Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

Вакуумный фотоэлемент пред­ста­вляет собой откачанный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта тонким слоем светочувствительного металла, игра­ю­ще­го роль фотокатода. Анод А на­хо­дит­ся в центре баллона (рис. 8.1). При освещении фотоэлемента из катода вы­летают электроны и под дей­стви­ем электрического поля попадают на анод. По цепи идет ток.

Газонаполненный фотоэлемент содержит какой-либо инертный газ под небольшим давлением. Первичные фотоэлектроны ионизируют атомы газа, что приводит к увеличению тока, проходящего через элемент.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

(полупроводниковые фотоэлементы)

Фотосопротивление. Действие его основано на явлении фотопроводимости. На рис.8.2 показано включение фото­со­про­тив­ления в электрическую цепь. Без освещения фото­со­противления ток в цепи практически от­сут­ствует, при освещении ток возрастает в тысячи раз.

Фотосопротивления обладают чувстви­тельностью в сотни и тысячи раз боль­шей, чем фотоэлементы с вне­ш­ним фото­эф­фектом. Кроме того, они име­ют широ­кий диапазон спектральной чув­стви­тель­но­сти: от инфракрасных до рентгеновских и g - лучей.

Недостатками их являются зна­чи­тель­ная инерционность и зави­си­мость свойств от температуры.

Вентильные фотоэлементы (фо­то­э­лементы с запирающим слоем). В вентильных фотоэлементах ис­поль­зу­ет­ся фотогальванический эффект (разновидность внутреннего фотоэффекта). В отличие от других фотоэлементов, вентильные фотоэлементы не требуют при работе источника тока, так как сами являются таким источником.

Вольт - амперные и люкс - амперные характеристики фотоэлементов

Вольт - амперной характеристикой фо­­то­элемента называется кривая, выража­ю­щая зависимость фототока от напряжения. На рис. 8.3 показана вольт - амперная харак­те­рис­тика вакуумного фотоэлемента. Она отличается двумя особенностями:

а) при увеличении напряжения U между анодом и катодомфототок I_Ф достигает насыщения (с увеличением освещенности ток насыщения возрастает);

б) существует такое значение за­дер­­жи­вающей разности потенциалов U_з , при котором фототок прекращается. Элек­тро­ны перестают достигать анода, когда ра­бо­та задерживающего электрического поля ста­новится равной их начальной кинетической энергии:

,

где е, m и V - это заряд, масса и скорость электрона соответственно.

Вольт - амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер.

Люкс - амперной (или световой) характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от освещенности катода при постоянном напряжении. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейна, так как число выбитых электронов в единицу времениnпропорционально освещенности (I_н = е n ~ E).

Световая характеристика фотосопротивлений имеет нелинейный характер.

Применение фотоэлементов

Фотоэлементы используются в технике и в научных исследованиях. Например, они применяются в звуковом кино для воспроизведения звука, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы позволяют управлять на расстоянии процессами производства. При нарушениях хода процесса изменяется поток света, попадающего на фотоэлемент, и создается ток, выключающий весь процесс. С помощью фотоэлементов измеряются весьма слабые световые потоки (например, в биологии, астрофизике), регистрируются инфракрасные спектры, осуществляется фотографирование в темноте и т.д.

Вентильные фотоэлементы используются для изготовления “солнечных” батарей, преобразующих энергию Солнца в электрическую энергию. Кремниевые “солнечные” батареи применяются, например, для питания аппаратуры на искусственных спутниках Земли и автоматических межпланетных станциях.

Фотоэлементы могут быть использованы для измерения освещенности рабочих мест. Приборы, служащие для измерения освещенности, называются люксметрами.

Выполнение работы

1. Ознакомиться с имеющимися на ла­бора­тор­ном столе приборами.

2.Снять вольт – ам­пер­нуюхарактеристику ва­куумного фотоэлемента (СЦВ-4):

2.1. Поместив фото­эле­мент СЦВ-4 на оп­ти­чес­кую скамью, собрать электрическую цепь по рис. 8.4.

2.2. Подать напря­же­ние сети на вы­пря­ми­тель и источник света. Из­ме­няя напряжение U, по­даваемое на фото­э­ле­мент, от 0 до 120-150 В, снять зависимость (7-10 точек) силы фототока I_фот напряжения для двух расстояний r₁ и r₂ фотоэлемента от источника света. Результаты измерений занести в табл. 8.1.

Таблица 8.1

П р и м е ч а н и е. Расстояния r₁ иr₂ необ­хо­ди­мо подбирать такими, чтобы шкала миллиампер­метра использовалась как можно полнее. Фототок мож­но измерять в отно­си­тель­ных единицах (в де­ле­ни­ях шкалы прибора).

2.3. По измеренным данным построить графики I_ф = f (U).