§ 5.5. Применение фотоэффекта

Определения и обозначения

Фотоэлемент — устройство, в котором энергия света преобразуется в электрический сигнал благодаря фотоэффекту. Он нужен, чтобы обнаруживать свет, измерять его интенсивность или передавать сведения о нём в электрическую схему.

Фотокатод — освещаемый электрод фотоэлемента, испускающий электроны при внешнем фотоэффекте. Именно на его поверхности световая энергия передаётся электронам, поэтому фотокатод является чувствительной частью устройства.

Фототок — электрический ток, возникающий в цепи фотоэлемента под действием света. Его величина служит электрической мерой освещённости: по изменению фототока можно судить об изменении светового потока.

Фотореле — устройство, автоматически включающее или выключающее электрическую цепь при изменении освещённости. Оно объединяет светочувствительный элемент, управляющую схему и исполнительный механизм, например электромагнитное реле.

Как это устроено

Когда свет попадает на фотокатод, фотоны передают энергию электронам вещества. Если этой энергии достаточно для преодоления работы выхода, электроны покидают поверхность, а между электродами возникает поток заряженных частиц. Во внешней цепи он проявляется как фототок, направление которого задаётся электрическим полем между электродами.

Интенсивность света показывает, сколько энергии переносится через единицу площади за единицу времени. При неизменной частоте более интенсивный свет обычно содержит больше фотонов, поэтому за то же время с фотокатода вылетает больше электронов. Заряд, проходящий через цепь за секунду, увеличивается, и фототок становится сильнее.

Такой сигнал можно использовать для передачи информации об освещённости. Например, в измерителе освещённости фототок сравнивается с показаниями шкалы или преобразуется электронной схемой в число на экране. Изменение света превращается в изменение электрической величины, которую удобно усиливать, измерять и передавать.

В фотореле фототок сам по себе обычно недостаточен для включения мощной лампы или двигателя. Поэтому он поступает на усилитель либо чувствительный электронный узел, который распознаёт достижение заданного уровня освещённости. Затем электромагнитное реле замыкает или размыкает отдельную цепь нагрузки.

В звуковом кино на плёнке записывают дорожку с переменной прозрачностью. При движении плёнки она по-разному ослабляет свет, падающий на фотоэлемент, поэтому фототок меняется во времени по закону записанного звука. После усиления этот электрический сигнал подаётся на громкоговоритель, где снова превращается в звуковые колебания.

Основные применения фотоэффекта

Таблица показывает, какой вид преобразования происходит в каждой системе и к какому результату он приводит. При чтении полезно отделять чувствительный элемент от исполнительной части: фотоэлемент создаёт сигнал, но не обязательно выполняет конечное действие.

Одна и та же идея — зависимость электрического сигнала от света — используется и для измерений, и для управления, и для передачи информации.

Разбор задач

Задача 1. Измеритель освещённости

Условие: объяснить, почему при увеличении освещённости фотокатода возрастает фототок и как это используют в измерителе.

1. При большей интенсивности на фотокатод за секунду попадает больше фотонов.
2. Если частота света не меняется, каждый фотон по-прежнему может выбить электрон, но число выбитых электронов за секунду возрастает.
3. Через внешнюю цепь проходит больший заряд за единицу времени, поэтому увеличивается фототок.
4. Измерительный прибор заранее связывает значения фототока с освещённостью и показывает соответствующее значение.

Ответ: фототок возрастает из-за увеличения числа выбиваемых электронов; по его величине измеритель определяет освещённость.

Задача 2. Фотореле уличного освещения

Условие: описать работу фотореле, включающего лампы при наступлении темноты.

1. Днём на фотокатод попадает много света, поэтому фототок имеет большое значение.
2. Управляющая схема распознаёт этот уровень и удерживает реле в положении, при котором цепь ламп разомкнута.
3. В темноте фототок уменьшается и достигает порогового значения, заданного настройкой схемы.
4. Усилитель изменяет состояние реле, его контакты замыкают цепь, и лампы получают питание.

Ответ: последовательность такова: темнеет — уменьшается фототок — срабатывает управляющая схема — реле включает освещение.

Задача 3. Звуковая дорожка фильма

Условие: объяснить воспроизведение звука, если дорожка на плёнке переменна по прозрачности.

1. Источник света направляет поток через движущуюся киноплёнку к фотоэлементу.
2. Более прозрачные и более тёмные участки пропускают разное количество света.
3. Из-за этого фототок изменяется во времени и повторяет форму оптической записи звукового сигнала.
4. Усилитель увеличивает электрический сигнал, а громкоговоритель преобразует его изменения в механические колебания воздуха.

Ответ: переменная прозрачность дорожки изменяет фототок, а после усиления эти изменения превращаются громкоговорителем в звук.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что фотоэлемент сам создаёт заметный механический эффект. Её допускают, потому что смешивают источник сигнала и исполнительный механизм; проверить себя можно вопросом: какая деталь непосредственно двигает, включает или выключает устройство?

Ошибка: путать увеличение частоты с увеличением фототока. Частота определяет энергию фотоэлектронов, а при прочих равных интенсивность определяет их число; значит, нужно отдельно указать, какая характеристика света изменилась.

Ошибка: утверждать, что любой фотоэлемент работает только как источник постоянного тока. Режим зависит от типа прибора и схемы включения, поэтому следует учитывать, измеряют ли напряжение, ток или используют внешний источник.

Ошибка: подключать мощную нагрузку прямо к фотоэлементу. Фототок обычно мал, поэтому сначала проверяют его величину, а затем предусматривают усилитель или реле для коммутации силовой цепи.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны уравнение Эйнштейна для фотоэффекта, понятия работы выхода, фототока и внешней электрической цепи. Эти знания объясняют, почему свет вообще может вызвать испускание электронов.

Применения фотоэффекта связаны с электрическими цепями, усилителями, электромагнитными реле и автоматическими системами управления. В каждом случае световой сигнал проходит путь от датчика к управляющему устройству.

Дальше эти идеи встречаются при изучении полупроводниковых приборов, солнечных батарей, оптической связи и цифровых датчиков. Там свет также преобразуется в удобный для обработки электрический сигнал.

Что запомнить

• Фотоэлемент преобразует энергию света в электрический сигнал.
• При внешнем фотоэффекте свет выбивает электроны с фотокатода.
• Фототок зависит от интенсивности падающего света.
• Фотореле использует изменение фототока для автоматического управления цепью.
• В звуковом кино фотоэлемент превращает оптическую запись звука в электрический сигнал.
• Солнечные батареи преобразуют энергию света в электрическую энергию.
• Для управления мощной нагрузкой сигнал фотоэлемента обычно усиливают.