|
Читайте также: |
ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ЭФФЕКТ
Фотоэлектрическим эффектом называют явление вырывания электронов из атомов и молекул вещества под действием света (электромагнитного излучения). Если электроны, выбитые светом, вылетают за пределы вещества, то фотоэффект называется внешним. Внешний фотоэффект наблюдается главным образом у металлов.
Если электроны, выбитые из своих атомов, остаются внутри вещества в качестве свободных, то фотоэффект называется внутренним.
Внешний фотоэффект
Внешний фотоэффект был открыт немецким физиком Генрихом Герцем в 1887 г. Он заметил, что электрический разряд между электродами происходит
Рис. 1
сильнее (или при меньшем напряжении), если искровой промежуток (электроды; освещается светом, богатым ультрафиолетовыми лучами.
Большой вклад в изучение фотоэффекта внес русский физик А.Г. Столетов.
Экспериментальные исследования внешнего фотоэффекта у металлов показали, что это явление зависит от химической природы металла и от состояния его поверхности. Поэтому для исследования фотоэффекта пользуются вакуумной трубкой. Катод К (рис. 1), покрытый исследуемым металлом, освещается монохроматическим светом через кварцевое окно О, пропускающее ультрафиолетовые лучи в отличие от обычного стекла. Напряжение U между анодом и катодом регулируется потенциометром R и измеряется вольтметром V. Свет проникает через кварцевое окно и освещает катод, выбивая из него электроны. Электроны под действием электрического поля перемешаются к аноду. Сила фототока регистрируется гальванометром G.
Рис. 2
Зависимости фототока I от напряжения U на электродах приведены на
рис.2. Каждая кривая снимается для определенной освещенности Е катода.
При U = 0 часть электронов достигают анода без ускоряющего напряжения, то есть они вылетают с достаточной кинетической энергией.
С увеличением U все большее число электронов долетает до анода и сила
фототока I увеличивается. При определенном U все электроны, вылетевшие из катода, достигают анода. Дальнейший рост U не влияет на силу фототока. Максимальное, значение силы тока называется током насыщения Iн. Увеличение освещенности катода приводит к увеличению тока насыщения.
Для обращения силы тока в нуль на электроды следует приложить задерживающее напряжение Uз. В этом случае даже электроны, вылетевшие из К с максимальной скоростью Vм, не достигают анода. Поэтому
, (1)
Из этой формулы определяют максимальную скорость фотоэлектронов. Опытным путем установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:
1. Количество испускаемых фотоэлектронов пропорционально интенсивности падающего на катод излучения. Фототок насыщения пропорционален энергетической освещенности катода.
2. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов увеличивается с
ростом частоты (с уменьшением длины волны) излучения и не зависит от его
интенсивности.
3. Для каждого вещества существует наименьшая частота v0 света (или
наибольшая длина волны λ0), при которой еще возможен внешний фотоэффект.
Значения v0 и λ0 зависят от химической природы вещества и состояния его поверхности. Особенностью внешнего фотоэффекта является его безынерционность.
Законы фотоэффекта были теоретически объяснены в 1905 году,
А. Эйнштейном. Продолжая работы М. Планка по дискретному испусканию света, А. Эйнштейн предположил, что свет и поглощается квантами.
Квант энергии - фотон поглощается одним электроном и расходуется на работу А выхода электрона и его кинетическую энергию
, (2)
где h ≈ 6,626 · 10-34 Дж · с - постоянная Планка.
Эта соотношение называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.
Из формулы Эйнштейна следует, что скорость электрона увеличивается с увеличением v (уменьшением λ) светового потока. Фототок возможен при hv ≥ А. Следовательно, предельная (минимальная) частота света
, (3)
максимальная длина волны
, (4)
Эти значения v0 и λ0 называются красной границей фотоэффекта.
Рассмотренная теория взаимодействия фотона с одним электроном называется одноэлектронной и предполагает, что энергия фотона передается только одному электрону.
При весьма большой интенсивности падающего света, например от лазеров, законы внешнего фотоэффекта теряют силу. Предположим, что на электрон в металле падают сразу два фотона с энергией hv каждый. Происходит многофотонный фотоэффект. Тогда суммарная энергия, передаваемая электрону, будет равна 2hv = h(2v), то есть будет такой же, как если бы падал один фотон, но с удвоенной частотой. Очевидно, что закон красной границы будет нарушен. Эти явления изучаются.
В технике широкое применение получили фотоэлементы - приборы, действующие на основе внешнего фотоэффекта. Различают вакуумные фотоэлементы, практически безынерционные, и газонаполненные фотоэлементы, обладающие инерционностью и большей чувствительностью.
Основное техническое применение фотоэлементы с внешним фотоэффектом находят:
а) в фототелеграфии (передача изображения на расстояния по поводам),
б) в телевидении (в передающем устройстве - иконоскопе происходит превращение световых сигналов в электрические, для чего поверхность иконоскопа покрывается большим количеством микрофотоэлементов);
в) в звуковом кино (фотоэлементы применяются для воспроизведения звука, записанного на киноленте в виде световой дорожки);
г) в элементах автоматики (фотореле);
д) в фотометрии (для измерения силы света, яркости, освещенности).
