Для чего нужен фотоэлемент

Фотоэлементы используются в технике и в научных исследованиях. Например, они применяются в звуковом кино для воспроизведения звука, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы позволяют управлять на расстоянии процессами производства. При нарушениях хода процесса изменяется поток света, попадающего на фотоэлемент, и создается ток, выключающий весь процесс. С помощью фотоэлементов измеряются весьма слабые световые потоки (например, в биологии, астрофизике), регистрируются инфракрасные спектры, осуществляется фотографирование в темноте и т.д.

Вентильные фотоэлементы используются для изготовления “солнечных” батарей, преобразующих энергию Солнца в электрическую. Кремневые “солнечные” батареи применяются, например, для питания аппаратуры на искусственных спутниках Земли и автоматических межпланетных станциях.

Фотоэлементы могут быть использованы для измерения освещенности рабочих мест. Приборы, служащие для измерения освещенности, называются люксметрами.

Выполнение работы

1. Ознакомиться с имеющимися на лабораторном столе приборами.

2.Снять вольт-ампернуюхарактеристику вакуумного фотоэлемента (СЦВ-4):

2.1. Поместив фотоэлемент СЦВ-4 на оптическую скамью, собрать электрическую цепь по рис.9.4.

2.2. Подать напряжение сети на выпрямитель и источник света.

Изменяя напряжение U, подаваемое на фотоэлемент, от 0 до 120-150 В, снять зависимость (7-10 точек) силы фототока I_фот напряжения для двух расстояний r₁ и r₂ фотоэлемента от источника света. Результаты измерений занести в табл. 1.

П р и м е ч а н и е. Расстояния r₁ и r₂ необходимо подбирать такими, чтобы шкала миллиамперметра использовалась как можно полнее. Фототок можно измерять в относительных единицах (в делениях шкалы прибора).

Таблица 1

2.3. По измеренным данным построить графики I_ф = f (U).

3. Снять люкс-амперную характеристику:

3.1. При постоянном напряжении (U = cоnst) снять зависимость силы фототока I_фот освещенности Е фотоэлемента. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния r , то изменять ее можно путем изменения r. Результаты измерений занести в табл. 2.

П р и м е ч а н и е. U = сonst должно быть подобрано так, чтобы r можно было менять в широком пределе.

3.2. По данным табл. 2 построить график I_ф = f (E) = f (1 / r 2 ).

4. Снять характеристики фотосопротивления:

Таблица 2

4.1. Выключить выпрямитель. На место фотоэлемента подключить в цепь фотосопротивление, установив его на оптическую скамью. По аналогии с пп. 2,3 снять однувольт-амперную и одну люкс-амперную кривые для фотосопротивления. Результаты занести в таблицы, аналогичные табл. 1 и 2.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Понятие о квантовых свойствах света. Энергия кванта света.

2. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности.

3. Внутренний фотоэффект и его объяснение на основе зонной теории строения вещества.

4. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, его физический смысл.

5. “Красная граница” фотоэффекта.

6. Объяснение закономерностей фотоэффекта на основе квантовой природы света

7. Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

8. Зависимость тока насыщения фотоэлементов от освещенности.

9. Задерживающая разность потенциалов и ее связь с кинетической энергией электрона, вылетевшего из катода в результате фотоэффекта.

10. Зависимость проводимости фотосопротивления от освещенности.

11. Вольт-амперная и люкс-амперная характеристики фотосопротивления.

Предельные приборные погрешности

Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект. История открытия этого явления началась 100 лет назад.

Классификация фотоэлементов

Эффекты фотоэлементов можно разделить на несколько видов, которые зависят от свойств и производимых функций:

• Внешний фотоэффект . Его другое название – фотоэлектронная эмиссия. Электроны, вылетающие за границы вещества при возникновении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлектронами. Образующийся фотоэлектронами при этом электрический ток, при упорядоченном движении по внешнему электрическому полю, называется фототоком.
• Внутренний фотоэффект . Он влияет на фотопроводимость материала. Этот эффект появляется при перераспределении электронов по диэлектрикам и полупроводникам, в зависимости от их агрегатного (жидкого или твердого) и энергетического состояния. Перераспределяющее явление возникает под действием светового потока. Только при таком действии повышается электропроводимость вещества, то есть, возникает эффект фотопроводности.
• Вентильный фотоэффект . Таким эффектом называется переход фотоэлектронов из собственных тел в другие тела (твердые полупроводники) или электролиты (жидкие).

На основе внешнего фотоэффекта работают вакуумные элементы. Они производятся в виде колб из стекла. Часть их внутренней поверхности покрывается тончайшим слоем напыления металла. Такая малая толщина позволяет получить незначительный рабочий ток. Окошко в колбе имеет прозрачность, и пропускает свет вовнутрь.

