§ 42. Фотоэлементы

Определения и обозначения

Фотоэлемент — устройство, в котором световое воздействие преобразуется в электрический сигнал или электрическую энергию. Иначе говоря, он связывает яркость света с электрической величиной, которую можно измерить или использовать для управления. Это общее название как для вакуумных, так и для полупроводниковых устройств.

Вакуумный фотоэлемент — устройство с фотокатодом и анодом в вакуумной колбе, где свет вызывает выход электронов с катода. Вакуум нужен, чтобы вылетевшие электроны не сталкивались с молекулами газа и свободно достигали анода. Такой прибор позволяет непосредственно наблюдать явление внешнего фотоэффекта.

Фотокатод — электрод фотоэлемента, испускающий электроны при освещении. Его покрывают веществом, из которого электроны легче выходят под действием света. От свойств фотокатода зависят чувствительность прибора и диапазон воспринимаемого излучения.

Фототок — электрический ток, возникающий в фотоэлементе вследствие движения освобождённых светом носителей заряда. В вакуумном приборе такими носителями служат фотоэлектроны, движущиеся от фотокатода к аноду. По силе фототока можно судить об освещённости или обнаружить сам факт попадания света.

Как это устроено

Вакуумный фотоэлемент помещён в прозрачную колбу, внутри которой находятся фотокатод и анод. Свет проходит через окно и попадает на фотокатод, потому что только освещённая поверхность получает энергию фотонов. Если энергия поглощённого фотона достаточна, электрон покидает материал катода и оказывается в вакууме.

Между электродами создают электрическое поле, поэтому вылетевшие электроны не движутся беспорядочно, а направляются к аноду. Достигнув анода, они передают ему отрицательный заряд. Во внешней части замкнутой цепи заряд перемещается через источник и измерительный прибор, поэтому возникает непрерывный электрический ток.

При увеличении освещённости на фотокатод за одну секунду падает больше фотонов. Поэтому обычно больше электронов получает энергию, достаточную для выхода, и больше фотоэлектронов достигает анода за то же время. Так возрастает перенос заряда за секунду, то есть фототок.

В фотоэлементе с внешним фотоэффектом электроны покидают освещённый материал и летят в вакууме или газе. В полупроводниковом фотоэлементе электроны не обязаны покидать вещество: свет меняет концентрацию и движение носителей заряда внутри полупроводника. Поэтому в первом случае основу работы составляет поток вылетевших электронов, а во втором — изменение электрических свойств материала.

Электрический сигнал фотоэлемента можно подать на измерительный прибор, реле или электронную схему. Сигнал сообщает о наличии света и может зависеть от его интенсивности, частоты и режима работы цепи. В солнечной батарее аналогичное преобразование используют уже не для обнаружения света, а для получения полезной электрической энергии.

Сравнение фотоэлементов

В таблице сначала определите, какой процесс происходит внутри прибора, а затем проследите, как он превращается в ток или напряжение. Сравнение зависимости сигнала и области применения помогает не смешивать вакуумный фотоэффект с работой полупроводника.

Разбор задач

Задача 1

Условие: объясните, почему в вакуумном фотоэлементе появляется ток, если осветить фотокатод. Нужно проследить движение зарядов, а не считать свет электрическим током.

1. Свет передаёт энергию электронам вещества фотокатода.
2. Электроны, получившие достаточную энергию, покидают поверхность и становятся свободными фотоэлектронами.
3. Электрическое поле между катодом и анодом направляет их к аноду.
4. Во внешней цепи источник и прибор обеспечивают замкнутый путь движения заряда.

Ответ: освещение создаёт поток фотоэлектронов от фотокатода к аноду, а их движение в замкнутой внешней цепи образует фототок.

Задача 2

Условие: при неизменном напряжении освещённость фотокатода увеличили. Требуется определить, как изменится фототок и почему.

1. Неизменное напряжение означает, что условия движения электронов к аноду остаются прежними.
2. Более яркий свет приносит к катоду больше фотонов за единицу времени.
3. Обычно возрастает число электронов, получающих энергию для выхода и достигающих анода.
4. За секунду через цепь переносится больший заряд, поэтому сила фототока увеличивается.

Ответ: фототок обычно возрастёт, поскольку увеличится число фотоэлектронов, проходящих через цепь за единицу времени.

Задача 3

Условие: за 2 с фототок фотоэлемента равен 0,4 мА. Определите заряд, прошедший через цепь, и число электронов, соответствующее этому заряду.

1. Переведём силу тока: 0,4 мА = 0,0004 А.
2. Найдём заряд по формуле Q = It: Q = 0,0004 · 2 = 0,0008 Кл.
3. Разделим заряд на элементарный заряд: N = Q/e = 0,0008/(1,6 · 10⁻¹⁹) ≈ 5 · 10¹⁵.

Ответ: через цепь прошёл заряд 8 · 10⁻⁴ Кл; это соответствует примерно 5 · 10¹⁵ электронам.

Типичные ошибки

• Считать, что фототок создаётся непосредственно светом. Так ошибаются, потому что связывают появление тока с освещением, не прослеживая движение зарядов. Проверьте себя: назовите частицы, которые переносят заряд, — это фотоэлектроны.
• Путать фотокатод и анод. Причина ошибки — оба электрода находятся внутри одной колбы, хотя выполняют разные функции. Запомните направление: электроны вылетают с освещённого фотокатода и движутся к аноду.
• Утверждать, что при увеличении освещённости обязательно возрастает энергия каждого фотоэлектрона. Освещённость прежде всего увеличивает число фотонов и электронов за единицу времени, а энергия электрона связана также с частотой света. Проверяйте, о чём говорится в условии: о числе частиц или об энергии каждой частицы.
• Считать вакуумный фотоэлемент и солнечную батарею одинаковыми по устройству. Их объединяет преобразование света в электрический результат, но механизмы различны. Спросите себя, покидают ли электроны материал: для вакуумного элемента — да, для полупроводникового — нет.

Связь с другими темами

Для понимания фотоэлементов нужны знания о внешнем фотоэффекте: фотон передаёт энергию и может выбить электрон из вещества. Поэтому полезно помнить зависимость энергии фотона от частоты света и условие выхода электрона.

При разборе вакуумного прибора применяются понятия электрического тока, заряда и движения электронов в электрическом поле. Формулы Q = It и N = Q/e позволяют перейти от измеренного фототока к числу перенесённых электронов.

Практически фотоэлементы связаны с автоматикой, световыми датчиками и устройствами преобразования солнечной энергии. Их используют там, где нужно обнаружить свет, измерить его действие или получить от него электричество.

Что запомнить

• Фотоэлемент преобразует световое воздействие в электрический сигнал или энергию.
• В вакуумном фотоэлементе свет вызывает выход электронов с фотокатода.
• Вылетевшие электроны движутся к аноду и создают фототок во внешней цепи.
• При увеличении освещённости обычно возрастает число электронов, создающих ток за единицу времени.
• В полупроводниковых фотоэлементах свет изменяет электрические свойства полупроводника.
• Фотоэлементы используют для обнаружения света, автоматического управления и получения электрической энергии.