Sv1ca-4.ru

Строй журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Ток насыщения протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении

Лекция 14

Электрического тока в вакууме нет, т.к. в термодинамическом вакууме отсутствуют какие-либо частицы.

Однако наилучший достигнутый практически вакуум составляет


,

т.е. огромное количество частиц.

Тем не менее, когда говорят о токе в вакууме, подразумевают идеальный в термодинамическом смысле вакуум, т.е. полное отсутствие частиц. За протекание тока отвечают частицы, полученные из какого-либо источника.

Содержание

  • 1 Вопросы и задачи
  • 2 Микроопыт
  • 3 Любопытно, что.
  • 4 Что читать в «Кванте» о взаимодействии света с веществом
  • 5 Ответы
    • 5.1 Вопросы и задачи
    • 5.2 Микроопыт

Обнаружить это взаимодействие чрезвычайно легко. Достаточно выйти из темной комнаты на ярко освещенную улицу, как, невольно сощурившись, мы «зарегистрируем» воздействие света на сетчатку наших глаз. Присмотревшись, заметим, как выцвели на свету обои или занавески в нашем доме. Или почувствуем, как нагрелись на солнце темные прибрежные скалы. Постепенно наш повседневный опыт дополнится знаниями о действиях света, используемых в фотографии, о производстве фотоэлементов и применении фотолюминесценции. Заглянув в учебник физики, мы найдем еще немало терминов с приставкой «фото», но, к сожалению, за информацией о все новых возможностях света не поспевают не только школьные пособия, но и самые оперативные научные издания.

Казалось бы, совсем недавно были изобретены самоочищающиеся — лишь стоит на них посветить — стекла, как уже удалось создать хлопчатобумажную ткань, которую можно просто вывесить на балконе и очистить с помощью обычного солнечного света, да еще и восстановить ее первоначальный цвет. Не успели научиться влезать внутрь биологических клеток и с помощью наносветоводов получать превосходные их изображения «в интерьере», как эти же устройства намереваются использовать для оптической стимуляции клеток с одновременным наблюдением за их реакцией на световое воздействие. С каждым днем множится число прорывных находок, в которых и светом и со светом производят столь диковинные манипуляции, что впору воскликнуть: «Неужели это они, наши старые добрые знакомые световые лучи?»

Представьте, да. А чтобы легче было привыкнуть к их новым обличиям и экстраординарным способностям, начните все же со знакомства с вроде бы привычными действиями света. Глядишь, и многое прояснится.

Формула Ричардсона для плотности тока насыщения [ править | править код ]

Формула, которую на основе классической электронной теории металлов первоначально вывел Ричардс и в которую русско-американский учёный С. Дэшман затем внёс уточнения, пользуясь квантовой теорией, называется уравнением Ричардсона — Дешмана.

Плотность тока насыщения определяется формулой Ричардсона — Дешмана, выведенной теоретически на основе квантовой статистики [12] :

j = ( 1 − ⟨ R ⟩ ) A ⋅ T 2 ⋅ e − φ / k T cdot e^<-varphi /kT>>, где:

  • ⟨ R ⟩ — коэффициент отталкивания электронов от потенциального барьера, а точнее, значение, усреднённое по спектру термоэлектронов;
  • A — термоэлектрическая постоянная, равная 120 , 4 A K 2 ⁡ cm 2 , 4 ^<2>operatorname ^<2>>>,>а в модели свободных электронов А. Зоммерфельда — A 0 = 4 π m k 2 e h 3 = 1 , 20173 × 10 6 A ⋅ m − 2 K − 2 ; =<4pi mk^<2>e over h^<3>>=1,20173times 10^<6>,mathrm K^<-2>> ;>
  • φ — работа выхода электронов из катода;
  • k — постоянная Больцмана;
  • e и m — заряд и масса электрона;
  • h — постоянная Планка;
  • T — абсолютная температура.

Для практического применения эту формулу также записывают в виде [13] :

j = a ⋅ T 2 ⋅ e − b / k T cdot e^<-b/kT>> , где a , b — постоянные для данного материала катода параметры, определяемые из опыта.

