Как устроен фотоэлемент и как он работает: принципы и применение фотоэлектрического эффекта — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Как устроен фотоэлемент. Какие бывают типы фотоэлементов. Как работает фотоэлектрический эффект в фотоэлементах. Где применяются фотоэлементы в современной технике и промышленности. Каковы преимущества и недостатки разных типов фотоэлементов.

Содержание

Что такое фотоэлемент и как он устроен

Фотоэлемент — это устройство, преобразующее энергию света в электрическую энергию. Принцип его работы основан на явлении фотоэффекта, открытом в 1887 году Генрихом Герцем и объясненном Альбертом Эйнштейном в 1905 году.

Основные компоненты простейшего фотоэлемента:

Светочувствительный катод (фотокатод)
Анод
Вакуумная или газонаполненная колба
Выводы для подключения к внешней цепи

Когда свет падает на фотокатод, из него выбиваются электроны. Под действием приложенного напряжения эти электроны движутся к аноду, создавая электрический ток во внешней цепи.

Типы фотоэлементов и принципы их работы

Существует три основных типа фотоэлементов, различающихся по принципу работы:

1. Фотоэмиссионные фотоэлементы

Это классический тип фотоэлементов, работающий на основе внешнего фотоэффекта. Как он происходит?

Фотоны света выбивают электроны с поверхности фотокатода
Электроны движутся через вакуум или инертный газ к аноду
Возникает фототок во внешней цепи

Чувствительность таких элементов зависит от материала фотокатода и длины волны падающего света.

2. Фотопроводящие фотоэлементы

Принцип работы основан на внутреннем фотоэффекте. Что при этом происходит?

Свет создает дополнительные носители заряда в полупроводнике
Проводимость полупроводника увеличивается
Изменяется ток через фоторезистор

Такие элементы часто используются в качестве датчиков освещенности.

3. Фотогальванические фотоэлементы

Работают на основе фотогальванического эффекта в p-n переходе. Как это происходит?

Свет генерирует электронно-дырочные пары в p-n переходе
Носители заряда разделяются электрическим полем перехода
Возникает фото-ЭДС и фототок во внешней цепи

Это самый распространенный тип фотоэлементов, используемый в солнечных батареях.

Где применяются фотоэлементы в современной технике

Фотоэлементы находят широкое применение в различных областях техники и промышленности:

Солнечная энергетика

Фотогальванические элементы используются для создания солнечных батарей и панелей. Как это работает?

Солнечный свет преобразуется в электроэнергию
Вырабатывается экологически чистая энергия
Снижается зависимость от ископаемого топлива

Солнечные электростанции становятся все более распространенными источниками энергии.

Системы автоматики и контроля

Фотоэлементы применяются в различных датчиках и системах автоматического управления. Как это происходит?

Фотоэлемент реагирует на изменение освещенности
Сигнал от фотоэлемента запускает определенное действие
Например, включение уличного освещения при наступлении темноты

Такие системы повышают энергоэффективность и удобство использования различных устройств.

Измерительная техника

Фотоэлементы используются в различных измерительных приборах. Для чего они нужны?

Для измерения интенсивности света
В спектрофотометрах для анализа веществ
В экспонометрах фотоаппаратов

Это позволяет проводить точные измерения световых характеристик.

Преимущества и недостатки разных типов фотоэлементов

Каждый тип фотоэлементов имеет свои особенности:

Фотоэмиссионные элементы

Преимущества:

Высокая чувствительность
Быстродействие
Широкий спектральный диапазон

Недостатки:

Хрупкость
Необходимость высокого напряжения
Чувствительность к магнитным полям

Фотопроводящие элементы

Преимущества:

Простота конструкции
Низкая стоимость
Высокая чувствительность в ИК-диапазоне

Недостатки:

Инерционность
Зависимость от температуры
Нелинейность характеристик

Фотогальванические элементы

Преимущества:

Генерация электроэнергии без внешнего источника
Долговечность
Экологическая чистота

Недостатки:

Относительно низкий КПД
Зависимость от освещенности
Высокая стоимость высокоэффективных элементов

Перспективы развития фотоэлементов

Технологии фотоэлементов продолжают активно развиваться. Какие основные направления можно выделить?

Повышение эффективности преобразования света в электроэнергию
Снижение стоимости производства
Разработка новых материалов с улучшенными характеристиками

Создание гибких и прозрачных фотоэлементов
Интеграция фотоэлементов в различные устройства и материалы

Эти разработки позволят расширить области применения фотоэлементов и повысить их эффективность.

Заключение: роль фотоэлементов в современных технологиях

Фотоэлементы играют важную роль в развитии современных технологий. Почему они так важны?

Они позволяют эффективно преобразовывать световую энергию в электрическую
Обеспечивают работу многих автоматических систем и датчиков
Способствуют развитию альтернативной энергетики
Находят применение в различных областях науки и техники

Дальнейшее развитие технологий фотоэлементов открывает новые перспективы для создания более эффективных и экологичных устройств и систем.

Как устроен фотоэлемент

В электронных фотоэлементах анодный ток образуется электронами, эмиттируемыми из катода под воздействием лучистого потока. В ионных фотоэлементах, наполненных газом неоном, гелием или аргоном , при высоком напряжении между анодом и катодом фотоэлектронная эмиссия создается не только электронами, вылетевшими из катода, но также электронами и ионами, появившимися в результате ионизации газа. Устройство простейших электронных фотоэлементов показано на рис. Катодом обычно служит тонкий металлический светочувствительный слой, нанесенный непосредственно на внутреннюю поверхность стеклянного баллона. Иногда катод выполняют в виде специального электрода пластинка из никеля. Анод выполнен в форме стержня, кольца или рамки для того, чтобы он не препятствовал попаданию света на катод, и обычно имеет вывод в нижнюю часть цоколя.

Поиск данных по Вашему запросу:

Схемы, справочники, даташиты:

Прайс-листы, цены:

Обсуждения, статьи, мануалы:

Дождитесь окончания поиска во всех базах.

По завершению появится ссылка для доступа к найденным материалам.

Содержание:

Фотоэлементы

Читать онлайн Электрический глаз. Мезенцев Владимир Андреевич.

Фотоэлемент это. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Солнечные батареи: как это работает

Энциклопедия по машиностроению XXL

Фотоэлементы. Устройство фотоэлементов

Фотоэлементы и фотореле

Что такое фотоэлемент? Как устроен и где применяется? Принцип действия?

Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Селеновый фотоэлемент

ПОСМОТРИТЕ ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Что, если покрыть пустыни солнечными батареями?

Фотоэлементы

Это — устройства, генерирующие электроэнергию из солнечных лучей. Иными словами, неиссякаемые электрогенераторы. Но каков принцип работы солнечных батарей? Почему солнечные лучи, попав на их поверхность, превращаются в электроток?

Очень просто — благодаря явлению фотоэффекта. Фотоэффект и солнечные батареи Суть фотоэффекта заключается в преобразовании солнечной энергии в постоянный электроток. Происходит это следующим образом. Электроны некоторых веществ например, кремния способны поглощать энергию солнечных лучей. В результате они покидают свои орбиты, образуя направленный поток. Этот направленный поток электронов и будет постоянным фототоком.

Для получения этого эффекта используются специальные вещества — полупроводники. Они бывают двух типов: с p- и n-проводимостью. N-проводимость означает избыток электронов в веществе, p-, соответственно, — их недостаток. Для создания фотоэлемента необходимы два разнопроводимых полупроводника. Они помещаются один на другой, образуя двухслойную структуру. Иными словами, получается своеобразное подобие электродной батареи, в которой роль катода играет n-проводник, а анода — p-проводник.

Дальнейший принцип действия фотоэлемента основан на формировании на стыке полупроводников зоны p-n перехода. Под действием падающих лучей электроны n-проводника который располагается вверху структуры покидают свои атомарные орбиты. Они переходят в p-слой, где наблюдается нехватка электронов.

