§ 89. Фотоелементи та їх застосування

Фотоелектричний ефект знайшов широке застосування в науці й техніці для безпосереднього перетворення енер­гії світла в енергію електричного струму, для перетворення світлових сигналів в електричні. Прилади, дія яких грун­тується на явищі фотоефекту, називаються фотоелемен­тами. Найпростіший сучасний вакуумний фотоелемент в скляним балоном (мал. 197), майже вся внутрішня поверхня якого покрита світлочутливим шаром металу, який відіграє роль фотокатода. Відкритим залишають невеличке віконце для доступу світла. Анодом є металеве кільце, закріплене в балоні Фотоелемент вмикають в коло батареї. При освітленні катода з нього вибиваються елек­трони і в колі виникає електричний струм. ЕРС батареї вибирають такою, щоб фотострум дорівнював струмові насичення. Залежно від спектрального складу світла, яке треба реєструвати, використовують фотоелементи, катоди яких виготовлені з різних матеріалів. Наприклад, для реєстрації видимого світла і інфрачервоного випроміню­вання застосовують елементи з киснево-цезієвим катодом (мала робота виходу); для реєстрації короткохвильової частини видимого світла і ультрафіолетового випроміню­вання застосовують фотоелементи з сурм'яно-цезіввим катодом.

Світлові потоки, з якими доводиться мати справу на практиці, незначні, тому фотоструми у вакуумних елемен­тах дуже малі і не перевищують 10 А. Для збільшення

Вправа 12

1. Робота виходу електронів з ртуті Л=4,бЗеВ. Чи виникатиме фотоефект при освітленні ртуті видимим світлом?

2. Під час опромінення металу світлом з довжиною хвилі Хі = 0,6-10~⁶ м, а потім >..■ = 0,3-10 ^ м, виявили, що відповідні макси­ мальні швидкості фотоелектронів відрізняються одна від одної в 2 рази. Визначити червону межу >._н фотоефекту для цього металу.

3. При опроміненні срібла ультрафіолетовим світлом з довжиною хвилі ). = 10 ⁷ м для повного припинення вильоту електронів потрібна напруга U= 7,7 В. Чому дорівнює робота виходу для срібла?

4. Фотони з енергією £=5еВ виривають фотоелектрони з ме­ талу з роботою виходу А = 4,5 еВ. Визначити максимальний імпульс, який передається поверхні металу, під час вилітання кожного елек­ трона?

сили струму фотоелемент заповнюють аргоном при тис­ках порядку 1 Па. Фотострум у такому фотоелементі підсилюється внаслідок іонізації аргону, викликаної зіткненнями електронів з атомами аргону.

Фотоелементи широко застосовують для автоматизації виробничих процесів. У поєднанні з електронними під­силювачами фотоелементи входять до складу фотореле — приладів автоматичного керування різними установками, які використовують безінерційність фотоефекту, тобто здатність фотоелемента практично миттєво реагувати на світловий вплив чи на його зміну. Складається фотореле (мал. 198) з фотоелемента Ф, підсилювача фотоструму П і електромагнітного реле ЕР. Якщо на фотоелемент падає світло, то в котушці К реле виникає струм. Котушка на­магнічується і, розтягуючи пружину І7р, притягує якір Я_у який замикає контакт В виконавчого кола з струмом вели­кої потужності.

Фотореле можна увімкнути і так, що& при освітленні фотоелемента виконавче коло розмикалося.

Застосування фотореле надзвичайно різноманітні. Воно вмикає і вимикає в потрібний час освітлення вулиць і май­данів у містах, світло маяків і бакенів, сортує деталі за кольором і формою, запускає і зупиняє електродвигуни і верстати тощо.

Фотореле є важливою частиною пристроїв техніки безпеки. Фотоелемент пильно стежить за роботою машин і майже вмить зупиняє потужний прес, верстат тощо, якщо рука людини раптово опиниться в небезпечній зоні.

За допомогою фотоелементів здійснюється телеба­чення — передача на великі відстані зображень рухомих предметів, відтворення звуку в звуковому кіно, передача нерухомих зображень по фототелеграфу.

Досі розглядався зовнішній фотоефект (який звичайно називають просто фотоефектом), при якому електрони вириваються з поверхні речовини. Однак не менш широко використовується в техніці так званий внутрішній фотоефект, який спостерігається в напівпровідниках і ді­електриках. Він полягає в тому, що при опроміненні напів­провідника чи діелектрика в них збільшується концентра­ція вільних носіїв зарядів і, отже, підвищується провідність. Це явище внутрішнього фотоефекту використовується в фоторезисторах, опір яких залежить від освітленості. Фоторезистори також застосовуються для автоматичного керування електричними колами за допомогою світлових сигналів. На відміну від фотоелементів фоторезистори можна використовувати в колах змінного струму, оскільки їх опір не залежить від напряму струму.

Явище жну тріш нього фотоефекту використовується також в будові напівпровідникових (або вентильних) фотоелементів, які безпосередньо перетворюють • енергію світла в електричну. На відміну від раніше розглянутих напівпровідникові фотоелементи самі можуть служити генераторами струму. Коефіцієнт корисної дії сучасних кремнієвих фотоелементів досягає 12—15 %. Батареї кремнієвих фотоелементів, які дістали назву сонячних батарей, успішно застосовуються на штучних супутниках Землі і космічних кораблях для живлення бортової радіо­апаратури.

Одним з найбільш важливих застосувань фотоелемен­тів є використання їх у звуковому кіно для відтворення звуку, записаного на кінострічці у вигляді «звукової доріжки». Одночасно з фотографуванням кінокадрів на стрічці записують звук. Розглянемо принцип оптичного запису звуку.

Звукові коливання мікрофоном (мал. 199, а) пере­творюються в коливання сили електричного струму і подаються на підсилювач. Підсилений електричний струм пропускається через так званий «оптичний канал» з двох металевих пластин, розміщених дуже близько (біля 0,025 мм) одна від одної між полюсами сильних магнітів. У магнітному полі на пластини, якими йде змінний струм, діє сила Ампера, почергово втягуючи їх у простір між полюсами магнітів і тим самим змінюючи ширину

щілини між пластинами. Ці зміни ширини щілини викли­кають відповідні зміни кількості світла, яка проходить від спеціального джерела через щілину. Це світло фоку­сується на краю світлочутливої плівки, викликаючи біль­ше чи менше її почорніння. Плівку потім проявляють, і з її позитива робиться негативна копія, на якій можна побачити звукову .доріжку (мал. 200) з темних і світлих смуг, прозорість яких відповідає звуковим хвилям, які діяли на мікрофон.

Щоб відтворити звук, через звукову доріжку пропус­кають вузький пучок світла (мал. 199, б), який потім спрямовують на фотоелемент. При освітленні фотоелемен­та виникає електричний струм, сила якого залежить від кількості світла, пропущеного світловою доріжкою. Під час руху кінострічки світловий потік, пропущений доріж-

кою, неперервно змінюється відповідно до ступеня її про­зорості, тому змінюється і сила струму в колі фотоелемен­та. Ці коливання сили струму підсилюються в мільйони разів і напрямляються в гучномовець, де перетворюються у звукові коливання, точно відтворюючи звукові хвилі, які діяли на мембрану мікрофона. Оскільки швидкість світла грандіозна порівняно зі швидкістю звуку, то звукова доріжка на кілька кадрів випереджає відповідне їй зобра­ження.