Принцип работы фотоэлемента. Принцип работы и применение фотоэлементов

Как работают фотоэлементы. Какие бывают типы фотоэлементов. Где используются фотоэлементы в современной технике. Каков принцип действия фотоэлемента. Что такое фотоэффект и как он применяется.

Что такое фотоэлемент и как он работает

Фотоэлемент — это устройство, которое преобразует энергию света в электрическую энергию. Принцип его работы основан на явлении фотоэффекта, открытом в конце 19 века.

Фотоэффект заключается в том, что при освещении некоторых материалов из них выбиваются электроны. Это происходит, когда энергия падающего фотона света превышает работу выхода электрона из вещества.

В фотоэлементе используется этот эффект для генерации электрического тока. Типичный фотоэлемент состоит из двух электродов, разделенных светочувствительным материалом:

• Фотокатод — электрод, из которого выбиваются электроны под действием света
• Анод — электрод, собирающий выбитые электроны
• Светочувствительный слой между электродами (например, полупроводник)

Когда свет падает на фотокатод, из него выбиваются электроны, которые движутся к аноду, создавая электрический ток во внешней цепи. Чем интенсивнее падающий свет, тем больше ток.

Основные типы фотоэлементов

Существует несколько типов фотоэлементов, различающихся принципом действия:

1. Фотоэмиссионные элементы

В них используется внешний фотоэффект — выбивание электронов из металла под действием света. Состоят из вакуумной или газонаполненной колбы с фотокатодом и анодом. Применяются в фотоумножителях, передающих телевизионных трубках.

2. Фотопроводящие элементы

Основаны на внутреннем фотоэффекте — увеличении электропроводности полупроводника при освещении. Типичный пример — фоторезисторы. Их сопротивление уменьшается при увеличении освещенности.

3. Фотогальванические элементы

Используют фотогальванический эффект — возникновение ЭДС на границе двух полупроводников или полупроводника с металлом при освещении. На этом принципе работают солнечные батареи.

Где применяются фотоэлементы

Фотоэлементы нашли широкое применение в различных областях техники:

• Солнечные батареи для получения электроэнергии
• Датчики освещенности в системах автоматики
• Экспонометры фотоаппаратов
• Считывание звуковой дорожки с кинопленки
• Датчики движения и охранные системы
• Автоматическое включение уличного освещения
• Пульты дистанционного управления

Использование фотоэлементов позволяет создавать системы, автоматически реагирующие на изменение освещенности или прерывание светового луча. Это находит применение в промышленной автоматике, охранных системах, бытовой технике.

Принцип работы фотоэлемента на основе p-n перехода

Рассмотрим подробнее принцип действия фотогальванического элемента на основе p-n перехода, который используется в солнечных батареях:

1. При освещении полупроводника фотоны выбивают электроны из атомов, образуя электронно-дырочные пары
2. На границе p и n областей существует электрическое поле, разделяющее носители заряда
3. Электроны движутся в n-область, а дырки в p-область
4. Возникает разность потенциалов между областями — фото-ЭДС
5. При подключении нагрузки во внешней цепи потечет электрический ток

Эффективность такого фотоэлемента зависит от ширины запрещенной зоны полупроводника, интенсивности освещения, площади элемента и других факторов. КПД современных кремниевых солнечных элементов достигает 20-25%.

Преимущества и недостатки фотоэлементов

Основные достоинства фотоэлементов:

• Прямое преобразование света в электричество
• Отсутствие движущихся частей
• Бесшумность работы
• Долговечность
• Модульность конструкции

Недостатки:

• Зависимость от освещенности
• Относительно низкий КПД
• Высокая стоимость (для солнечных батарей)
• Необходимость большой площади (для солнечных электростанций)

Несмотря на недостатки, фотоэлементы остаются перспективным направлением в энергетике и электронике. Ведутся работы по повышению их эффективности и снижению стоимости.