Таким образом и возникает направленный поток электронов, он же — фототок. Для снятия тока к пластинам полупроводников подключаются тонкие проводники и нагрузка. Работать подобная система может очень долго, так как ее функционирование на связано с химическими взаимодействиями, а значит, не происходит разрушения материалов. Сегодня серийные солнечные элементы выпускаются на базе кремния.

Это связано с тем, что во-первых, кремний широко распространен, а во-вторых, его промышленная обработка не требует значительных затрат. Для придания кремнию разных типов проводимости используют всевозможные примеси. Например, избыток электронов создается за счет введения бора, а недостаток — мышьяка. Также применяют арсенид, галлий, кадмий и т. Конечно, существуют и солнечные батареи с гораздо более высоким КПД, но их производство крайне ограничено.

Они изготавливаются малыми партиями в лабораторных условиях для спеццелей например, для нужд космической промышленности. Это объясняется тем, что несмотря на аналогичные принципы действия, в этих солнечных батареях используются другие материал и примеси. Причем эти материалы довольно сложно обрабатывать, поэтому массовое их производство пока нецелесообразно. Тем не менее, сегодня продолжаются активные разработки в этой области, направленные на получение высокоэффективных и экономически выгодных солнечных батарей.

Разумеется, каждая отдельно взятая фотоячейка не обладает достаточной производительностью. Поэтому их и объединяют в большие модули. Делается это для увеличения выходного напряжения или выходного тока системы. Для повышения тока применяют параллельную коммутацию, для напряжения — последовательную.

Хотя чаще всего эти схемы комбинируются. Таким образом, классическая солнечная батарея, состоящая из нескольких фотоячеек, работает как обычная электросхема. Выгодно ли использовать солнечные батареи в быту например, установить их на крыше коттеджа? Да, выгодно. Выгодно, но лишь в очень далекой перспективе. Нет, не выгодно. Не знаю. Принцип действия солнечных батарей. Похожие статьи. Виды элементов солнечных батарей, их особенности и нюансы использования.

Солнечные батареи. Как устроена солнечная батарея. Как работают солнечные батареи и их виды. Что на изображении? Солнечные батареи , Копирование материалов возможно только со ссылкой на наш сайт. По вопросам рекламы:.

Читать онлайн Электрический глаз. Мезенцев Владимир Андреевич.

Электрика и электрооборудование, электротехника и электроника — информация! Сегодня в промышленности работают десятки тысяч автоматов, оснащенных электронным зрением. Электронным глазом у них служат фотоэлементы. В основе работы этих приборов лежит фотоэффект.

Работа по теме: 35 35a Глава: Фотоэлементы. Устройство фотоэлементов. ВУЗ: МГУПС МИИТ.

Фотоэлемент это. Фотоэлемент с внешним фотоэффектом

Помощь студентам в написании работ: Дипломные, курсовые, контрольные работы на заказ. Фотоэлемент — электронный прибор, который преобразует энергию фотонов в электрическую энергию. Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств. Фотоэлементы разделяются на три типа: 1 с внешним фото-эффектом, 2 с внутренним фотоэффектом, 3 с запирающим слоем. В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызывает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внешнее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ. Схема устройства такого фотоэлемента приведена на рис. На внутреннюю стенку стеклянной колбы 1, из которой откачан воздух, с одной стороны нанесен фотокатод 2. Широкое применение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды. В центре колбы вакуумного фотоэлемента укреплен металлический анод 3 в виде небольшого кольца или пластинки. Колба снабжена пластмассовым цоколем 4.

Солнечные батареи: как это работает

Полупроводниковым фотоэлементом называется полупроводниковый прибор, в котором под действием падающего на него излучения возникает э. Работа фотоэлемента с запирающим слоем, или, что то же, вентильного фотоэлемента, основана на использовании запирающего слоя между полупроводниками с различными проводимостями. Поглощение лучистой энергии при освещении поверхности фотоэлемента вблизи -перехода вызывает ионизацию атомов кристалла и образование новых пар свободных носителей заряда электронов и дырок. Образующиеся электроны под действием электрического поля -перехода уходят в слой , дырки — в слой.