Внутренний фотоэффект
Внутренним фотоэффектом называют образование носителей зарядов в полупроводнике при освещении его светом. Впервые это явление обнаружено английским электриком Мейем в 1873 году, который заметил, что при освещении полупроводник селен уменьшает свое сопротивление.
В полупроводниках валентные электроны слабо связаны с атомами. Получив энергию фотона, они переходят в свободное состояние. Таким образом, при облучении полупроводника светом увеличивается концентрация свободных носителей зарядов и повышается его проводимость.
Полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от интенсивности падающего на него света, называется фоторезистором (фотосопротивлением).
Если к затемненному фоторезистору приложить напряжение, то возникает темновой ток I т, значение которого зависит от приложенного напряжения. При освещении полупроводника его сопротивление уменьшается и ток в цепи значительно увеличивается. Этот ток называется световым.
Разность I ф = I с – I т называют фототоком.
В качестве материалов для изготовления фоторезисторов используют кремний Si, селен Se, сернистый таллий Tl2S, сернистый кадмий CdS и др. Каждый материал обладает своими особенностями. Например, CdS реагирует только на излучение с длиной волны 0,5 мкм, а его сопротивление уменьшается в миллион раз.
К достоинствам фоторезистора относятся: высокая фоточувствителъность, большой срок службы, малые размеры, простота изготовления, возможность выбора для нужного интервала длин волн, возможность применения в цепях переменного тока.
Фоторезисторы применяются в тех же областях, что и фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Внутренний фотоэффект используется для превращения энергии излучения в электрическую энергию в полупроводниковых фотоэлементах с р - n переходом, в так называемых вентильных фотоэлементах. При облучении вентильного фотоэлемента светом он становится генератором тока без внешнего источника тока.
Фотоэлементы р - n переходом создают ЭДС порядка 1-2 В. Их выходная мощность достигает сотен Вт при КПД до 20%. Фотоэлементы малой мощности используются в фотоэкспонометрах.
Такие вентильные фотоэлементы применяются, например, для преобразования энергии солнечного излучения в электрическую энергию в солнечных батареях. Солнечные батареи устанавливаются на искусственных спутниках Земли и космических кораблях и дают электрическую энергию для бортовой аппаратуры.
ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
ЛАБОРАТОРНАЯ УСТАНОВКА
Электрическая блок - схема лабораторной установки приведена на рис. 3.
Рис. 3
От блока питания 1 через усилитель 2 напряжение U подается на фоторезистор 3 марки ФР - 765, Сила тока в цепи фоторезистора измеряется микроамперметром 4. Для освещения фоторезистора используется электрическая лампа накаливания 5.
Установка включается в электрическую сеть переменного тока напряжением 220 В с помощью вилки и тумблера ВК1, лампа освещения фоторезистора - тумблером ВК2. Чувствительность усилителя регулируется переменным резистором R 1 «Чувствительность», ручка которого вынесена на переднюю панель.
ПОРЯДОК ВЫЛОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Включить лабораторную установку в сеть с помощью вилки и тумблера ВК1.
2. Включить лампу освещения фоторезистора тумблером ВК2.
3. Ручкой «Чувствительность» установить стрелку микроамперметра на
верхний предел шкалы (200 мкА). Записать значение светового тока I с. При этом напряжение на фоторезисторе составляет U c ≈ 5 В.
4. Выключить лампу освещения фоторезистора тумблером ВК2.
5. Записать показания микроамперметра - темновой ток I т. При этом напряжение на фоторезисторе составляет U т ≈ 7,5 В.
6. Повторить п.п. 2, 3, 4 еще два раза. Обработать результаты измерения
темнового тока I т по методике прямых измерений.
7. Определить значение фототока I ф = I с – I т .
8. Определить сопротивления фоторезистора:
темновое R т = U т / I т, световое R с = U с / I с и их отношение n = R т / R с.
9. Построить спектральную характеристику I с = f (λ) фоторезистора по
результатам измерения светового тока (cм. табл.) для различных светофильтров.
Таблица
| Величина | Светофильтры | ||||||
| Красный | Оранже-вый | Желтый | Зеленый | Голубой | Синий | Фиоле-товый | |
| λ, нм | |||||||
| I с, мкА |
10. Записать выводы по работе.
Контрольные вопросы
1. В чем заключаются явления внешнего и внутреннего фотоэффекта?
2. Дайте определения темнового, светового токов и фототока.
3.Поясните физическую сущность уравнения Эйнштейна для фотоэффекта.
4. Что такое «красная граница» фотоэффекта?
5. Поясните спектральную характеристику фоторезистора.
Литература
1. Трофимова Т.И. Курс физики. М.:8ысшая школа. 1999. 542 с.
2. Детлаф А.А., Яворский Б.М. Курс физики. М.: Высшая школа. 2000. 718 с.
КАЗАНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
им. А.Н. Туполева
Кафедра технической физики
Дата добавления: 2015-08-02; просмотров: 82 | Нарушение авторских прав
| <== предыдущая страница | | | следующая страница ==> |
| КРАТКАЯ ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ | | | ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ |