Принцип работы фотоэлемента

УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ (ФЭ)

УСТРОЙСТВО ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ (ФЭ) - изображение 1 - изображение 1

Используемый принцип работы фотоэлемента - фото 2 - изображение 2

1 - стеклянная колба

2 - кварцевое окошко

3 - катод

4- анод

5 – измерительный прибор

6 - источник питания

Стеклянная колба-стеклянный “сосуд”, разнообразной формы, из которого откачан воздух.

Кварцевое окошко -кварцевая пластинка, впаянная в колбу, пропускает видимое и УФ- излучения. Есть только у ФЭ, которые могут регистрировать ультрафиолетовое излучение.

Катод - отрицательный электрод, в ФЭ изготовлен из щелочных металлов или их сплавов с другими элементами, которые уменьшают работу выхода электронов. Выполнен в виде напыления (тонкой колбы) на внутренней поверхности колбы.

Анод- положительный электрод, в ФЭ изготовлен из никеля или других тугоплавких металлов. Выполнен в виде кольца или сетки.

Измерительный прибор- гальванометр или миллиамперметр - устройство предназначенное для измерения величины фототока.

Источник питания- устройство, предназначенное для того, чтобы зарядить анод положительно, а катод отрицательно

Образец применения - изображение 3 - изображение 3

ПРИНЦИП РАБОТЫ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ

На фотоэлемент падает свет (световой поток - Ф)

Принцип получения электроэнергии - фотография 4 - изображение 4

Пройдя через кварцевое окошко, он попадает на катод.

Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов - изображение 5 - изображение 5

Фотоны, обладающие достаточной энергией, выбивают из катода электроны.

Фотоэффект - фото 6 - изображение 6

Электроны под действием электрического поля летят на анод.

В цепи возникает электрический ток, который называют фототоком ( i ф) .

Виды фотоэффекта - изображение 7 - изображение 7

Величина фототока измеряется гальванометром (миллиамперметром). Чем больше интенсивность света (чем больше в излучении количество фотонов), тем больше фототок, тем на больший угол отклоняется стрелка гальванометра (миллиамперметр)

9. Нефелометрический и турбидиметрический методы анализа.

9.1. Устройство.

КФК-2

10. Нефелометрический и турбидиметрический методы анализа.

10.1. Сущность, область применения.

10.2. Уравнение Релея.

10.3. Отличие нефелометрического и турбидиметрического методов анализа.

10.4. Преимущество турбидиметрического титрования.

Нефелометрический и турбидиметрический методы анализа

основаны на способности коллоидных растворов и мутных сред рассеивать свет;

применимы для проведения только количественного анализа.

Объекты анализа: коллоидные (дисперсные) системы.

Используемый принцип работы фотоэлемента

Применение фотоэффекта в технике - фото 8 - изображение 8

Примеров использования солнечной энергии великое множество. Это и солнечная энергетика и сельское хозяйство, фотоэлектрические системы и, наконец, фотосинтез без которого не было бы жизни. Одним из важных современных технологических решений является преобразование энергии Солнца в источник электрической энергии. В основу этого преобразования заложен принцип работы солнечного элемента.

Фотоэлемент - фотография 9 - изображение 9

Рассмотрим простой практический пример использования солнечной энергии преобразованной в электроэнергию.

Образец применения

Чтобы переместить объект из одного места в другое с помощью солнечной энергии должна быть достаточная мощность для приведения этого объекта в движение.

Известно, что мощность солнечной энергии, падающей на верхнюю границу атмосферы, примерно 1,33 киловатта на квадратный метр. На пути к Земле часть этой энергии поглощается и отражается обратно в мировое пространство.

В средних широтах энергия, падающая на Землю на уровне моря в ясный солнечный летний день, равна примерно 0,8 киловатта на квадратный метр. Заметим, что мощность широко распространенной домашней электроплитки обычно 0,4 киловатта. Значит, этих ресурсов с одного квадратного метра, если их использовать полностью, достаточно, чтобы питать энергией две электроплитки. Небольшому катеру достаточно 0,25 киловатта. Значит, в хорошую летнюю погоду, опять же, при полном использовании энергии солнца, солнечная батарея может вращать мотор и, вместе с тем, запасать избыток, заряжая аккумулятор.

Чтобы лодка двигалась, она должна иметь устройство, улавливающее солнечные лучи и преобразующее их  в электроэнергию. За счет полученной энергии будет работать электромотор, вращающий гребной винт. Электроэнергию для движения создают специальные  батареи в основу которых заложен принцип работы солнечного элемента.

Принцип получения электроэнергии

Батареи собраны из некоторого количества элементов, в которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическое напряжение. Каждый из упомянутых элементов – это фотодиод, изготовленный из специального полупроводящего материала.

Теперь пришла очередь разобрать работу батареи использующую определенное количество солнечных элементов.

Каждый элемент батареи состоит из двух частей. Обе части – это определенным образом обработанный полупроводниковый материал.

