Главная > Курс физики. Том II. Учение об электричестве
НАПИШУ ВСЁ ЧТО ЗАДАЛИ
СЕКРЕТНЫЙ БОТ В ТЕЛЕГЕ
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Пред.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
След.
Макеты страниц

Распознанный текст, спецсимволы и формулы могут содержать ошибки, поэтому с корректным вариантом рекомендуем ознакомиться на отсканированных изображениях учебника выше

Также, советуем воспользоваться поиском по сайту, мы уверены, что вы сможете найти больше информации по нужной Вам тематике

ДЛЯ СТУДЕНТОВ И ШКОЛЬНИКОВ ЕСТЬ
ZADANIA.TO

§ 54. Фотоэлектрический эффект. Фотоэлементы. Фотореле

Когда на поверхность проводника падают лучи света, то металл испускает электроны и сам заряжается поэтому положительно. Это явление испускания электронов освещаемой поверхностью металла носит название фотоэлектрического эффекта, или сокращенно фотоэффекта.

Фотоэффект был открыт в 1887 г. немецким физиком Г. Герцом и изучен профессором Московского университета Александром Григорьевичем Столетовым в 1888-1890 гг. Столетов установил, что металл (первые опыты проводились с цинком), заряженный отрицательно, быстро утрачивает свой заряд, если на поверхность металла направить лучи света, и в особенности ультрафиолетовые лучи (рис. 198). Столетов измерял величину разрядного тока и обнаружил, что, во-первых, разрядный ток мгновенно прекращался при выключении света и, во-вторых, величина разрядного тока, измеряющаяся, очевидно, количеством электронов, вырываемых светом из металла, пропорциональна падающей на поверхность металла энергии излучения данного спектрального состава. Последующими опытами было показано, что скорость выбрасываемых из металла электронов возрастает с уменьшением длины волны излучения, иначе говоря, скорость электронов возрастает при увеличении частоты излучения.

Рис. 198. Схема опытов А. Г. Столетова. А — источник света (дуга), С-катод, на освещенную поверхность которого лучи света проникают через металлическую сетку, служащую анодом.

В высшей степени важная особенность явления фотоэффекта заключается в том, что для каждой данной металлической поверхности существует вполне определенная минимальная частота излучения, способного вырывать из металла электроны; освещение металла лучами меньшей частоты не дает никакого эффекта.

Перечисленные свойства фотоэффекта необъяснимы с точки зрения волновой природы света; они, однако, легко могут быть поняты с точки зрения квантовой теории. Исходя из теории квантов, Эйнштейн (1905 г.) дал простое уравнение, вскрывающее сущность фотоэффекта.

Квант радиации (излучения) с частотой имеет энергию, равную эрг-сек — постоянная Планка; т. I, §90). Представим себе, что вся эта энергия переходит к некоторому электрону, находившемуся внутри атома вещества. Если есть работа, потребная для вырывания электрона из атомя (т. е. для ионизации атома), и работа, необходимая для выведения электрона сквозь поверхностный слой вещества, то кинетическая энергия электрона,

вырвавшегося наружу, будет:

В этом уравнении Эйнштейна содержится объяснение всех основных свойств фотоэффекта Мы видим, что для вылета электронов необходимо освещать поверхность тела лучами такой частоты чтобы больше суммы Кинетическая энергия, а следовательно, и скорость вылетающих электронов тем более велики, чем больше частота излучения чем меньше длина волны. Число выброшенных электронов определяется числом падающих на поверхность тела квантов, поэтому количество испускаемых в секунду электронов пропорционально мощности поглощаемой телом радиации.

При освещении рентгеновыми лучами, имеющими очень большую частоту, происходит выбрасывание электронов, которые были расположены глубоко внутри атома (для них работа вырывания велика). Освещение видимыми и ультрафиолетовыми лучами вызывает всегда освобождение самого внешнего в атоме электрона.

От описанного выше нормального фотоэффекта отличают так называемый селективный (избирательный) фотоэффект, наблюдаёмый у щелочных металлов. Особенность селективного фотоэффекта заключается в том, что при освещении щелочного металла радиацией, имеющей некоторую определенную длину волны, обнаруживается максимум электронной эмиссии; если освещать тот же металл лучами большей или меньшей частоты, то выбрасывается меньшее число электронов.

Фотоэффект практически безынерционен: время запаздывания фотоэффекта по отношению к моменту освещения поверхности во всяком случае не превышает

Если электроны вырываются действием радиации из атомов вещества, но при этом остаются внутри тела, а не выбрасываются наружу, то электропроводность вещества возрастает. Этим явлением внутреннего фотоэффекта объясняется резкое увеличение электропроводности селена, когда он подвергается освещению (стр. 171).

Приборы для наблюдения и использования фотоэффекта—фотоэлементы — устраивают обычно следующим образом (рис. 199). Часть внутренней поверхности колбы покрывают слоем металла (например, слоем натрия, калия, цезия и т. д., обычно эти металлы наносят на «подслой» из серебра), этот слой металла служит катодом. Часть колбы оставляют прозрачной для освещения катодного слоя.

Внутри колбы помещают второй электрод — анод, представляющий собой сетку, кольцо или просто металлический ввод в центре. Колба откачивается, и между электродами накладывается разность потенциалов. Электроны, выбрасываемые под действием света из катодного слоя металла, устремляются к аноду и обусловливают прохождение тока.

Для наблюдения фотоэффекта включают в цепь гальванометр. Получаемый ток зависит от освещенности и составляет обычно доли миллиампера. При постоянной освещенности фототок сначала растет с напряжением, но при увеличении напряжения до 200—250 в все электроны, выбрасываемые катодом, улавливаются анодом, достигается ток насыщения и дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к увеличению тока.

Фотоэффект с чистых металлических поверхностей достаточен для использования только при освещении ультрафиолетовыми лучами. При изготовлении технических фотоэлементов металлический катод особым образом «обрабатывается» (его подвергают действию серы, водорода, кислорода), что повышает его чувствительность.

Рис. 199. Фотоэлемент.

Рис. 200. Строение кислородно-цезиевого катода.

Для усиления фототока колбу фотоэлемента наполняют инертным газом (неоном или аргоном); в этом случае каждый фотоэлектрон, двигаясь с большой скоростью к аноду, вызывает по пути ионизацию многих атомов газа, что порождает ионный ток, в несколько раз больший, чем ток фотоэлектронной эмиссии.

Высокой чувствительностью к видимым и инфракрасным лучам обладают фотоэлементы с кислородно-цезиевыми катодами. Для получения таких катодов внутреннюю поверхность стеклянной колбы покрывают (химическим способом) слоем серебра. Поверхность этого слоя серебра окисляют разрядом в кислороде. На эту «подстилку» осаждают пары цэзия (перегонкой при температуре 180—190°). В результате такой обработки катод оказывается состоящим из четырех слоев (рис. 200): серебра, окиси серебра, окиси цезия и тонкой поверхностной пленки адсорбированного цезия. Свет вырывает электроны из атомов цезия, ионизируя атомы цезия, которые быстро вновь нейтрализуются свободными электронами серебра, проникающими на поверхность через слои окислов серебра и цезия.

Кислородно-цезиевые фотокатоды дают в вакуумных фотоэлементах ток порядка а в газонаполненных фотоэлементах — до они наиболее чувствительны к лучам

с длиной волны 0,62 (Л (оранжево-желтый цвет), но пригодны и для инфракрасных лучей с длиной волны до

Строение, аналогичное кислородно-цезиевому фотокатоду, и сходные с ним свойства (даже большую чувствительность) имеют активированные кислородом сурьмяно-цезиевый и иисмуто-цезиевый катоды.

Рис. 201. Световая характеристика какуумного кислородно-цезиевого элемента.

Высокой чувствительностью отличаются сурьмяно-калиево-натриевые фотокатоды (их называют также мультищелонными)) при добавлении цезия чувствительность мульти-щелочных фотокатодов удалось повысить до Однако вся эта группа фотокатодоз пригодна только для видимого света.

Рис. 202 Световая характеристика газонаполненного фотоэлемента.

В вакуумных фотоэлементах то к строго пропорционален световому потоку (рис. 201), в газонаполненных фотоэлементах линейная зависимость между током и световым потоком сохраняется только для небольших анодных напряжений или малых световых потоков (рис. 202). Газонаполненные фотоэлементы в тысячи раз более

инерционны, чем вакуумные, но все же инерционность их невелика (порядка сек.).

Большое распространение получили фотоэлементы с запирающим слоем. Эти фотоэлементы не требуют внешнего источника тока. Такой фотоэлемент (рис. 203) представляет собой две изготовленные из металла и полупроводника пластинки соприкасающиеся друг с другом и покрытые сверху тонким полупрозрачным слоем металла (или же сетчатым электродом). Верхний слой металла (или сетчатый электрод) соединяют проводником с нижней пластинкой. Под действием света на границе между металлом и полупроводником, обладающей униполярной проводимостью (стр. 173), возникает электродвижущая сила, возрастающая с увеличением светового потока.

Рис. 203. Фотоэлемент с запирающим слоем

До недавнего времени из фотоэлементов с запирающим слоем практически использовались главным образом меднозакисньш (купроксные) элементы (слой закиси меди на меди). Эти фотоэлементы имеют внутреннее сопротивление порядка 400 омов. При сопротивлении внешней цепи 100—300 омов их фототок равен примерно В настоящее время применяются более совершенные сернисто-серебряные фотоэлементы чувствительность которых достигает они восприимчивы не только к видимым лучам, но и к инфракрасным лучам (с длиной до Еще более чувствительны сернисто-таллиевые фотоэлементы полупроводниковый слой в них создают из смеси сернистого таллия с теллуром, осаждая их возгонкой в вакууме на железную пластинку; верхний полупрозрачный электрод образуют распылением золота.

Фотоэлементы позволяют преобразовать изменения интенсивности и изменения окраски света в электрические токи. На этом основаны их многочисленные применения. В соединении с ламповыми усилителями фотоэлементы сделали возможным осуществление чувствительных автоматов, реагирующих на изменения освещенности: открывающих двери, включающих и выключающих освещение, управляющих светофорами, сортирующих мелкие предметы и т. д.

Действие фотореле, применяемых в указанных и аналогичных случаях, понятно из рис. 204.

Часто вместо электроламповых усилителей и электромагнитных приборов в фотоавтоматах применяют тиратроны.

Рис. 204. Схема фотореле.

Тиратрон представляет собой трехэлектродную лампу, наполненную парами ртути или аргоном и отличающуюся чрезвычайно крутой характеристикой: при недостаточных напряжениях сетки анодный ток не проходит через тиратрон, а при определенном напряжении сетки он сразу достигает максимальной величины (тиратрон «зажигается», замыкая цепь анодного тока). Такая практически вертикальная характеристика (рис. 205) объясняется тем, что по устройству тиратрона, в котором управляющий электрод (сетка) представляет собой цилиндр с отверстием (рис. 206), при достаточно большом отрицательном потенциале сетка тормозит и отбрасывает обратно к

Рис. 205. Вольтамперная характеристика тиратрона.

Рис. 206. Тиратрон»

катоду все испускаемые накаленным катодом электроны. А когда при определенном потенциале сетки начинает преобладать поле анода, то электроны, увлекаемые полем анода, ионизируют газ, порождают электронные лавины и зажигающийся разряд в тиратроне замыкает цепь анодного тока. При этом потенциал сетки, если он и изменится, уже не влияет на разряд, а внутреннее падение напряжения между анодом и катодом благодаря резкому уменьшению сопротивления снижается в зажженном тиратроне до 15—20 в. Если анодное напряжение выключено хотя бы на стотысячные доли секунды, — разряд погасает.

Ток фотоэлемента сообщает сетке тиратрона потенциал, нужный для зажигания тиратрона. Анодный ток тиратрона приводит в действие приборы автоматической сигнализации, небольшие моторчики или электромагнитные приборы, замыкающие цепь тока еще большей величины.

В разнообразных фотоавтоматах нередко используют невидимые ультрафиолетовые и инфракрасные лучи. В этом случае лучи прожектора пропускают через особые фильтры, например через тонкую пластинку эбонита, через «черное» стекло (марблит) и т. п. Отражая невидимый луч от хорошо замаскированных зеркал, которые отбрасывают луч на спрятанный фотоэлемент, осуществляют надежную фотоохрану складов, зданий, путей. При этом приборы автоматической сигнализации (а в условиях войны и автоматической защиты) регулируют так, чтобы они приходили в действие, когда невидимый луч фотоограждения где-либо прерван. Человек, прошедший через такую невидимую для него линию охраны, сам не зная того, мгновенно приводит в действие приборы сигнализации или защиты.

Благодаря фотоэлементам (в сочетании с электронно-ламповыми усилителями) оказалось возможным осуществить звуковое кино (§ 95) и телевидение (§ 96).

1
Оглавление
email@scask.ru