепь и выключить лампу.

Ответ. Последовательность такова: освещённость меняет фототок, схема управления реагирует на достижение порога, а контакты переключают цепь лампы.

Усиление слабого сигнала

Условие. Фотоумножитель должен зарегистрировать очень слабый свет. Нужно объяснить, почему одного фотокатода может оказаться недостаточно и каким образом прибор усиливает сигнал. Здесь важно различать возникновение первичных электронов и последующее увеличение их числа.

1. Слабый свет выбивает с фотокатода мало электронов. Такой небольшой ток трудно надёжно измерить, поэтому сигнал требуется усилить до регистрации.
2. Электрическое поле разгоняет первичные электроны и направляет их на первый динод. При ударе каждый электрон выбивает несколько новых электронов, которые затем ускоряются к следующему электроду.
3. На следующих динодах процесс повторяется, и число электронов возрастает на каждой ступени. Поэтому на выходе получается более сильный электрический сигнал, чем тот, который создал исходный свет на фотокатоде.

Ответ. Одного фотокатода недостаточно, если он создаёт слишком слабый ток для уверенной регистрации. Фотоумножитель усиливает сигнал последовательным умножением числа электронов на электродах.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что свет непосредственно создаёт ток в проводах. Такое объяснение пропускает механизм фотоэффекта: сначала из фотокатода вылетают электроны, а затем электрическое поле вызывает их направленное движение. Ошибка возникает, когда результат смешивают с причиной. Проверка: назови источник электронов и объясни, что направляет их движение.

Ошибка: путать фотокатод с анодом. Иногда электроды считают взаимозаменяемыми, хотя освещённый фотокатод испускает электроны, а анод их собирает. Проверка: проследи путь электрона — от фотокатода к аноду. Если роли перепутаны, схема движения частиц не сходится.

Ошибка: полагать, что любой фотоэлемент усиливает сигнал. Фотоэлемент преобразует свет в электрический сигнал, но усиление требует специальной схемы или фотоумножителя. Путаница появляется из-за того, что усиленный сигнал тоже может быть электрическим. Проверка: раздели функции преобразования и усиления.

Ошибка: объяснять фотоэффект только нагреванием вещества светом. При нагревании внутренняя энергия вещества повышается, а при внешнем фотоэффекте электроны получают от фотонов энергию и могут покинуть поверхность. Эти процессы могут сопровождать друг друга, но не являются одним и тем же. Проверка: спроси, покидают ли электроны поверхность, или речь лишь о повышении температуры.

Связь с другими темами

Для понимания применения фотоэффекта нужны знания о внешнем фотоэффекте, фотоне и зависимости фототока от освещённости. Понятия электрического тока, напряжения и электрического поля помогают объяснить движение электронов в фотоэлементе и работу управляющей схемы фотореле. С темой связаны датчики света, автоматические системы и приборы регистрации слабых сигналов: в них свет становится источником информации, которую устройство преобразует и использует.

Что запомнить

• Фотоэлемент преобразует световой сигнал в электрический.
• При освещении фотокатода из него могут вылетать электроны.
• Электрическое поле направляет фотоэлектроны к аноду.
• Изменение освещённости изменяет фототок.
• Фотореле использует световой сигнал для автоматического управления цепью.
• Фотоумножитель усиливает слабый сигнал за счёт умножения числа электронов.