Применение фотоэлементов в промышленной автоматике

В промышленности фотоэлементы широко используются в качестве датчиков для систем автоматизации. Основные области применения:

• Счетчики и детекторы объектов на конвейерных линиях
• Системы позиционирования и контроля перемещения
• Охранные системы и датчики присутствия
• Автоматические двери и турникеты
• Контроль уровня жидкостей и сыпучих материалов
• Сортировка продукции по цвету или размеру

Фотодатчики обеспечивают бесконтактное обнаружение объектов, что позволяет автоматизировать многие производственные процессы. Они надежны, имеют высокое быстродействие и не требуют сложного обслуживания.

Перспективы развития фотоэлементов

Основные направления совершенствования фотоэлементов:

• Повышение КПД преобразования световой энергии в электрическую
• Расширение спектрального диапазона чувствительности
• Создание гибких и прозрачных фотоэлементов
• Удешевление технологии производства
• Разработка более эффективных материалов

Перспективными являются разработки в области органических и перовскитных солнечных элементов, а также создание многослойных фотоэлементов, использующих разные участки спектра. Это позволит значительно повысить эффективность и расширить сферы применения фотоэлементов.

Принцип работы фотоэлемента | Откатные ворота под ключ

Принцип работы фотоэлемента | Откатные ворота под ключ

Фотоэлементом называют прибор, который под воздействием Солнца вырабатывает фототок. Практическую возможность получения электрической энергии из света разработал профессор физики МУ А.Г. Столетов. Он объяснил происхождение фотоэффекта и сумел преобразовать солнечную энергию в фотоЭДС. На основании этого сегодня изготавливают электровакуумные и полупроводниковые фотоэлементы, которые используют в измерительной, контрольной и автоматической аппаратуре.

Устройство представляет собой кварцевую или стеклянную колбу. С ее внутренней стороны нанесен светочувствительный слой щелочного металла (катод). Он контактирует с проводом, соединенным с отрицательным полюсом источника питания. В середине устройства расположен электрод, называемый анодом. Он соединен с положительным полюсом. Под воздействием света из катода вырываются электроны. В электромагнитном поле они устремляются к аноду, создавая в цепи ток.

Полупроводниковый фотоэлемент

Полупроводник имеет устойчивую структуру. Атомы прочно связаны ковалентной связью. Если энергии кванта хватает, чтобы разорвать связь электрона с атомом, электрон становится свободным. На его месте рождается дырка — положительный заряд, равный заряду электрона. Если приложить разность потенциалов, появится электрический ток.

Слабую проводимость чистых полупроводников увеличивают с помощью примесей других веществ, чтобы получить больше свободных положительно или отрицательно заряженных частиц:

1. примеси, создающие избыток электронов образуют полупроводник n-типа.
2. примеси, создающие избыток дырок — полупроводник p-типа.

 

Если соединить материал n-типа и p-типа, на границе произойдет перераспределение зарядов: дырки будут двигаться в n-область, а электроны — в p-область, пока на границе не возникнет двойной слой зарядов, называемый p-n-переходом и электрическое поле, препятствующее их дальнейшему перераспределению.

Если цепь замкнуть, появится электрический ток, пропорциональный:

• интенсивности светового потока;
• площади полупроводника;
• времени действия света.

Устройство фотоэлемента

Применение

Фотоэлементы прочно вошли в нашу жизнь. Фотореле пропускает нас в метро, управляет процессами современного производства, обеспечивает безопасность человека и механизмов, контролируют качество продукции по классической схеме. На ее входе устанавливается фотоэлемент, реагирующий на световой поток. Сигнал усиливается и подается на реле в исполнительную цепь, управляя работой двигателей, станков и целых систем, применяемых в быту и на производстве.

Изучение света продолжается и сегодня. Ученые уверены, что потенциал фотона колоссален, а гелиевая энергетика в скором времени изменит свет во всех отношениях.

+7(499)398-03-92
+7(925)056-80-35

info@garantplaststroi. ru

Москва, ул. Институт, 16А,
рабочий посёлок Большие Вязёмы

ИП Андреев М.В.
ИНН 613202673494
р/с 40802810402820000880
АО «АЛЬФА-БАНК» Г. Москва
БИК 044525593
к/с 30101810200000000593

Мы в соц. сетях:

Оставьте заявку

и мы вам перезвоним!