Это — устройства, генерирующие электроэнергию из солнечных лучей. Иными словами, неиссякаемые электрогенераторы.

Энциклопедия по машиностроению XXL

Фотоэлектронные явления фотоэмиссия, фотопроводимость полупроводников. Фото элементы с внешним и внутренним фотоэффектом. Устройство, принцип работы и область применения фотоэлементов. Структурная схема выпрямителя. Однофазные и трёхфазные схемы выпрямления, принцип их работы. Схема Ларионова, принцип работы.

Фотоэлементы. Устройство фотоэлементов

Задачи урока : раскрыть значение теоретических знаний для техники и производства; описать области применения фотоэлементов в технике. Начиная рассмотрение нового материала около 25 мин , учитель сообщает, что изученное ранее явление фотоэффекта лежит в основе работы фотоэлементов — устройств, в которых световые сигналы преобразуются в электрические. Далее кратко рассказывает об устройстве и принципе работы фотоэлемента рис. Можно упомянуть о фотоумножителях и показать фотоумножитель. Примерный план рассказа учителя: устройство фотоэлемента — действие фотоэлемента — усиление электрических сигналов, выработанных фотоэлементом, — соединение фотоэлемента с электромагнитным реле — принципы применения фотореле в технике — демонстрация работы фотореле. Рассказывая о применении фотоэффекта, учитель демонстрирует действие фотореле ДЭ-2, с. Уместно краткое выступление школьника с самодельным фотореле.

Действие фотоэлемента основано на явлении фотоэлектрического Описанный фотоэлемент называется вакуумным. 4 Как устроен фотоэлемент?.

Фотоэлементы и фотореле

Цель работы: ознакомление с вентильным фотоэлементом, исследование вольт-амперных характеристик его. Задача: снять семейство вольт-амперных характеристик при различных освещенностях, определить оптимальные нагрузочные сопротивления и оценить КПД фотоэлемента. Приборы и принадлежности: источник света , кремниевый фотоэлемент, магазин сопротивлений, милливольтметр, миллиамперметр. Вентильный фотоэффект заключается в возникновении фото-ЭДС в вентильном, т.

Что такое фотоэлемент? Как устроен и где применяется? Принцип действия?

ВИДЕО ПО ТЕМЕ: Элементарно. Солнечная батарея (как устроена)

Солнечные батареи уже сейчас используются для питания самой разнообразной техники: от мобильных гаджетов до электромобилей. Как устроены, какими бывают и на что способны современные солнечные батареи, вы узнаете из этой статьи. Так исторически сложилось, что солнечные батареи — это уже вторая попытка человечества обуздать безграничную энергию Солнца и заставить ее работать себе на благо. Первыми появились солнечные коллекторы солнечные термальные электростанции , в которых электричество вырабатывает нагретая до температуры кипения под сконцентрированными солнечными лучами вода.

Подразделяются на электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы [1]. Действие прибора основано на фотоэлектронной эмиссии или внутреннем фотоэффекте [2].

Принцип работы солнечной батареи: как устроена и работает солнечная панель

Фотоэлементом называется прибор, в котором воздействие лучистой энергии оптического диапазона вызывает изменение его электрических свойств. Фотоэлементы разделяются на три типа: 1 с внешним фотоэффектом, 2 с внутренним фотоэффектом, 3 с запирающим слоем. В фотоэлементе с внешним фотоэффектом действие света вызывает выход из поверхностного слоя фотокатода электронов во внешнее пространство — в вакуум или сильно разреженный газ. Схема устройства такого фотоэлемента приведена на рис. На внутреннюю стенку стеклянной колбы 1 , из которой откачан воздух, с одной стороны нанесен фотокатод 2. Широкое применение получили сурьмяно-цезиевые фотокатоды. В центре колбы вакуумного фотоэлемента укреплен металлический анод 3 в виде небольшого кольца или пластинки.

