применение фотоэффекта в жизни

Применение фотоэффекта

Урок 40. Физика 11 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Применение фотоэффекта»

Я не исследовал законов природы и

не сделал крупных научных открытий.

Я не изучал их так, как изучали Ньютон,

Кеплер, Фарадей и Генри для того,

чтобы узнать истину. Я только

Все мои изыскания и опыты производились

исключительно с целью найти что-либо,

имеющее практическую ценность».

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света. Ранее говорилось о трёх законах фотоэффекта, из которых вытекают некоторые формулы, а также проявление корпускулярных свойств света. То есть, энергия поглощается дискретными порциями – квантами.

Первый закон фотоэффекта: фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку. На основе фотоэффекта можно определить массу фотона, а также его импульс.

Законы фотоэффекта описываются формулами, которые связывают волновые и корпускулярные свойства света. Это заставило ученых принять корпускулярно-волновой дуализм, то есть, общее свойство материи, проявляющееся на микроскопическом уровне. Оказалось, что при распространении свет ведет себя как волна, но при взаимодействии с веществом начинает проявлять корпускулярные свойства. В 1923 году Луи де Бройль высказал предположение о том, что корпускулярно-волновой дуализм присущ не только фотонам, но и другим частицам. Его гипотеза оказалась верна (она подтверждена многочисленными экспериментами). Формула, описывающая соотношение де Бройля считается одной из основных формул в физике микромира.

Встаёт вопрос: как можно применить фотоэффект на практике? Надо сказать, что открытие фотоэффекта имело большое практическое значение. Например, благодаря фотоэффекту стало возможно передавать движущиеся изображение (то есть, телевидение), пришел конец эпохи немого кино. На основе явления фотоэффекта можно без участия человека включать или выключать уличное освещение, открывать или закрывать двери, поднимать и опускать шлагбаумы и так далее. Для подобных целей были изобретены особые устройства, которые называются фотоэлементами. Фотоэлементы – это устройства, в которых энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

Надо сказать, что явление фотоэффекта делится на внешний фотоэффект и внутренний фотоэффект. Внешний фотоэффект – это явление вырывания электронов из металла под действием света. Это явление применяется в вакуумных фотоэлементах. Явление внутреннего фотоэффекта – это явление увеличения концентрации носителей заряда в веществе под действием света. Это явление применяется в полупроводниковых фотоэлементах.

Рассмотрим устройство современного вакуумного фотоэлемента. Он представляет собой стеклянную колбу, часть внутренней поверхности которой покрыта тонким слоем металла. Этот слой изготовлен из металла с малой работой выхода. Он служит катодом. Анодом служит проволочная петля (или диск), находящаяся в центре колбы. Анод улавливает фотоэлектроны. Анод присоединяется к положительному полюсу батареи, а катод – к отрицательному.

Когда свет через прозрачную часть колбы попадает на катод, в цепи возникает электрический ток (за счет движения электронов, вырванных из металла). Этот ток регистрируется тем или иным устройством, в результате чего включается (или наоборот выключается) реле. Эта схема работы лежит в основе всех, так называемых, видящих автоматов – тех же автоматических дверей. Когда человек подходит к такой двери, он закрывает собой свет, и на это незамедлительно реагирует фотоэлемент, а за ним и реле. Можно заметить похожую картину и в современных лифтах: если стоять в дверном проеме, то дверь не будет закрываться. По тому же принципу действуют турникеты в метро или освещение, которое автоматически включается, когда вы входите в помещение.

Рассмотрим устройство полупроводникового фотоэлемента. Напомним, что полупроводники делятся на полупроводники n-типа и полупроводники p‑типа. Полупроводники n-типа – это полупроводники с донорными примесями: в них основными носителями зарядов являются электроны.

Полупроводники p‑типа – это полупроводники с акцепторными примесями: в них основными носителями заряда являются дырки.

Два проводника разных типов могут образовать контакт, который называется p‑n‑переходом. В области p‑n‑перехода существует электрическое поле, под действием которого неосновные заряды перемещаются через контакт.