С условиями обработки персональных данных согласен

Калькулятор стоимости

Ошибка: Контактная форма не найдена.

Оставьте заявку

и мы вам перезвоним!

Принцип работы фотоэлемента

Примеров использования солнечной энергии великое множество. Это и солнечная энергетика и сельское хозяйство, фотоэлектрические системы и, наконец, фотосинтез без которого не было бы жизни. Одним из важных современных технологических решений является преобразование энергии Солнца в источник электрической энергии. В основу этого преобразования заложен принцип работы солнечного элемента.

• Принцип получения электроэнергии
• Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов
• Фотоэффект
• Виды фотоэффекта
• Фотоэлемент
• Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов

Принцип получения электроэнергии

Батареи собраны из некоторого количества элементов, в которых энергия солнечного излучения преобразуется в электрическое напряжение. Каждый из упомянутых элементов – это фотодиод, изготовленный из специального полупроводящего материала. Каждый элемент батареи состоит из двух частей. Обе части – это определенным образом обработанный полупроводниковый материал.

Электроны в полупроводниках расположены в определенных диапазонах по энергии, диапазоны называют зонами. В каждой упомянутой части, как во всяком полупроводнике, существует заполненная зона, проводимости и разделяющая их зона. Если электрон находится в зоне проводимости, он может перемещаться. В заполненной зоне электроны вообще неподвижны. Но, если электрону сообщить добавочную энергию, он перейдет в зону проводимости и сможет перемещаться.

Возможен также переход электронов из заполненной на какой-нибудь уровень в промежуточной зоне. В обоих случаях в заполненной зоне окажется пустой уровень. На этот уровень может перейти другой электрон, оставив свой уровень незаполненным. Последний может занять соседний из этой же зоны, вместо того следующий и т. д.

Таким образом, перемещение зарядов в заполненной зоне приведет к тому, что электроны  тоже могут проводить ток. Такие создающие ток заряды, в отличие от электронов в зоне проводимости, называют дырками, так как при перемещении  в этом случае перемещается дырка – в место, где нет электрона. А теперь представим себе, что мы соединили друг с другом полупроводники, в одном из которых электрический ток проводят электроны, а в другом – дырки.  Падение солнечных лучей на элемент сгенерирует неравновесные электронно-дырочные пары с образованием тока.

Электрические процессы в такой паре весьма сложны. Поэтому упростим их насколько возможно, для этого положим, что освещается только один из двух полупроводников, скажем для определенности тот, в котором ток проводят свободные электроны. Тогда при соединении двух полупроводников, благодаря тому, что электроны совершают тепловое движение, часть из них перейдет в дырочный полупроводник. Значит, в электронном полупроводнике возникает недостача зарядов, и он благодаря этому получит положительный заряд.

Дырочный же полупроводник, получивший электроны от соседа, очевидно, получит отрицательный заряд. А для внешней цепи соединение двух таких полупроводников будет как источник напряжения, и будет создавать во внешней цепи ток, который нужен для движения чего-либо. Это практический пример использования солнечного электричества, который положен в основу и принцип работы солнечных элементов и батарей в целом.

Фотоэффект, применение в технике фотоэлементов

На протяжении почти всего XIX века ученые наблюдали странное поведение веществ, металлов и электролитов под действием на них прямого света. Эти вещества увеличивали свою проводимость. Первым, кто смог собрать и обосновать данное явление, был Альберт Эйнштейн. Он доказал, что свет существует в виде квантовых порций и может оказывать влияние на некоторые элементы, увеличивая проводимость, то есть высвобождая свободные электроны.

Фотоэффект

Фотоэффектом называют явление испускания веществом свободных электронов под воздействием света или другого электромагнитного облучения. Протекает он в твердых веществах и конденсированных жидкостях. Применение фотоэффекта привело к открытию и обоснованию квантовой теории. На основе этой теории удалось объяснить закономерности фотоэффекта.