Селеновый фотоэлемент

Селеновый фотоэлемент представляет собой слой селена, на который напылением наносится тонкий слой серебра, а снизу находится стальная или железная пластинка рис. Свет, падая на прозрачный слой серебра Ag , частично вступает во взаимодействие с ним, выбивая из него фотоэлектроны, а частично проходит в слой селена Se , который, поглощая свет, увеличивает свою внутреннюю энергию и нагревается. В результате нагрева селен меняет свою модификацию на кристаллическую, и в этой части селена появляются свободные электроны рис. Возникает п-р переход запирающий слой , открытый для дырок и закрытый для электронов.

Устройство и действие вакуумного фотоэлемента

Устройство и действие вакуумного фотоэлемента

Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с двумя электродами в нем, катодом и анодом. Он используется для преобразования световых сигналов в электрические. Модель наглядно демонстрирует принцип действия фотоэлемента. Приведена схема включения фотоэлемента. Интенсивность света, его частоту и напряжение на фотоэлементе можно изменять.

Подробнее

Фотоэлемент — двухэлектродный электровакуумный прибор, служащий для преобразования световых сигналов в электрические.

Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с двумя электродами в нем, катодом и анодом. Электроды выводятся в виде жестких штырей в общий цоколь или разносятся в два самостоятельных цилиндрических вывода. Катод — слой металла с малой работой выхода, покрывающий часть внутренней поверхности баллона. Анодом служит проволочное кольцо (сетка, петля из тонкой проволоки), расположенное так, чтобы не мешать освещению катода. В центре баллона находится небольшое металлическое кольцо — анод фотоэлемента. Чтобы электроды фотоэлемента не окислялись, воздух из баллона выкачан и добавлено небольшое количеством химически инертного газа (гелия), повышающего также чувствительность фотоэлемента.

Рис. Принципиальная схема включения фотоэлемента в электрическую цепь. Здесь V — фотоэлемент; R — нагрузка, GB — источник высокого постоянного напряжения (примерно 250 В).

Если к аноду и катоду подключить батарею и чувствительный электроизмерительный прибор — гальванометр, то при освещении фотоэлемента стрелка гальванометра отклонится. Значит, внутри баллона фотоэлемента течет ток. Дело в том, что свет, падая на поверхность катода, выбивает с его поверхности электроны. Анод подключен к «плюсу» батареи и поэтому электроны притягиваются к нему.
Следовательно, электроны из катода попадают на анод, во внешней цепи появляется электрический ток, заставляющий стрелку гальванометра отклониться. Инертный газ в баллоне увеличивает ток, т. к. электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Образовавшиеся положительные ионы летят к катоду. В результате общий заряд, проходящий между анодом и катодом, получается больше, чем в вакууме.

Изменяя освещенность фотоэлемента, можно регулировать силу тока. Чем сильнее освещен катод, тем больше электронов вырывается из него и тем больше будет сила тока во внешней цепи. Ток через фотоэлемент при сильной освещенности катода и высоком напряжении на аноде составляет сотни микроампер. В последнее время вместо вакуумных фотоэлементов используются полупроводниковые приборы, например, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и др.

Полупроводниковый фотодиод имеет небольшие размеры, по сравнению с хрупким стеклянным баллоном фотоэлемента. Конструкция фотодиода мало чем отличается от полупроводникового диода: p-n-переход между двумя полупроводниковыми кристаллами с разной электрической проводимостью. При освещении фотодиода один его электрод заряжается положительно, а другой — отрицательно. Если к электродам, соединенным с кристаллами подключить нагрузку, например резистор, то через него потечет постоянный ток. Следовательно, в фотодиоде световая энергия непосредственно превращается в электрическую.

При освещении светом рабочей (светочувствительной) поверхности фоторезистора, его сопротивление уменьшается во много раз.

Как работают фотоэлементы?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 19 мая 2021 г.