Уменьшение работы выхода приводит к быстрому увеличению плотности тока насыщения. Обычно используют катоды, которые выдерживают большие температуры и обладают высокой эмиссионной способностью: как правило, из вольфрама, торированного вольфрама и из гексаборида лантана ( LaB 6 >> ). Также используют оксидные катоды (например, вольфрам, покрытый тонким слоем оксидов щёлочноземельных металлов) с пониженной рабочей температурой по сравнению с вышеперечисленными.

Теория фотоэффекта

Все попытки объяснить явление фотоэффекта электродинамической теорией Максвелла, согласно которой свет — это электромагнитная волна, непрерывно распределенная в пространстве, оказались тщетными. Нельзя было понять, почему энергия фотоэлектронов определяется только частотой света и почему свет способен вырывать электроны лишь при достаточно малой длине волны.

В попытках объяснить это явление физик Макс Планк предложил, что атомы испускают электромагнитную энергию отдельными порциями — квантами, или фотонами. И энергия каждой порции прямо пропорциональна частоте излучения:

h — коэффициент пропорциональности, который получил название постоянной Планка. Она равна 6,63∙10 –34 Дж∙с.

Пример №1. Определите энергию фотона, соответствующую длине волны λ = 5∙10 –7 м.

Энергия фотона равна:

Выразим частоту фотона через скорость света:

Идею Планка продолжил развивать Эйнштейн, которому удалось дать объяснение фотоэффекту в 1905 году. В экспериментальных законах фотоэффекта Эйнштейн увидел убедительное доказательство того, что свет имеет прерывистую структуру и поглощается отдельными порциями. Причем энергия Е каждой порции излучения, по его расчетам, полностью соответствовала гипотезе Планка.

Из того, что свет излучается порциями, еще не вытекает вывода о прерывистости структуры самого света. Ведь и воду продают в бутылках, но отсюда не следует, что вода состоит из неделимых частиц. Лишь фотоэффект позволил доказать прерывистую структуру света: излученная порция световой энергии Е = hν сохраняет свою индивидуальность и в дальнейшем. Поглотиться может только вся порция целиком.

Кинетическую энергию фотоэлектрона можно найти, используя закон сохранения энергии. Энергия порции света идет на совершение работы выхода А и на сообщение электрону кинетической энергии. Отсюда:

h ν = A + m v 2 2 . .

Работа выхода — минимальная энергия, которую надо сообщить электрону, чтобы он покинул металл.

Полученное выражение объясняет основные факты, касающиеся фотоэффекта. Интенсивность света, по Эйнштейну, пропорциональна числу квантов (порций) энергии в пучке света и поэтому определяет количество вырванных электронов. Скорость же электронов согласно зависит только от частоты света и работы выхода, которая определяется типом металла и состоянием его поверхности. От интенсивности освещения кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит.

Для каждого вещества фотоэффект наблюдается лишь при освещении его светом с минимальной частотой волны νmin. Это объясняется тем, что для вырывания электрона без сообщения ему скорости нужно выполнять как минимум работу выхода. Поэтому энергия кванта должна быть больше этой работы:

Предельную частоту νmin называют красной границей фотоэффекта. При этой частоте фотоэффект уже наблюдается.

Красная граница фотоэффекта равна:

Минимальной частоте, при которой возможен фотоэффект для данного вещества, соответствует максимальная длина волны, которая также носит название красной границы фотоэффекта. Это такая длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. Обозначается она как λmах или λкр.

Максимальная длина волны, при которой еще наблюдается фотоэффект, равна:

Работа выхода А определяется родом вещества. Поэтому и предельная частота vmin фотоэффекта (красная граница) для разных веществ различна. Отсюда вытекает еще один закон фотоэффекта.

Третий закон фотоэффекта:

Для каждого вещества существует максимальная длина волны, при которой фотоэффект еще наблюдается. При больших длинах волн фотоэффекта нет.

Вспомните опыт, который мы описали в самом начале. Когда между цинковой пластинкой и световым пучком мы поставили зеркало, фотоэффект был прекращен. Это связано с тем, что красная граница для цинка определяется величиной λmах = 3,7 ∙ 10 -7 м. Эта длина волны соответствует ультрафиолетовому излучению, которое не пропускало стекло.

Пример №2. Чему равна красная граница фотоэффекта νmin, если работа выхода электрона из металла равна A = 3,3∙10 –19 Дж?