Из этой теории выходит, что свободный электрон облучаемого вещества не может поглотить фотон, отдаваемый излучателем, ввиду того, что невозможно соблюдение законов сохранения энергии и импульса. Связь электрона вещества с окружением обуславливает фотоэффект в молекулах и конденсированной среде. Такая связь характеризуется ионизирующей энергией, так называемой энергией выхода электрона. Применение фотоэффекта в настоящее время на практике очень широко.

Виды фотоэффекта

Внешним фотоэффектом называют явление испускания электронов под воздействием электромагнитного излучения. При этом электроны, выходящие из вещества, называются фотоэлектронами, соответственно, электрический ток в нем называется фототоком. Непосредственно элемент в аппарате, подвергающийся облучению и отдающий электроны, называется фотокатодом. Спектральная характеристика фотокатода — это зависимость чувствительности к воздействию от частоты и длины волны излучения.

Внутренним фотоэффектом называют перераспределение внутри вещества согласно энергетическим особенностям. Применение фотоэффекта внутреннего объяснило явление фотопроводимости, то есть изменения концентрации заряда в веществе под воздействием излучения, при этом выход электронов не происходит.

Фотовольтаический эффект возникает под воздействием конкретно электромагнитного излучения на вещество со свободными электронами. Ядерный фотоэффект возникает при поглощении ядром атома гамма-излучения при неизменном нуклонном количестве. При этом происходит распад ядра и выход ядерной энергии.

Фотоэлемент

Широкое применение фотоэффекта стало возможным благодаря изобретению фотоэлемента. Он применяется как оптический датчик на станках, позволяя обрабатывать сложнейшие детали без применения человеческого труда согласно созданным для этого программам. Также в кино фотоэлемент считывает запись с пленки, преобразуя ее в звук.

Фотоэлементы и их применение намного упрощают нашу жизнь как потребителей электроэнергии. Связано это с тем, что они широко используются в таких аппаратах, как солнечные батареи. В них прямое солнечное излучение попадает на вещество, преобразуясь в электрический ток.

Принцип действия и устройство вакуумных фотоэлементов

Он основан на использовании внешнего фотоэффекта, при котором падающий на поверхность материала лучистый поток вызывает эмиссию электронов в вакуум. Эти фотоэлектроны увлекаются внешним электрическим полем, создающимся приложенным напряжением между двумя электродами. При этом роль катода играет фоточувствительный слой (фотокатод). Вторым электродом является анод. Фотоэлектроны под действием приложенного напряжения устремляются к аноду, создавая ток во внешней цепи.

Эмиссия электронов из фотокатода порождается следующими процессами: поглощением падающего фотона, которое приводит к передаче энергии фотона к электрону; диффузией возбужденного электрона к поверхности твердого тела; прохождением электрона через поверхностный потенциальный барьер в вакуум.

Энергия, необходимая для преодоления потенциального барьера, называется работой выхода.

Эмиссионная способность материала характеризуется квантовым выходом, равным отношению числа освобожденных электронов к числу падающих фотонов. Величина квантового выхода будет тем больше, чем выше эффективность первых двух этапов фотоэмиссии и чем меньше работа выхода. Удачным сочетанием таких качеств обладают некоторые сложные полупроводники, являющиеся эффективными фотокатодами.

Анализ показывает, что для данного материала существует оптимальная длина волны, на которой наблюдается максимальное значение квантового выхода. В соответствии с законом Столетова, величина фототока пропорциональна потоку излучения, поглощенному веществом. максимальная же кинетическая энергия фотоэлектронов тем больше, чем больше частота падающего излучения и не зависит от величины потока излучения (закон Эйнштейна).

, (28)

где – работа выхода электрона;

h – постоянная Планка.

Из этой формулы следует, что внешний фотоэффект наблюдается только для излучения, длина волны которого меньше красной границы фотоэффекта, определяемой выражением

. (29)

Вакуумный фотоэлемент с внешним фотоэффектом представляет собой стеклянный вакуумированный баллон, на одну из стенок которого наносится фотокатод. Роль анода выполняет металлическая пластинка или кольцо, находящиеся в центре баллона. В некоторых конструкциях фотоэлементов, предназначенных для измерения слабых потоков, имеется третий вспомогательный электрод – охранное кольцо, помещаемое таким образом, чтобы улавливать токи утечки по баллону между выводами катода и анода. Баллон выполняется полностью из стекла или имеет окно для прохождения регистрируемого излучения из увиолевого стекла или кварца, или сапфира.

Конструктивно все фотоэлементы можно разделить на четыре группы.

1 Фотоэлементы с массивными непрозрачными фотокатодами, освещаемыми с фронта (рисунок 9, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.

а – с массивным фотокатодом; б – измерительного фотоэлемента с торцевым фотокатодом и охранным кольцом; в – сильноточного коаксиального фотоэлемента; 1 – фотокатод; 2 – анод; 3 – вывод фотокатода; 4 – вывод анода; 5 – охранное кольцо.

Рисунок 9 – Схема вакуумного фотоэлемента

Такие фотоэлементы используются в звуковом кино, фототелеграфии и контрольно-измерительной технике. Сферическая форма баллона является оптимальной, так как отраженное от поверхности фотокатода излучение снова попадает на соседние участки фотокатода.

2 Измерительные фотоэлементы (рисунок 9, б) используются в фотометрии для измерения слабых световых потоков, медленно меняющихся по величине или модулированных с определенной частотой. Они выполняются как с массивным фотокатодом, так и с торцевым полупрозрачным. Они, как правило, имеют охранное кольцо.

3 Специальные сильноточные фотоэлементы коаксиальной конструкции (ФЭК), предназначенные для регистрации лазерных импульсов с длительностью в несколько наносекунд. Для этого фотокатод выполнен в виде плоской пластинки, а анод в виде сетки располагается перед фотокатодом. Вся конструкция фотоэлемента выполнена в виде отрезка коаксиальной линии, согласованной с коаксиальным кабелем. Такие фотоэлементы имеют линейную световую характеристику для фототоков вплоть до нескольких ампер. Для снижения времени пролета электронов анодное напряжение увеличивают до 2-5 кВ. а расстояние между анодом и фотокатодом уменьшают до нескольких миллиметров.

4 Газонаполненные фотоэлементы, в которых для повышения интегральной чувствительности прибегают к усилению первичного фототока с помощью инертного газа, которым наполняется баллон фотоэлемента. В газе под воздействием приложенного анодного напряжения при движении электронов возникает лавинная ионизация, что вызывает увеличение тока в цепи. Так, чувствительность газонаполненного фотоэлемента ЦГ-4 в 2,5 раза выше, чем у аналогичных вакуумированных.

При выборе типа фотокатода при использовании фотоэлементов в оптико-электронных приборах руководствуются следующими требованиями.

1. Для работы в ИК области пригоден лишь серебряно-кислородно-цезиевый фотокатод. Но он не пригоден для работы со слабыми потоками из-за большой термоэмиссии и малой интегральной чувствительности.

2. Для монохроматических источников выбирают фотокатоды с максимальным квантовым выходом в заданной области спектра. В коротковолновой области спектра используют сурьмяно-цезиевые или бищелочные фотокатоды с пониженной термоэмиссией. В более длинноволновой (600-900 нм) – многощелочные.

3. Многощелочные, а также более простые в изготовлении сурьмяно-цезиевые фотокатоды, сенсибилизированные кислородом, имеют более высокую интегральную чувствительность.

4. В телевидении и других областях, требующих характеристики, близкие к кривой чувствительности глаза, используют висмут-серебряно-цезиевые или сурьмяно-рубидиево-цезиевые фотокатоды.

Понравилась статья? Расскажите друзьям:

Оцените статью, для нас это очень важно:

Проголосовавших: 4 чел.
Средний рейтинг: 4.5 из 5.

Основное введение в фотоэлемент — Utmel

В этой статье рассматривается описание фотоэлемента, которое включает процесс, принципиальную схему, формы и области применения фотоэлемента. Фотоэлемент, по сути, представляет собой своего рода резистор, который можно использовать для регулировки значения сопротивления в зависимости от силы света. Они дешевы, их легко приобрести, а также спецификации различных размеров. По сравнению с другими устройствами каждый датчик фотоэлемента может работать по-разному, даже если они принадлежат к одному семейству.