Расположенный внутри колбы анод из диска, либо проволочной петли, улавливает фотоэлектроны. При соединении анода с положительным выводом питания, цепь замкнется, и по ней будет протекать электрический ток. То есть, вакуумные элементы могут коммутировать реле.

Путем комбинации реле и фотоэлементов можно образовать разные автоматы с электронным зрением, например, на входе в метро. Внешний фотоэффект заложен во многих технологических процессах в промышленности, и является важным физическим открытием, залогом успешного развития автоматики на производстве.

Устройство и принцип действия

Хорошо очищенная цинковая пластина, медная сетка, чувствительный гальванометр включены в электрическую цепь батареи.

При освещении пластины ультрафиолетовыми лучами в цепи возникает электрический ток. Значит, свет выбивает электроны из металла. Это явление и называют фотоэффектом.

Поставим на пути лучей стекло, задерживающее ультрафиолетовые лучи. Ток в цепи прекращается.

Вакуумный баллон. Часть его внутренней поверхности покрыта тонким слоем щелочного металла. Это катод. Анодом служит металлическое кольцо.

Подадим напряжение. Тока в цепи нет. Теперь осветим элемент, появляется ток. После снятия напряжения ток уменьшается, но не до нуля. По мере увеличения напряжения, фототок возрастает и достигает насыщения.

При отсутствии напряжения ток в цепи есть. Для прекращения фототока необходимо подать на анод отрицательный задерживающий потенциал.

Электрическое поле тормозит фотоэлектроны и возвращает их на катод. По мере приближения источника света величина светового потока увеличивается. Возрастает и фототок насыщения. Величина фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку. Это первый закон фотоэффекта.

Выясним, какую роль в фотоэффекте играет длина волны света. Установим синий светофильтр. При этом ток есть. С зеленым светофильтром ток уменьшается. С желтым светофильтром тока нет. Для каждого вещества есть определенная пороговая частота, ниже которой фотоэффекта нет. Это длинноволновая граница фотоэффекта.

Если увеличивать световой поток на более низких частотах, фотоэффекта не произойдет. Как объяснить это явление? Ученые изучили распределение энергии в спектре излучения нагретых тел.

Ученые также пришли к выводу, что свет излучается, распространяется и поглощается порциями – квантами энергии, фотонами. Валентные электроны в металле свободны. При поглощении фотона энергия идет на работу выхода электрона и его кинетическую энергию. Уравнение Эйнштейна раскрывает смысл 2-го закона фотоэффекта.

Кинетическая энергия фотоэлектрона определяется частотой света. При взаимодействии света с металлом мы наблюдали внешний фотоэффект. Схема опыта ученых послужила прототипом приборов на внешнем фотоэффекте.

Светочувствительный слой вещества и кольцевой анод находятся в вакуумной или газонаполненной колбе. По этому принципу устроены фотоэлементы, выпускаемые промышленностью.

Существует большая группа элементов, свойства которых меняются под воздействием света. Это полупроводники. На их основе созданы фоточувствительные приборы с так называемым внутренним фотоэффектом.

Фоторезистор

Возьмем проволочный резистор из полупроводника. Включим его в электрическую цепь. Под действием света происходят очень сильные изменения электрического сопротивления, и ток возрастает. Изменение проводимости не зависит от направления тока в фоторезисторе. Как возникает внутренний фотоэффект?

Рассмотрим элемент германий. Он четырехвалентный. На схеме изображена устойчивая структура полупроводника. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергия кванта света достаточна, чтобы разорвать связь электрона с атомом, он становится свободным, и блуждает по кристаллу. На его месте возникает так называемая дырка. Это положительный заряд, равный заряду электрона. Дырка может быть снова занята электроном.

Приложим разность потенциалов. Возникнет направленное движение электронов и дырок – электрический ток. Так устроен фоторезистор.

При воздействии света появляются носители, резко увеличивается проводимость, и возрастает ток в цепи.

Проводимость очень чистых полупроводников мала. Ее можно увеличить, если добавить примесь другого элемента. Добавим, например, атомы мышьяка. Они имеют большую валентность. При этом часть электронов оказывается свободной. Благодаря ним и увеличивается проводимость. Эта примесь дает материал n-типа. У индия валентность меньше. Он захватывает электроны кремния, увеличивая число дырок. Проводимость становится дырочной. Эта примесь дает материал р-типа.

Соединим два полупроводника n-типа и р-типа. На границе произойдет перераспределение зарядов. Дырки входят в р-область, а электроны в n-область до тех пор, пока на границе не возникнет электрическое поле, которое препятствует дальнейшему перераспределению. Так возникает двойной слой заряда, который называют р-n переходом.

Благодаря фотоэффекту при воздействии света появляются электроны и дырки. Возникает разность потенциалов.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток. Этот эффект можно использовать для прямого преобразования световой энергии в электрическую. По этому принципу работают преобразователи световой энергии в электрическую, в экспонометрах, люксметрах, солнечных батареях.

Фотодиод

Простой фотодиод – это обычный полупроводниковый диод с переходом р-n, на который может воздействовать световой поток. В итоге материал меняет свои свойства, и дает возможность исполнять разные функции в цепи электрического тока. При отсутствии света диод имеет обычные свойства.

Комбинируя структуры, можно получить фототранзистор . Световой луч управляет его работой.

Идёт приём заявок

Подать заявку

Для учеников 1-11 классов и дошкольников

Описание презентации по отдельным слайдам:

Фотоэлементы и их применение Prezentacii.com Выполнил: Студент группы ЭМТЭ-01-15 Соколов Олег Геннадьевич Преподаватель: Григорьева А.М. Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение Чувашской Республики «Канашский транспортно-энергетический техникум» Министерства образования и молодёжной политики Чувашской Республики.

Фотоэлемент — это электронный прибор, который преобразует энергию света в электрическую энергию

ФОТОЭЛЕМЕНТЫ Вакуумные Полупроводниковые

К – катод; А – проволочная петля (диск). Служит для улавливания фотоэлектронов Вакуумные фотоэлементы основаны на внешнем фотоэффекте Вакуумный фотоэлемент – это колба, внутренняя ее поверхность покрыта металлическим слоем, очень тонким и имеющим малую работу выхода (анод). В колбе есть небольшое окошко, сквозь него свет проникает внутрь. По центру колбы находится диск или петля, служащие для приема фотоэлектронов. Анод подсоединяется к положительному полюсу батарейки. Попадание света на катод приводит к возникновению электрического тока, что в свою очередь вызывает включение или отключение реле

Кино: воспроизведение звука Фототелеграф, фототелефон Входит в схему фотореле Применение вакуумных фотоэлементов Фотоэлектрический экспонометр Автоматы в метро

Автоматические двери Инфракрасный датчик для дверей Прибор для контроля уличного освещения Прибор ночного видения

Фоторезистор Создают ЭДС и непосредственно преобразуют энергию излучения в энергию электрического тока Сила тока зависит от интенсивности падающего света и сопротивления нагрузки R Полупроводниковые фотоэлементы основаны на внутреннем фотоэффекте Недостаток фотосопротивлений (фоторезисторов) – их заметная инерционность, поэтому они непригодны для регистрации быстропеременных световых потоков Фоторезистор

Если в каком-нибудь полупроводниковом выпрямителе сделать внешний электрод настолько тонким, чтобы он был прозрачен для света, то при освещении полупроводника в цепи, в которую он включен, возникает электрический ток. Таким образом, в этих случаях свет является источником ЭДС, т. е. пластинка полупроводника представляет собой генератор электрического тока, в котором световая энергия преобразуется в электрическую а) общий вид установки Фотоэлементы с p-n переходом создают ЭДС порядка 1-2 В. Выходная мощность достигает сотен ватт при КПД до 20%

Применение полупроводниковых фотоэлементов Космический корабль Уличное освещение Солнечные батареи на электростанции Теплый дом Солнечные батареи для подзарядки электромобилей Солнечные батареи для обеспечения электричеством и подзарядки аккумуляторов бытовой электроники — калькуляторов, плееров, фонариков и т. п.

• Григорьева Альбина МитрофановнаНаписать 11570 07.03.2016

Номер материала: ДВ-508638

07.03.2016 622

07.03.2016 531

07.03.2016 1066

07.03.2016 545

07.03.2016 458

07.03.2016 288

07.03.2016 4423

Не нашли то что искали?

Вам будут интересны эти курсы:

Все материалы, размещенные на сайте, созданы авторами сайта либо размещены пользователями сайта и представлены на сайте исключительно для ознакомления. Авторские права на материалы принадлежат их законным авторам. Частичное или полное копирование материалов сайта без письменного разрешения администрации сайта запрещено! Мнение редакции может не совпадать с точкой зрения авторов.

Ответственность за разрешение любых спорных моментов, касающихся самих материалов и их содержания, берут на себя пользователи, разместившие материал на сайте. Однако редакция сайта готова оказать всяческую поддержку в решении любых вопросов связанных с работой и содержанием сайта. Если Вы заметили, что на данном сайте незаконно используются материалы, сообщите об этом администрации сайта через форму обратной связи.