Вы когда-нибудь были в одной из тех уборных, где краны включаются автоматически, когда вы проводите рукой под ними? Или шел через электрическую дверь, которая открылась, как только вы подошли? Может быть ваш дом оснащен невидимыми лучами «волшебный глаз», которые «отключают нарушителей, подав сигнал тревоги? Или, может быть, у вас есть калькулятор, который вырабатывает энергию с небольшой встроенной солнечной батареей? Все эти вещи являются примерами фотоэлементы (иногда называемые фотоэлементами) — электронные устройства, вырабатывающие электричество при на них падает свет. Что они собой представляют и как они работают? давайте возьмем пристальный взгляд!

Фото: мини-панель солнечных батарей на этом карманном калькуляторе использует тип фотоэлемента, известного как фотогальванический: когда на него падает свет, он производит достаточное напряжение для питания дисплея и электроники внутри.

Содержание

Что такое фотоэлектричество?
Что такое фотоэффект?
Три типа фотоэлектричества
- Фотопроводящий
- Фотогальванический
- Фотоэмиссионный
Для чего используются фотоэлементы?
- Производители электроэнергии
- Датчики света
- Усилители света
Узнать больше

Что такое фотоэлектричество?

«Фото» означает свет, поэтому фотоэлектричество означает просто электричество производится световым лучом. Эта идея совсем не кажется необычной в 21-м века, когда большинство людей слышали о солнечных панелях (куски материал, например кремний, генерирующий электрический ток при на них светит солнечный свет). Но представьте, как удивительно фотоэлектрический эффект должен был казаться немногим более века назад, в 1887 году, когда он был впервые обнаружен немецким физиком Генрихом Герцем (1857–1894), один из пионеров радио. Это оставалось чем-то вроде загадкой почти 20 лет, пока Альберт Эйнштейн не взвесил почти полное объяснение явления в 1905 году.

Что такое фотоэффект?

Фото: Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за теорию относительности — его самая известная вклад в физику, но за его более раннюю работу по фотоэлектрическому эффекту. Фото предоставлено Библиотека Конгресса США.

» Кванты энергии проникают через поверхность материала и их соответствующие энергии по крайней мере частично превращаются в кинетическую энергию электронов».
Альберт Эйнштейн, Annalen der Physik, Vol 17, 1905.

Как свет может волшебным образом превратиться в электричество? это не так как ни странно это звучит. Мы знаем, например, что свет — это своего рода электромагнитная энергия: она распространяется таким же образом (и в том же скорость) как рентгеновские лучи, микроволны, радиоволны и другие виды электромагнетизм. Мы также знаем, что энергия легко может быть трансформируется из одного вида в другой: потенциальная энергия может быть превращается в кинетическую энергию и может быть преобразована либо в тепло, либо звук. Так что идея о том, что свет можно превратить в электричество, неверна. все такое удивительное.

Тем не менее, когда фотоэлектричество было впервые объяснено в 1905 году, начало научной революции. Человек, который сделал объясняя, Альберт Эйнштейн (1879–1955) показал, что световой луч, падающий на что-то вроде куска металла, можно представить как поезд энергичные частицы, называемые фотонами . Фотоны прошли свой энергии в фиксированных количествах атомам внутри металла, выбивая некоторые их электронов из них, таким образом производя электрический ток.

Иллюстрация: фотоэлектрический эффект: когда фотоны света (слева) ударяются о лист металла, они передают свою энергию электронам (оранжевые) в металле, выбивая некоторые из них, создавая электрический ток. Вы можете подумать, что более яркий или близкий (более интенсивный) свет выбьет электроны с большей энергией, но это не так. Энергия испускаемых электронов зависит не от интенсивности света, а от его цвета (частоты): чем выше частота, тем больше энергии имеют фотоны и тем больше они могут передать электронам в металле. Фотоны более высокочастотного фиолетового света обладают большей энергией, чем фотоны низкочастотного красного света, поэтому они с большей вероятностью выбивают электроны (и освобождают их с более высокой энергией). Фотонам нужно минимум пороговая частота (минимальное количество энергии) для свободных электронов и создания фотоэлектрического эффекта, известного как работа выхода . В показанном здесь примере у фиолетовых фотонов достаточно энергии, чтобы выбить электроны, а у красных — нет.