Каталог

 

Ⅰ Что такое фотоэлемент?

Фотоэлемент можно описать как светочувствительный модуль. В самых разных целях, таких как освещение от заката до восхода солнца, это можно использовать путем подключения к электрической или электронной схеме, которая механически включается при низкой интенсивности света. Они также используются в других приложениях, таких как автоматические двери и детекторы вторжения.

фотоэлемент

Фотоэлементы легкие, дешевые, маломощные, удобные в использовании и не изнашиваются. У них также есть куклы, гаджеты и приспособления для этой цели. Обычно называют элементы CdS (изготовленные из сульфида кадмия), светозависимые резисторы (LDR) и фоторезисторы.

Для большинства светочувствительных приложений, таких как «ярко или темно на улице», «есть ли что-нибудь перед датчиком (что блокирует свет),» есть ли что-нибудь, прерывающее лазерный луч» (датчики прерывания луча). ), или «что больше всего света попадает в него с различных датчиков», фотоэлементы были бы сильным вариантом!

Одним из типов датчиков является фотоэлемент, с помощью которого можно обнаруживать свет. Они очень тонкие, маломощные, экономичные, очень простые в использовании и являются ключевыми характеристиками фотоэлементов. Для этих целей они широко используются в гаджетах, играх и бытовой технике. Этими датчиками часто называют клетки с сульфидом кадмия (CdS). Из них состоят фоторезисторы и LDR.

Эти датчики идеально подходят для устройств, чувствительных к свету, таких как свет, который в противном случае отключился бы. Если блок света находится перед датчиком, если есть что-то, что мешает лазерному свету, датчики, которые касаются большей части света.

Ⅱ Работа фотоэлементов 

Вакуумная стеклянная трубка, содержащая два электрода, таких как коллектор и эмиттер, может использоваться для создания фотоэлемента. Форма вывода излучателя примет вид полуполого цилиндра. При отрицательном потенциале все же планируется. Контур вывода коллектора может быть выполнен в виде металла, который может располагаться на частично цилиндрической оси эмиттера. Это может постоянно поддерживаться на положительной клемме. Вакуумную стеклянную трубку можно закрепить на неметаллическом основании, а для внешнего крепления к основанию предусмотрены штифты.

Теория работы фотоэлемента будет зависеть от явления электрического сопротивления и фотоэлектрического эффекта. Это может быть использовано для преобразования электрической энергии в энергию света.

Положительная (+ve) клемма батареи соединена, а клемма эмиттера подключена к отрицательной (-ve) клемме и клемме коллектора. Частота излучения в эмиттере будет выше пороговой частоты материала, поэтому произойдет утечка фототонов. Фотонные электроны участвуют в пути коллектора. Здесь, по отношению к терминалу эмиттера, терминал коллектора является положительным терминалом. Следовательно, движение тока внутри цепи будет иметь место. Если сила излучения улучшается, то фотоэлектрический ток увеличивается.

Ⅲ Принципиальная схема фотоэлементов 

Фотоэлемент, используемый в схеме, иначе называется схемой с транзисторным переключением в качестве схемы обнаружения темноты. Макет, перемычки, батарея-9В, транзистор 2N222A, фотоэлемент, резисторы-22 кОм, 47 Ом и светодиоды — необходимые компоненты для построения схемы.

В двух условиях, например, когда есть свет и когда темно, срабатывает описанная выше схема фотоэлемента.

Сопротивление фотоэлемента меньше в первом примере, а затем через второй резистор, например 22 кОм и фотоэлемент, будет течь ток. Транзистор 2N222A здесь выполняет роль изолятора. Дорожка, которая содержит LED1, R1 и транзистор, также будет выключена.

Сопротивление фотоэлемента велико во втором примере, и тогда полоса движения изменится. Так что низкое сопротивление базы транзистора или через фотоэлемент будет.