Под действием света образуются новые пары электрон-дырка. Это приводит к тому, что в полупроводнике n-типа накапливается все больше электронов, а в полупроводнике p‑типа накапливается все больше дырок.

Таким образом, потенциал полупроводника p‑типа увеличивается, а потенциал полупроводника n-типа уменьшается. В итоге, между полупроводниками образуется разность потенциалов, которая и создает ЭДС (эта ЭДС называется фотоЭДС). При замыкании цепи в ней возникнет электрический ток, равный разности токов основных и неосновных носителей. Сила тока будет зависеть от интенсивности падающего света и от сопротивления цепи.

Необходимо отметить, что полупроводниковые фотоэлементы создают ЭДС порядка 1–2 В, а их полезная мощность достигает

100 Вт, при коэффициенте полезного действия около двадцати 20 %. Поэтому встал вопрос об использовании полупроводниковых фотоэлементов в качестве экономичных источников тока. Ярким примером таких источников являются солнечные батареи. Солнечные батареи можно устанавливать на крышах домов и, таким образом, получать абсолютно бесплатную энергию от Солнца.

Например, Германия за 2013 год выработала 5,1 ТВт×ч электрической энергии, используя солнечные батареи. Однако, следует отметить, что изготовление солнечных батарей на данный момент стоит довольно дорого. Кроме того, для производства достаточного количества энергии в промышленных масштабах, требуются огромные площади для солнечных батарей. Тем не менее, солнечные батареи активно используются на космических станциях и кораблях.

Во многих случаях отдельные молекулы поглощают световые кванты, то есть получают определенную энергию. Этой энергии часто может быть достаточно, чтобы молекула расщепилась – то есть, чтобы произошла химическая реакция. Именно такие химические реакции легли в основу фотографии.

Задача 1. Работа выхода электрона с поверхности фотокатода составляет 9×10 –19 Дж. Известно, что при облучении фотоэлемента светом, фототок прекращается при запирающем напряжении 4,2 В. Найдите частоту световой волны, падающей на фотоэлемент.

Задача 2. Известно, что когда на пластинку из калия падает световая волна, длина которой 299 нм, выбитые из пластинки электроны вылетают со скоростью 700 км/с. Найдите красную границу фотоэффекта для калия.

– Фотоэлемент – это устройство, в котором энергия света управляет энергией электрического тока или преобразуется в неё.

– В вакуумных фотоэлементах используется внешний фотоэффект.

– В полупроводниковых фотоэлементах используется внутренний фотоэффект.

– ФотоЭДС – это ЭДС создаваемое разностью потенциалов между полупроводниками p и n типа, из-за возникновения пар электрон-дырка под действием света.

– На явлении фотоэффекта основано устройство солнечных батарей.

– Явление фотоэффекта лежит в основе фотографии.

Источник

Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов

На протяжении почти всего XIX века ученые наблюдали странное поведение веществ, металлов и электролитов под действием на них прямого света. Эти вещества увеличивали свою проводимость. Первым, кто смог собрать и обосновать данное явление, был Альберт Эйнштейн. Он доказал, что свет существует в виде квантовых порций и может оказывать влияние на некоторые элементы, увеличивая проводимость, то есть высвобождая свободные электроны.

Фотоэффект

Фотоэффектом называют явление испускания веществом свободных электронов под воздействием света или другого электромагнитного облучения. Протекает он в твердых веществах и конденсированных жидкостях. Применение фотоэффекта привело к открытию и обоснованию квантовой теории. На основе этой теории удалось объяснить закономерности фотоэффекта.

Из этой теории выходит, что свободный электрон облучаемого вещества не может поглотить фотон, отдаваемый излучателем, ввиду того, что невозможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Связь электрона вещества с окружением обуславливает фотоэффект в молекулах и конденсированной среде. Такая связь характеризуется ионизирующей энергией, так называемой энергией выхода электрона. Применение фотоэффекта в настоящее время на практике очень широко.

Виды фотоэффекта

Внутренним фотоэффектом называют перераспределение внутри вещества согласно энергетическим особенностям. Применение фотоэффекта внутреннего объяснило явление фотопроводимости, то есть изменения концентрации заряда в веществе под воздействием излучения, при этом выход электронов не происходит.