Применим формулу для вычисления красной границы фотоэффекта:

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.

Фотоэлемент ( фотоэлектрический элемент). Вакуумный фотоэлемент. Полупроводниковый фотоэлемент. Вентильный фотоэлемент:

Фотоэлемент (фотоэлектрический элемент) — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию.

Фотоэлемент является центральным элементом солнечной батареи .

Фотоэлементы подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы. Их действие основано соответственно либо на фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), либо внутреннем фотоэффекте или вентильном (барьерном) фотоэффекте.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитных излучений, например, фотонов. Иными словами, при внешнем фотоэффекте поглощение фотонов сопровождается вылетом электронов за пределы тела. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле, называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках и диэлектриках), а также газах (фотоионизация).

Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создал Александр Столетов в конце XIX века.

На основе внешнего фотоэффекта работают электровакуумные фотоэлементы. Электровакуумный фотоэлемент (вакуумный фотоэлемент) представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. Часть внутренней поверхности колбы покрывается тончайшим слоем светочувствительного металла, который выступает в качестве катода . Он контактирует с проводом, который соединен с отрицательным источником тока. В середине колбы располагается электрод в форме диска или проволочной петли, называемый анодом . Анод соединен с положительным источником тока. Другая часть колбы прозрачна и пропускает вовнутрь свет. Под действием света (фотонов) из катода вырываются электроны, которые во внешнем электрическом поле устремляются к аноду, создавая в цепи электрический ток.

На основе вакуумных фотоэлементов создаются оптические реле – элементы автоматических устройств, из которых образовываются различные автоматы с электронным зрением. Они широко используются во многих технологических процессах в промышленности.

Внутренним фотоэффектом называется возрастание электропроводности вещества (наблюдается, как правило, у полупроводников и диэлектриков) и уменьшение его сопротивления под действием электромагнитных излучений, например, в результате облучения вещества видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные, без вылета наружу.

В отличие от внешнего фотоэффекта во внутреннем фотоэффекте электроны, остаются в теле вещества (полупроводника или диэлектрика), но изменяют в нём своё энергетическое состояние и увеличивают концентрацию носителей зарядов в веществе. Так, при поглощении фотона электрон переходит из валентной зоны в зону проводимости. Как следствие образуется пара носителей заряда: электрон в зоне проводимости и дырка в валентной зоне. Концентрация носителей заряда приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика) или возникновению электродвижущей силы.

На основе внутреннего фотоэффекта работают полупроводниковые фотоэлементы, изготавливаемые из полупроводников. Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. В полупроводниковых кристаллах атомы имеют устойчивую структуру и прочно связаны ковалентной связью. Так, например, один электрон в кристалле кремния связан двумя атомами. Чтобы электрону освободиться из атома, ему необходимо сообщить необходимый уровень внутренней энергии. Эта энергия появляется в нем при воздействии на полупроводник, например, видимым, инфракрасным или ультрафиолетовым излучением. Если её (энергии) достаточно, то отдельные электроны отрываются от ядра и становятся свободными. Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Место разрыва (свободное место в электронной оболочке атома) именуется дыркой – положительным зарядом, который равен заряду высвободившегося электрона. Если в это время к полупроводнику приложить разность потенциалов (т.е. внешний электрический ток), то в самом полупроводнике появится электрический ток. Представленный электронно-дырочный механизм проводимости проявляется у собственных (то есть без примесей) полупроводников. Он называется собственной электрической проводимостью полупроводников.

Полупроводниковые фотоэлементы также используются для создания оптических реле, применяемых во многих автоматических устройствах в промышленности.

Разновидностью внутреннего фотоэффекта является вентильный (барьерный) фотоэффект. Вентильный (барьерный) фотоэффект или фотоэффект в запирающем слое – это явление, при котором фотоэлектроны покидают пределы тела, переходя через поверхность раздела в другое твёрдое тело (полупроводник) или жидкость (электролит). Вентильный (барьерный) фотоэффект – это возникновение электродвижущей силы под действием света в области pn перехода. Вентильный (барьерный) фотоэффект возникает в неоднородных (по химическому составу или неоднородно легированных примесями) полупроводниках, а также у контакта полупроводник-металл (при отсутствии внешнего электрического поля).