Всякий раз, когда на базовый вывод транзистора подается питание, транзистор 2N222A работает как проводник. Включится дорожка, включающая вывод, R1 и резистор 2N222A, а светодиод будет мигать. Но если на базовую клемму транзистора подается питание, то транзистор будет вести себя как проводник, после чего загорится светодиод.

Ⅳ Типы фотоэлементов

Доступны различные типы фотоэлементов.

Фотогальваника

Устройства с зарядовой связью

Фоторезистор

Ячейка Голея

Фотоумножитель

По мере того, как фотоны проталкивают электроны через клетку в высокоэнергетическое состояние, возникает функциональный ток.

2)Устройства с зарядовой связью

Научному сообществу следует использовать систему с зарядовой связью, потому что это очень надежный и точный фотодатчик. Если можно использовать заряд, производимый фоточувствительными датчиками, для анализа целого ряда объектов, от галактик до просто молекул.

3) Фоторезистор

Фоторезисторы — это один из типов систем для датчиков, удельное сопротивление которых можно уменьшить за счет количества выставленного света. В своих приложениях экспонометры камеры и многократные сигналы тревоги используют недорогие фоторезисторы.

4)Ячейка Голея

Для обнаружения ИК-излучения в основном используется ячейка Голея. С одной стороны цилиндр из почерневшей металлической пластины заполнен ксеноном. Газ внутри цилиндра будет нагреваться и скручивать эластичную диафрагму на другом конце ИК-энергии, падающей на почерневшую пластину. Здесь движение используется для определения выхода источника энергии.

5) Фотоумножитель

Фотоумножитель — это очень чувствительный датчик. Неясный свет можно умножить в сто миллионов раз.

Ⅴ Применение фотоэлементов

В автоматических светильниках фотоэлементы используются для включения при наступлении темноты, а включение/выключение уличного освещения в основном зависит от дня, будь то день или ночь.

В забеге они используются как таймеры для расчета скорости бегуна.

Для подсчета транспортных средств на дороге используются фотоэлементы.

Используются вместо переменных резисторов и фотогальванических элементов.

Используются для определения силы света в люксметрах.

Используются как переключатели и датчики.

Используются для защиты вора от охранной сигнализации.

В робототехнике они используются везде, где они направляют роботов прятаться в темноте от глаз, в противном случае следовать за маяком или линией.

Они используются в экспонометрах, которые можно использовать с камерой, чтобы получить хороший снимок, чтобы узнать правильное время экспозиции.

При воспроизведении звука, который можно записать на кинопленку, используются фотоэлементы.

Используются для освещения от заката до рассвета.

Как работают фотоэлементы?

Криса Вудфорда. Последнее обновление: 6 марта 2023 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: Фотогальваника в этих солнечных панелях — лишь один из трех распространенных типов фотоэлементов. Фото солнечного сада Вернера Слокама предоставлено NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США).

Содержание

1. Что такое фотоэлектричество?
2. Что такое фотоэффект?
3. Три типа фотоэлектричества
   • Фотопроводящий
   • Фотоэлектрический
   • Фотоэмиссионный
4. Для чего используются фотоэлементы?
   • Производители электроэнергии
   • Датчики света
   • Усилители света
5. Узнать больше

Что такое фотоэлектричество?

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.

«Фото» означает свет, поэтому фотоэлектричество просто означает электричество, производимое световым лучом. [1] 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 себе, как удивителен фотоэлектрический . эффект должен был казаться немногим более века назад, в 1887 году, когда он был впервые обнаружен немецким физиком Генрихом Герцем (1857–189 гг.4), 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 и производя 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 у фотонов 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 энергии света в электрическую энергию 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 светозависимый 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 фотоэлемент или фотоэлемент . В несколько иной конструкции фотоумножитель называется , 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, создавая ток во 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. Старомодная компьютерная мышь (с резиновым шариком внутри) использует аналогичный принцип, чтобы выяснить, как ваша рука движется по столу. (фото механизма крупным планом вы можете увидеть в моей статье про мышь).

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.