Фотовольтаический эффект возникает под воздействием конкретно электромагнитного излучения на вещество со свободными электронами.

Ядерный фотоэффект возникает при поглощении ядром атома гамма-излучения при неизменном нуклонном количестве. При этом происходит распад ядра и выход ядерной энергии.

Применение фотоэффекта в технике

Фотоэффект начал широко использоваться в начале ХХ столетия, когда получилось обосновать и открыть многие его свойства. Применение фотоэффекта и в быту, и в промышленных масштабах в наше время распространено. Благодаря этому явлению было создано кино и телевидение. Современные металлообрабатывающие станки работают и изготавливают сложнейшие детали благодаря применению фотоэффекта.

Альтернативные источники электроэнергии работают благодаря этому явлению. Причем количество вырабатываемой энергии значительно, чтобы обеспечивать большое количество потребителей.

Фотоэлемент

Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента. Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам. Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук. Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии. Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.

Источник

Фотоэффект и его применение

Воздействие света на вещество сводится к передаче этому веществу энергии, переносимой световой волной, в результате чего могут возникнуть различные эффекты. Одним из них является фотоэлектрический эффект (фотоэффект). В настоящее время различают три вида фотоэлектрического эффекта: внешний, внутренний и фотогальванический (фотоэффект в запирающем слое, или вентильный фотоэффект).

К областям применения фотоэлектрического эффекта относятся:

1) фотоэлектронная автоматика и телемеханика, в которой различные сочетания фотоэлектрических приборов и усилителей, реагируя на световые сигналы, оказывает действие на системы управления и регулирования различных энергетических, транспортных и промышленных установок;

2) измерения силы света и освещенности (люксметры), а также температуры (пирометры);

3) звуковое кино, телевидение, оптическая телеграфия, видение в темноте при помощи инфракрасных лучей и т.д.

Внешний фотоэффект заключается в испускании поверхностью металлов электронов во внешнее пространство (вакуум или газ) под действием падающего на эту поверхность потока световой энергии.

Опытным путем были установлены три закона внешнего фотоэффекта:

1. При фиксированной частоте излучения число электронов (фотоэлектронов), вырываемых с поверхности металла за единицу времени, прямо пропорционально плотности светового потока.

2. Максимальная начальная кинетическая энергия фотоэлектронов определяется частотой падающего света и не зависит от его интенсивности.

3. Для каждого металла существует красная граница фотоэффекта, т. е. максимальная длина волны λ₀ (минимальная частота ν₀₎, при которой ещё возможен фотоэффект, независимо от плотности светового потока и продолжительности облучения.

Для объяснения законов фотоэффекта Эйнштейн предположил, что поток энергии световой волны не является непрерывным, а представляет собой поток дискретных порций энергии, называемых квантами или фотонами.

Энергия фотона, соответствующая свету с частотой ν, равна:

Фотон, столкнувшись с электроном в металле, передает ему всю свою свободную энергию. Если эта энергия достаточно велика, то электрон может преодолеть удерживающие его в металле силы и выйти из металла.

В этом процессе соблюдается закон сохранения энергии, который можно записать в виде:

hn = A_вых + , (2)

где с = 3·10 8 м/с – скорость света в вакууме.

Внешний фотоэффект используется в вакуумных фотоэлементах (рис.1 а). Внутренняя поверхность баллона покрыта тонким слоем металла. Этот слой занимает примерно 50% всей внутренней поверхности баллона и является катодом (фотокатодом). Против него оставляют прозрачное окно обычно из кварцевого стекла, через которое на катод попадает свет. Анод имеет форму рамки и расположен так, чтобы не препятствовать попаданию света на катод. Схема включения фотоэлемента изображена на рис.1б.

К I Ф₁ Ф₁>Ф₂

A mA V R ε Ф₂

Сила тока насыщения I_н прямо пропорциональна падающему световому потоку Ф:

Различают интегральную и спектральную чувствительности фотоэлемента. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного излучения. Спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока (света с одной длиной волны). Чувствительность вакуумных фотоэлементов достигает 100 мкА/лм.