Как математически показал Эйнштейн, энергия падающих фотонов была точно связаны с частотой или длиной волны сияющего света и равны энергии электронов, которые они выбрасывают. объяснение Эйнштейна фотоэлектрического эффекта было убедительным доказательством того, что энергия может существуют только в фиксированных количествах, называемых кванты . (Другими словами, вы можете получить энергию в пакеты семейного размера, но вы не можете разделить пакеты меньше!) Это стало центральным элемент квантовой теории : сложная, математическая объяснение загадочного мира атомов и частиц скрывается внутри них. И именно за эту работу по фотоэлектричеству Эйнштейн выиграл Нобелевская премия по физике 1921 г.

Три типа фотоэлектричества

Фотоэлектричество связано с преобразованием световой энергии в электрическую и происходит в трех разных (хотя, на первый взгляд, очень похожих) способы. Они известны как фотопроводящие, фотоэмиссионные и фотогальванические эффекты — и мы рассмотрим каждый из них по очереди.

Между прочим, когда я говорю о свете в этой статье, я имею в виду не только «видимый» свет мы можем видеть: фотоэлементы также работают с невидимые формы света, такие как инфракрасный и ультрафиолетовый: светочувствительные материалы могут «видеть» и реагировать на частоты свет за пределами диапазона, к которому чувствительны наши собственные глаза.

Фотопроводящий

Фото: Типовой фоторезистор (LDR).

Это самый простой для понимания эффект из трех. Когда я был подростком, я помню, как недолго играл с электронным компонент под названием светочувствительный резистор (LDR) . Это было похоже на маленькая кнопка с двумя клеммами, выходящими сзади, и вы можете впаяйте его в схему, как и любой другой резистор. Поверхность на «кнопке» была линза сверху (для концентрации падающего света) и под объективом есть представлял собой кусок светочувствительного материала, сделанный из чего-то вроде сульфид кальция со змеиным рисунком электрических соединений, проходящих через Это. В темноте или при обычном свете фоторезистор имел довольно высокое сопротивление. но если светить прямо на него, то сопротивление уменьшалось весьма драматично: LDR преобразовывал входящий свет в электрической энергии и добавления ее к уже проходящему току через. Это пример фотопроводящего эффекта, где свет уменьшает сопротивление материала (или увеличивает его проводимость, если хотите), делая электроны внутри него более мобильный.

Фотогальваника

Фото: Установленная на крыше солнечная панель из фотогальванических элементов.

Небольшие солнечные батареи на таких устройствах, как калькуляторы и цифровые часы иногда называют фотогальваническими элементами. Они немного похожи диоды, изготовленные из двух слоев полупроводникового материала, размещенных сверху друг друга. Верхний слой богат электронами, нижний слой, электрон бедный. Когда вы освещаете верхний слой, электроны прыгают. вверх от нижнего слоя к верхнему, создавая напряжение, которое может управлять ток через внешнюю цепь, поэтому обеспечивая то, что мы считаем солнечная энергия. Узнайте больше о фотогальванике в нашей основной статье на солнечные батареи.

Фотоэмиссионный

Фото: Базовый фотоэлемент.

Фотоэмиссионные элементы — старейший и самый сложный способ преобразования света в электричество. Это герметичные стеклянные вакуумные трубки (из которых воздух полностью удален), внутри которого находится большой металлический пластина, служащая отрицательной клеммой (или катодом) с меньшим, положительно заряженный стержнеобразный вывод (или анод), проходящий внутри него. Минусовая клемма изготовлена из светочувствительного материала. Когда световые фотоны падают на него, они заставляют электроны выпрыгивать из него и они сразу же притягиваются к положительной клемме, которая собирает их и направляет их в цепь, производя электроэнергию. Этот базовый дизайн называется 9Фотоэлемент 0007 или фотоэлемент . В несколько иной конструкции, называемой фотоумножителем , есть целый ряд тарелок, расположенных так, что одна входящий фотон высвобождает несколько электронов, эффективно усиливая входящий световой сигнал, поэтому он производит больший электрический отклик.