Электроны в полупроводниках расположены в определенных диапазонах по энергии, диапазоны называют зонами. В каждой упомянутой части, как во всяком полупроводнике, существует заполненная зона, проводимости и разделяющая их зона. Если электрон находится в зоне проводимости, он может перемещаться. В заполненной зоне электроны вообще неподвижны. Но, если электрону сообщить добавочную энергию, он перейдет в зону проводимости и сможет перемещаться.

Возможен также переход электронов из заполненной на какой-нибудь уровень в промежуточной зоне. В обоих случаях в заполненной зоне окажется пустой уровень. На этот уровень может перейти другой электрон, оставив свой уровень незаполненным. Последний может занять соседний из этой же зоны, вместо того следующий и т.д.

Таким образом, перемещение зарядов в заполненной зоне приведет к тому, что электроны  тоже могут проводить ток. Такие создающие ток заряды, в отличие от электронов в зоне проводимости, называют дырками, так как при перемещении  в этом случае перемещается дырка – в место, где нет электрона.

А теперь представим себе, что мы соединили друг с другом полупроводники, в одном из которых электрический ток проводят электроны, а в другом – дырки.  Падение солнечных лучей на элемент сгенерирует неравновесные электронно-дырочные пары с образованием тока.

Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов - изображение 10 - изображение 10

Электрические процессы в такой паре весьма сложны. Поэтому упростим их насколько возможно, для этого положим, что освещается только один из двух полупроводников, скажем для определенности тот, в котором ток проводят свободные электроны. Тогда при соединении двух полупроводников, благодаря тому, что электроны совершают тепловое движение, часть из них перейдет в дырочный полупроводник. Значит, в электронном полупроводнике возникает недостача зарядов, и он благодаря этому получит положительный заряд.

Дырочный же полупроводник, получивший электроны от соседа, очевидно, получит отрицательный заряд.

А для внешней цепи соединение двух таких полупроводников будет как источник напряжения, и будет создавать во внешней цепи ток, который нужен для движения чего-либо.

Это практический пример использования солнечного электричества, который положен в основу и принцип работы солнечных элементов и батарей в целом.

Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов

Принцип работы фотоэлемента - изображение 11 - изображение 11

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.

Принцип работы фотоэлемента - фотография 12 - изображение 12

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

Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов под воздействием электромагнитного излучения. При этом электроны, выходящие из вещества, называются фотоэлектронами, соответственно, электрический ток в нем называется фототоком. Непосредственно элемент в аппарате, подвергающийся облучению и отдающий электроны, называется фотокатодом. Спектральная характеристика фотокатода - это зависимость чувствительности к воздействию от частоты и длины волны излучения.

Принцип работы фотоэлемента - фото 13 - изображение 13

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.

Принцип работы фотоэлемента - фото 14 - изображение 14

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.

Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов

Принцип работы фотоэлемента - фотография 15 - изображение 15

6.1.1 Принцип действия вакуумных фотоэлементов.Он основан на использовании внешнего фотоэффекта, при котором падающий на поверхность материала лучистый поток вызывает эмиссию электронов в вакуум. Эти фотоэлектроны увлекаются внешним электрическим полем, создающимся приложенным напряжением между двумя электродами. При этом роль катода играет фоточувствительный слой (фотокатод). Вторым электродом является анод. Фотоэлектроны под действием приложенного напряжения устремляются к аноду, создавая ток во внешней цепи.

Эмиссия электронов из фотокатода порождается следующими процессами: поглощением падающего фотона, которое приводит к передаче энергии фотона к электрону; диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум.

Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода. Эмиссионная способность материала характеризуется квантовым выходом, равным отношению числа освобожденных электронов к числу падающих фотонов. Величина квантового выхода будет тем больше, чем выше эффективность первых двух этапов фотоэмиссии и чем меньше работа выхода. Удачным сочетанием таких качеств обладают некоторые сложные полупроводники, являющиеся эффективными фотокатодами. Анализ показывает, что для данного материала существует оптимальная длина волны, на которой наблюдается максимальное значение квантового выхода.

В соответствии с законом Столетова, величина фототока пропорциональна потоку излучения, поглощенному веществом. максимальная же кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем больше частота падающего излучения и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).

Принцип работы фотоэлемента - фотография 16 - изображение 16

, (28)

где

Принцип работы фотоэлемента - фотография 17 - изображение 17

– работа выхода электрона;

h – постоянная Планка.

Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, определяемой выражением

Принцип работы фотоэлемента - изображение 18 - изображение 18

. (29)

Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянный вакуумированный баллон, на одну из стенок которого наносится фотокатод. Роль анода выполняет металлическая пластинка или кольцо, находящиеся в центре баллона. В некоторых конструкциях фотоэлементов, предназначенных для измерения слабых потоков, имеется третий вспомогательный электрод – охранное кольцо, помещаемое таким образом, чтобы улавливать токи утечки по баллону между выводами катода и анода. Баллон выполняется полностью из стекла или имеет окно для прохождения регистрируемого излучения из увиолевого стекла или кварца, или сапфира.

Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.