Внешний фотоэффект находит применение в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ) и электронно-оптических преобразователях (ЭОП). ФЭУ применяют для измерения световых потоков малой интенсивности. С их помощью можно определить слабую биолюминесценцию. ЭОП применяют в медицине для усиления яркости рентгеновского изображения, в термографии – для преобразования инфракрасного излучения в видимое.

Внутренним фотоэффектом называется изменение электрической проводимости некоторых кристаллических тел (полупроводников) вследствие появления под действием потока световой энергии внутри всех этих тел добавочных электронов проводимости.

На явлении увеличения проводимости полупроводников при освещении их светом основано действие фоторезисторов. Фоторезисторы изготовляют на основе сульфида кадмия, сернистого свинца и др. Светочувствительные элементы помещают в пластмассовый или металлический корпус. Фоторезисторы имеют значительно большую чувствительность, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Значение чувствительности их может достигать величины порядка 1 А/лм. Однако с повышением чувствительности возрастает инерционность фоторезисторов (т.е. фототок не сразу достигает своего значения, соответствующего данному световому потоку, а лишь через некоторый промежуток времени), что ограничивает возможность их использования при работе с переменными световыми потоками высокой частоты. Фоторезисторы применяются в фоторелейных установках, а также в фотометрической аппаратуре для измерения световых характеристик.

Фотогальванический (вентильный) фотоэффект – это возникновение тока на границе между полупроводником и металлом, когда электроны покидают пределы тела, проходя через поверхность раздела в другое твердое тело (полупроводник) или жидкость (электролит) под действием световой энергии без участия посторонней электродвижущей силы.

Наличие такого вентильного, или запирающего, слоя, на границе которого под действием света появляется дополнительная разность потенциалов (фотоэлектродвижущая сила), обуславливает выпрямляющее действие устройства и наблюдается во многих полупроводниках. Отсюда фотогальванический фотоэффект часто называют вентильным, или фотоэффектом в запирающем слое. Если замкнуть цепь, содержащую фотоэлемент, то в ней возникнет ток.

Преимущество вентильных фотоэлементов заключается в том, что для их работы не требуется источник питания, так как в них самих под действием света генерируется электродвижущая сила.

Источник

Квантовые свойства света. Фотоэффект и его законы. Применение фотоэффекта в технике

Квантовые свойства света

Фотоэффект и его законы

схема опыта Столетова

Фотоэффект — это вырывание электронов из вещества под действием света.
В результате исследований было установлено 3 закона фотоэффекта:
1. Фототок насыщения прямо пропорционален падающему световому потоку.
2. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно растает с частотой света и зависит от его интенсивности.
3. Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах фотоэффекта нет.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергию. При вылете из металла энергия каждого электрона уменьшается на определенную величину, которую называют работой выхода (Авых). Работа выхода — это минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл. Она зависит от типа металла и состояния его поверхности. Максимальная энергия электронов после вылета (если нет других потерь) имеет вид:

— это уравнение Эйнштейна.

Если hv Применение фотоэффекта в технике.
Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент. Недостатками такого фотоэлемента являются: слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Существуют полупроводниковые фотоэлементы, в которых под действием света происходит изменение концентрации носителей тока. На этом явлении (внутреннего фотоэффекта) основано устройство фоторезисторов. Они используются при автоматическом управлении электрическими цепями (например, в турникетах метро), в цепях переменного тока, в часах, микрокалькуляторах. Полупроводниковые фотоэлементы используются в солнечных батареях на космических кораблях, в первых автомобилях.

Экспериментальное исследование фотоэффекта проведено Столетовым. Он предложил удобную измерительную схему, принцип которой сохранился до настоящего времени. Внутрь баллона, в котором создан вакуум, помещаются два электрода: фотокатод К, изготовленный из исследуемого материала, и анод. Свет направляется на фотокатод через кварцевое окно. Электроны, испущенные вследствие фотоэффекта (так называемые фотоэлектроны), перемещаются под действием электрического поля к аноду. Появление тока в цепи регистрируется гальванометром Г, напряжение между фотокатодом и анодом изменяется потенциометром П, а измеряется вольтметром V.

Источник