Работа: Краткое описание трех типов фотоэлементов.
1) Фотопроводимость — свет увеличивает поток электронов и уменьшает сопротивление.
2) Фотогальваника — свет заставляет электроны перемещаться между слоями, создавая напряжение и ток во внешней цепи.
3) Фотоэмиссионный — свет выбивает электроны с катода на анод, вызывая протекание тока по внешней цепи.

Для чего используются фотоэлементы?

Фото: Фотоэлектрический фонарь безопасности, установленный снаружи дома, где я живу: Когда фотоэлектрический датчик (внизу) обнаруживает движение, свет (вверху) автоматически включается на несколько минут.

Все три типа фотоэлементов могут обнаруживать свет или преобразовывать его в электричество, но на практике они имеют совсем другое применение.

Генераторы электроэнергии

Подобно миниатюрным электростанциям, фотоэлементы предназначены для производства стабильные поставки полезной электроэнергии. От небольших солнечных батарей на электронных калькуляторов до полностью фотогальванических крыш, их задача по существу, чтобы производить постоянный запас электроэнергии, которую мы можем использовать для питания электроприборов или хранить в батареях на потом.

Фото: Как отличить самцов мух от самок? Куколки бахчевых мух либо коричневые (если они мужчины), либо белые (если они женщины). Их можно разделить, погрузив их в фотоэлектрический сортировщик, который освещает каждую куколку, определяет, сколько света отражается обратно с помощью фотоэлемента, а затем просеивает куколку в ту или другую коробку в зависимости от ее цвета. Этот же аппарат можно использовать и для сортировки семян. Фото Стивена Осмуса предоставлено Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.

Детекторы света

Фотопроводящие элементы, такие как светочувствительные резисторы, скорее всего, будут использоваться в качестве детекторы света в таких вещах, как автоматические смесители для туалетов, сигнализации, дверные проемы, которые открываются автоматически, датчики дыма, детекторы угарного газа и так далее. Как правило, они имеют луч инфракрасный свет постоянно светит на светозависимый резистор и вырабатывающий постоянный электрический ток. Когда вы двигаетесь перед детектор, вы прерываете луч и останавливаете свет, достигающий резистора, поэтому его сопротивление меняется, и он внезапно производит гораздо меньше тока. Электронная схема обнаруживает изменение тока и запускает любое действие цепи предназначен для того, чтобы включать кран, открывать дверь, сигнализация или что это может быть. Фотопроводящие элементы также используются в качестве детекторов света в камерах, а также для считывания и декодирования саундтреки на кинолентах старого образца. Датчик изображения CCD или CMOS, который захватывает фотография в вашей цифровой камере или смартфоне — это более сложная версия той же идеи. В оружии некоторые конструкции неконтактных взрывателей используют фотоэлементы для обнаружения. когда ракеты достигли цели. Ракета выпускает свет (или радиоволны) и бортовой фотоэлемент (или радиоприемник) «слушает» отражения. Когда отраженные волны внезапно увеличиваются, Ракета предполагает, что она находится рядом с целью, и взрывается.

Фото: Типичный фотоэлектрический бесконтактный взрыватель времен Второй мировой войны: Т-4, датируемый с 1941 года. Он взорвался, когда бортовой фотоэлемент обнаружил внезапное изменение интенсивности света. Фото любезно предоставлено Цифровыми коллекциями Национального института стандартов и технологий, Gaithersburg, MD 20899. громоздкий, сложный и дорогой; электронный меньше и дешевле такие компоненты, как LDR, теперь более широко используются в качестве детекторов света. Фотоумножители до сих пор используются в научных приложениях, таких как обнаружение излучений разного рода, а в гаджетах вроде очки ночного видения, где они усиливают тусклый свет в ночное время сцену, чтобы ее можно было увидеть более четко.