При поглощении полупроводником фотона освобождается дополнительная пара носителей – электрон и дырка, которые движутся в разных направлениях: дырка в сторону полупроводника p-типа, а электрон в сторону полупроводника n-типа. В результате в полупроводнике n-типа образуется избыток электронов, а в полупроводнике p-типа – избыток дырок. Возникает разность потенциалов – фото-ЭДС и электрический ток. По мере увеличения разности потенциалов фототок постепенно возрастает, т.к. все большее число электронов достигает анода.

Вентильные фотоэлементы в отличие от других фотоэлементов не требуют при работе источника тока, т.к. сами являются источником тока. Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования световой энергии в электрическую. На использовании вентильного фотоэффекта – возникновении электродвижущей силы в pn переходе под действием света основан принцип действия солнечных батарей.

Вентильные фотоэлементы являются центральным элементом солнечных батарей . Первую солнечную батарею на основе кремния для получения электрического тока создали Кельвин Соулзер Фуллер, Дэрил Чапин и Геральд Пирсон, все трое – специалисты компании Bell Laboratories. О создании первой солнечной батареи было заявлено 25 марта 1948 года.

Наиболее эффективными, с энергетической точки зрения, устройствами для превращения солнечной энергии в электрическую являются полупроводниковые фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), имеющие неоднородные полупроводниковые структуры. Неоднородность структуры фотоэлемента может быть получена легированием одного и того же полупроводника различными примесями (создание p-n переходов), или путём соединения различных полупроводников с неодинаковой шириной запрещённой зоны — энергии отрыва электрона из атома (создание гетеропереходов), или же за счёт изменения химического состава полупроводника, приводящего к появлению градиента ширины запрещённой зоны (создание варизонных структур). Возможны также различные комбинации перечисленных способов.

Понятие фотоэлемента

Фотоэлемент (фотореле) — это прибор, который приходит в действие от солнечной энергии. При попадании на него солнечных лучей, в нем образуется фотоэдс — электродвижущая сила. Существует два вида: электровакуумный и полупроводниковый фотоэлемент.

Принцип работы фотоэлемента

Важнейшая деталь фотоэлемента — фотореле, которое приводит в действие весь механизм. Когда реле контролирует функционирование осветительного прибора, можно получить максимальную экономию. Состоит фотоэлемент из двух частей, обладающих разной проводимостью. К этим частям присоединяют контакты для использования их во внешней цепи. Именно на них и подается напряжение, преобразовываясь в электрический ток.

Световая энергия в фотоэлементе трансформируется в электроэнергию.

Выбирая в магазине фотоэлемент, вы можете заметить, что существует множество приборов, которые будут отличаться мощностью и предназначением. Вмонтировать их можно на стены, фонарные столбы и т.п. Места они займут совсем немного.

Из чего делают фотоэлементы?

Основным материалом, из которого их изготавливают, остается кремний. Первыми попробовали использовать при производстве фотоэлементов кремний в лаборатории компании Bell Telephone. Там был создан первый такой прибор. И хоть компания искала исключительно источник энергии для своих телефонных станций в качестве альтернативного источника солнечной энергии, по теперешнее время кремний используется остальными производителями в производстве фотоэлементов. К тому же, этому способствует тот факт, что материал кремний очень распространен на планете и его запасы велики. Сложность состоит только в процессе его очищения. Очистка обходится дорого, потому встретить чистый кремний не так легко. Поэтому компании в данный момент пытаются найти альтернативу, которая бы не уступила кремнию по коэффициенту полезного действия.

Как выбрать фотоэлемент

При его выборе, можно сэкономить уже на самой покупке. Для этого покупайте модель, которая рассчитана на такую мощность, которая потребляется вашей лампой. Довольно часто лампы уже идут в комплекте с фотоэлементами, что существенно облегчит ваш выбор.

Перед тем, как сделать покупку, просчитайте нагрузку и определите, при каком режиме вы собираетесь эксплуатировать фотоэлемент. Также учитывайте такие факторы, как погодные условия вашего региона и влажность воздуха. Перечисленные выше факторы определят длительность использования прибора, а также качество выдаваемого им освещения.

Заходите к нам на портал и мы научим вас экономить.

голоса
Рейтинг статьи
Читать еще:  Монтаж розетки от света
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector