Efectul luminii asupra materiei este redus la transferul la această substanță a energiei purtate de undele luminoase, rezultând diferite efecte. Unul dintre ele este efectul fotoelectric (efect fotoelectric).
În prezent, există trei tipuri de efect fotoelectric: extern, intern și fotovoltaic (efect fotoelectric în stratul de barieră sau efect de poarta). Domeniile de aplicare ale efectului fotoelectric includ:
1) automatizarea fotoelectronică și telemehanica, în care diferite combinații de dispozitive fotoelectrice și amplificatoare, care reacționează la semnalele luminoase, au un efect asupra sistemelor de comandă și reglare ale diferitelor instalații de putere, transport și industriale;
2) măsurători ale intensității luminii și iluminării (luxmetre), precum și temperaturile (pirometre);
3) cinema sonor, televiziune, telegrafie optică, vizibilitate în întuneric cu raze infraroșii etc.
Efectul fotoelectric extern este emisia de electroni suprafață metalică în spațiul exterior (vid sau gaz), sub acțiunea luminii incidente la acest flux de energie de suprafață.
Trei legi ale efectului fotoelectric extern au fost stabilite experimental:
1. Pentru un număr de radiație frecvență fixă de electroni (fotoelectroni) ejectate de pe suprafața metalică pe unitatea de timp este direct proporțională cu densitatea fluxului luminos.
2. Energia cinetică inițială maximă a fotoelectronelor este determinată de frecvența luminii incidente și nu depinde de intensitatea acesteia.
3. Pentru fiecare metal, există o limită roșie a efectului fotoelectric, adică, lungimea de undă maximă # 955; 0 (frecvența minimă # 957; 0). la care photoeffectul este încă posibil, indiferent de densitatea fluxului luminos și durata iradierii.
Pentru a explica legile efectului fotoelectric, Einstein a sugerat că fluxul energetic al unui val de lumină nu este continuu, ci mai degrabă un flux de porțiuni discrete de energie numite quanta sau fotoni.
Energia fotonică corespunzătoare luminii cu frecvență # 957; este egal cu:
unde h = 6,62 · 10 -34 J × s este constanta Planck.
Un foton, care sa ciocnit cu un electron din metal, îi transferă toată energia liberă. Dacă această energie este suficient de mare, atunci electronul poate depăși forțele care o țin în metal și lasă metalul. În acest proces se respectă legea conservării energiei, care poate fi scrisă sub forma:
unde este energia cinetică maximă a electronului emis, Aout este funcția de lucru (munca făcută de electron pentru a depăși forțele care o țin în volumul de metal). Relația (2) este numită ecuația Einstein pentru efectul fotoelectric. Explică complet toate caracteristicile efectului fotoelectric extern.
Rezultă din formula (2) că în cazul în care funcția de lucru a lui Aout depășește energia cuantică hn, electronul nu poate scăpa de metal. Prin urmare, pentru apariția efectului fotoelectric trebuie îndeplinită următoarea condiție: hn ≥ Aout. Aceasta explică prezența graniței roșii, adică lungimea de undă maximă # 955; 0 sau frecvența minimă # 957; 0 = Aout / h, la care photoeffect-ul este încă posibil. deoarece # 957; 0 = c / # 955;
unde c = 3 × 10 8 m / s este viteza luminii în vid.
Efectul fotoelectric extern este utilizat în fotocelule de vid (figura 1 a). Suprafața interioară a balonului este acoperită cu un strat subțire de metal. Acest strat ocupă aproximativ 50% din întreaga suprafață interioară a balonului și este un catod (fotocatod). Împotriva acestuia, o fereastră transparentă este de obicei lăsată de sticlă de cuarț, prin care lumina intră în catod. Anodul are forma unui cadru și este poziționat astfel încât să nu interfereze cu intrarea luminii pe catod. Schema pentru pornirea fotocelulei este prezentată în Fig.
Fig. Figura 1a. 1b Fig. 2
Între catodul K și anodul A se instalează un potențiometru R cu o diferență de potențial - tensiunea U măsurată de un voltmetru V. Curentul I care trece între anod și catod este determinat de un milliampere (mA). Când lumina este lumină, emite electronii de la catod și începe să apară un curent în circuit, numit fotocurent. Figura 2 prezintă caracteristica de tensiune curentă a unei fotocelule de vid. După cum se poate vedea din grafic, la început fotocurentul crește liniar cu creșterea tensiunii anodice, deoarece în acest caz un număr tot mai mare de electroni emise de catod ajung la anod. La o anumită tensiune pe anod, toate fotoelectronii cad pe anod și cu o creștere suplimentară a tensiunii, curentul nu se schimbă. Acest curent se numește curentul de saturație. Curentul de saturație I n este direct proporțional cu fluxul de lumină incidentă Ф:
unde # 947; - sensibilitatea fotocelulei.