1 Фотоэлементы с массивными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми с фронта (рисунок 9, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.

Принцип работы фотоэлемента - фото 19 - изображение 19

а – с массивным фотокатодом; б – измерительного фотоэлемента с торцевым фотокатодом и охранным кольцом; в – сильноточного коаксиального фотоэлемента; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – охранное кольцо.

Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента

Такие фотоэлементы используются в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной технике. Сферическая форма баллона является оптимальной, так как отраженное от поверхности фотокатода излучение снова попадает на соседние участки фотокатода.

2 Измерительные фотоэлементы (рисунок 9, б) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно меняющихся по величине или модулированных с определенной частотой. Они выполняются как с массивным фотокатодом, так и с торцевым полупрозрачным. Они, как правило, имеют охранное кольцо.

3 Специальные сильноточные фотоэлементы коаксиальной конструкции (ФЭК), предназначенные для регистрации лазерных импульсов с длительностью в несколько наносекунд. Для этого фотокатод выполнен в виде плоской пластинки, а анод в виде сетки располагается перед фотокатодом. Вся конструкция фотоэлемента выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, согласованной с коаксиальным кабелем. Такие фотоэлементы имеют линейную световую характеристику для фототоков вплоть до нескольких ампер. Для снижения времени пролета электронов анодное напряжение увеличивают до 2-5 кВ. а расстояние между анодом и фотокатодом уменьшают до нескольких миллиметров.

4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения интегральной чувствительности прибегают к усилению первичного фототока с помощью инертного газа, которым наполняется баллон фотоэлемента. В газе под воздействием приложенного анодного напряжения при движении электронов возникает лавинная ионизация, что вызывает увеличение тока в цепи. Так, чувствительность газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных вакуумированных.

Главным недостатком таких фотоэлементов является их инерционность, отсутствие тока насыщения и зависимость параметров от возможных колебаний питающего напряжения.

6.1.2 Характеристики вакуумных фотоэлементов.Спектральная характеристика фотоэлемента определяется типом фотокатода, его толщиной, материалом подложки и окна баллона фотоэлемента. В литературе разработана система обозначения типовых спектральных характеристик фотокатодов (С1-С20), за рубежом – (S1-S25).

В зависимости от толщины фотокатоды делят на сплошные, когда излучение падает на внешний слой фотокатода, и полупрозрачные, работающие «на просвет».

При выборе типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптико-электронных приборах руководствуются следующими требованиями.

1 Для работы в ИК области пригоден лишь серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод. Но он не пригоден для работы со слабыми потоками из-за большой термоэмиссии и малой интегральной чувствительности.

2 для монохроматических источников выбирают фотокатоды с максимальным квантовым выходом в заданной области спектра. В коротковолновой области спектра используют сурьмяно-цезиевые или бищелочные фотокатоды с пониженной термоэмиссией. В более длинноволновой (600-900 нм) – многощелочные.

3 Многощелочные, а также более простые в изготовлении сурьмяно-цезиевые фотокатоды, сенсибилизированные кислородом, имеют более высокую интегральную чувствительность.

4 в телевидении и других областях, требующих характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза, используют висмут-серебряно-цезиевые или сурьмяно-рубидиево-цезиевые фотокатоды.

Частотная характеристика фотоэлементов связана либо с природой переноса фотоэлектронов, либо с наличием межэлектродных емкостей. В быстродействующих фотоэлементах время пролета составляет 10-11-10-12 с.

Импульсная характеристика ухудшается, в основном, из-за разброса времени пролета электронов, которые вылетают из фотокатода с разными энергиями и углами выхода, поэтому они попадают на анод не одновременно. Кроме того, на импульсную характеристику влияет накопление заряда на стекле при перезарядке анодной емкости и межэлектродная емкость, которая составляет 10-50 пФ для обычных фотоэлементов и 3-4 пФ – для скоростных.

При отсутствии освещения в цепи фотоэлемента течет темновой ток, складывающийся из тока утечки между электродами и тока термоэмиссии.

Ток термоэмиссии составляет:

-для серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода – 10-12-10-10 А/см2;

-для сурьмяно-цезиевого фотокатода – 10-15-10-14 А/см2;

-для мультищелочного фотокатода – 10-16-10-15 А/см2.

Ток утечки по стеклу колбы по наружным и внутренним сторонам при анодном напряжении 200-300 В составляет 10-8-10-7 А. При наличии в фотоэлементе охранного кольца этот фототок замыкается на землю и не участвует в темновом токе.

Источники:

Понравилась статья? Расскажите друзьям:
Оцените статью, для нас это очень важно:
Проголосовавших: 1 чел.
Средний рейтинг: 5 из 5.

Оставить комментарий:

Отправить

Полезные сервисы:

Опрос: Насколько Вам помогла информация на нашем сайте? (Кол-во голосов: 197)
Сразу все понял
Не до конца понял
Пришлось перечитывать несколько раз
Вообще не понял
Как я сюда попал?
Чтобы проголосовать, кликните на нужный вариант ответа. Результаты