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. ФоторелеКогда 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 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 При освещении рентгеновыми лучами, имеющими очень большую частоту, происходит выбрасывание электронов, которые были расположены глубоко внутри атома (для них работа вырывания 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 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
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 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 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
|