Distingeți între sensibilitatea integrală și spectrală a celulei fotocelule. Inteligența sensibilă caracterizează capacitatea unei fotocelule de a răspunde la efectul unui flux luminos de radiații complexe. Sensibilitatea spectrală determină rezistența fotocurentului atunci când este expus la un flux de lumină monocromatic (lumină cu o singură lungime de undă). Sensibilitatea fotocelulelor de vid ajunge la 100 μA / lm.
Efectul fotoelectric extern este utilizat în multiplicatoarele fotoelectrice (PMT) și convertoarele electron-optice (EOP). PMT este utilizat pentru a măsura fluxurile de lumină cu intensitate scăzută. Cu ajutorul lor se poate determina bioluminescența slabă. EOP-urile sunt folosite în medicină pentru a spori luminozitatea imaginii cu raze X, în termografie - pentru a transforma radiația infraroșie în lumină vizibilă.
Photoeffectul intern este schimbarea conductivității electrice a unor corpuri cristaline (semiconductori) datorită apariției electronilor de conducere suplimentari sub acțiunea fluxului de energie lumină din interiorul acestor corpuri.
Pe fenomenul de creștere a conductivității semiconductoare sub efectul fotoconductor pe bază de lumină iluminare. Celulele fotoconductive sunt realizate pe baza sulfura de cadmiu, plumb sulfurat și altele. Elementele sensibile la lumină plasate într-o carcasă din material plastic sau metal. Celulele fotoconductive sunt mult mai sensibile decât fotocelule cu PhotoEffect extern. Valoarea sensibilității poate atinge valori de ordinul a 1 A / LM. Cu toate acestea, sensibilitatea crește odată cu creșterea Fotorezistul inerție (adică nu fotocurent imediat ajunge la o valoare care corespunde fluxului luminos, și numai după un anumit interval de timp), care limitează posibilitatea utilizării lor cu înaltă frecvență fluxuri de lumină variabilă. Celulele fotoconductive sunt utilizate în senzori fotoelectrici instalații, precum și în aparatul fotometrice pentru măsurarea caracteristicilor de lumină.
Fotovoltaice (valve) PhotoEffect - un eveniment curent la interfața dintre semiconductoare și metalul, când electronii părăsesc limitele corpului, care trece prin interfața într-un alt solid (semiconductor) sau lichid (electrolit), sub acțiunea energiei luminii fără forță electromotoare străine.
Un model tipic al fotocelulelor cu semiconductori de supapă, care sunt realizate pe bază de cupru, seleniu, germaniu, siliciu, sulfură de argint etc., este prezentat în Fig. Placa 1, de exemplu, din cupru pur prin încălzirea acesteia într-o atmosferă de oxigen este acoperită cu o peliculă subțire de oxid de cupru (I) (Cu2O). Un strat 4 dintr-un metal transparent la lumină (de exemplu, aur) este aplicat de sus. Când stratul de oxid de cupru (I) este iradiat cu lumină, apar electroni interne datorită efectului fotoelectric intern. La granița dintre oxidul de cupru (I) și placa de cupru se formează un strat foarte subțire (10 -5-10 -6 cm), care transmite electroni numai de la Cu2O la Cu și previne mișcarea inversă. Ca rezultat, cuprul este încărcat negativ, iar oxidul de cupru (I) - este pozitiv.
Prezența unui astfel de gateway sau a unui strat de blocare, la limita căruia apare sub influența luminii o diferență de potențial suplimentară (forța fotoelectromotorie), cauzează acțiunea de rectificare a dispozitivului și se observă în multe semiconductori. Prin urmare, efectul fotovoltaic fotoelectric este numit adesea un efect de poarta sau un efect fotoelectric in stratul de bariera. Dacă un circuit care conține o fotocelulă este închis, în el va curge un curent.
Avantajul fotoclorilor supapei este acela că operarea lor nu necesită o sursă de energie, deoarece ei înșiși generează o forță electromotoare sub influența luminii.
Sensibilitatea integrală a fotocelulelor supape depășește considerabil senzitivitatea fotocelulelor de vid. Se poate ajunge la câteva mii de microamperi pe lumen. Valvele fotocelulelor sunt utilizate pentru bateriile solare utilizate la vehiculele spațiale pentru a acționa echipamentele la bord, precum și pentru fotometria pentru măsurarea fluxului și iluminării luminoase, care este utilizată în practica sanitară și igienică. (Fotometria este o secțiune a opțiunii care se ocupă cu măsurarea fluxurilor de lumină și a cantităților asociate cu astfel de fluxuri.)
Articole similare
Trimiteți-le prietenilor: