Внешний фотоэффект. Вакуумный фотоэлемент, устройство, принцип действия, области применения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Внешний фотоэффект. Вакуумный фотоэлемент, устройство, принцип действия, области применения



Внешний фотоэффект или фотоэлектронная эмиссия -- испускание электронов веществом под действием электромагнитного изучения.

Основное влияние на характер протекания фотоэффекта оказывают свойства облучаемого материала (проводник, полупроводник, диэлектрик), а также энергия фотонов, так как для каждого материала существует минимальное значение энергии фотонов, при которой фотоэффект прекращается.

Впервые явление фотоэффекта было замечено Г. Герцем в 1887 г. Сущность явления состоит в том, что при освещении ультрафиолетовыми лучами металлическое тело теряет электроны. Фотоэффект можно наблюдать, например, при освещении светом электрической дуги цинковой пластинки, соединенной с электрометром (см. рис.1).

Рис. 1. Освещение заряженной цинковой пластинки светом электрической дуги:1 -- отрицательно заряженная пластинка; 2 -- положительно заряженная пластинка

Если цинковую пластинку зарядить отрицательно, то при ее облучении электрометр быстро разряжается. Если же пластинка заряжена положительно, то при облучении ее заряд не изменяется.

Первые количественные исследования фотоэлектрического эффекта принадлежат русскому физику А.Г. Столетову, который установил основные законы фотоэффекта.



Рис. 2. Описание опыта Столетовым А.Г. «Два металлических диска («арматуры», «электроды») в 22 см диаметром были установлены вертикально и друг другу параллельно перед электрическим фонарем Дюбоска, из которого вынуты все стекла. В фонаре имелась лампа с вольтовой дугой А. Один из дисков, близлежащий к фонарю, сделан из тонкой металлической сетки, латунной или железной, иногда гальванопластически покрытой другим металлом, которая была натянута в круглом кольце; другой диск сплошной (металлическая пластинка)» [Столетов А. Г. Избранные сочинения / Под ред. А. К. Тимирязева.-- М.; Л.: Гос. изд. техн.-теор. лит., 1950. -- 660 с.]. Измерения производились зеркальным гальванометром G, источником тока В служили гальванические батареи из разного числа элементов.

Исследования привели к установлению следующих основных закономерностей фотоэффекта:

1. Испускаемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.

2. Величина испускаемого телом заряда пропорциональна поглощенной им световой энергии.

3. Наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего света, а определяется при прочих равных условиях лишь частотой падающего монохроматического света и растет с увеличением частоты.

4. Фотоэффект протекает безынерционно, то есть фототок появляется практически одновременно с освещением катода (задержка ).

Проанализируем вольт-амперную характеристику (то есть зависимость фототока I от напряжения между электродами U), которая получается в результате фотоэлектрического эффекта. Из кривой на рис. 3 видно, что при некотором напряжении фототок достигает насыщения -- все электроны, испущенные катодом, попадают на анод.

Рис. 3. Вольт-амперная характеристика фотоэффекта

Следовательно, сила тока насыщения определяется количеством электронов, испускаемых катодом в единицу времени под действием света. Поэтому сила фототока насыщения прямо пропорциональна световому потоку

		(1)

где k -- коэффициент пропорциональности, характеризующий «чувствительность» данного вещества к свету.



Рис. 4. Зависимость силы фототока насыщения от светового потока

Анализ кривой показывает, что электроны вылетают из катода с различными по величине скоростями. Часть электронов обладает достаточными скоростями, чтобы при U =0 долететь до анода «самостоятельно» и создать фототок без помощи ускоряющего поля. Для обращения фототока в нуль необходимо приложить некоторое задерживающее напряжение . По величине тормозящей разности потенциалов , при которой фототок обращается в нуль, можно определить скорость самых быстрых фотоэлектронов:

		(2)

где -- масса, величина заряда (e>0) и максимальная скорость этих электронов. Экспериментально было установлено, что максимальная скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности света, а зависит только от частоты облучения . Растущая линейная зависимость на рис. 3 указывает на то, что увеличение частоты приводит к возрастанию максимальной скорости фотоэлектронов.



Рис. 4. Зависимость задерживающего напряжения от частоты

Эта экспериментальная зависимость не укладывается в рамки классической электродинамики, так как скорость фотоэлектронов по классическим понятиям должна зависеть от интенсивности электромагнитной волны, а не от ее частоты.

В 1905 г. А. Эйнштейн показал, что все закономерности фотоэффекта легко объясняются, если предположить, что свет распространяется и поглощается такими же порциями (квантами) , какими он, по предположению Планка, испускается. Взаимодействуя с электроном вещества, фотон может обмениваться с ним энергией и импульсом. Фотоэффект возникает при неупругом столкновении фотона с электроном. При таком столкновении фотон поглощается, а его энергия передается электрону. Таким образом, электрон приобретает кинетическую энергию не постепенно, а сразу -- в результате единичного акта столкновения. Этим и объясняется безинерционность фотоэффекта.



Рис. 5. Схема возникновения фотоэффекта в металле под действием падающих фотонов

Энергия, полученная электроном, доставляется ему в виде кванта . Часть этой энергии электрон тратит на то, чтобы «вырваться» из металла. Для каждого материала имеется своя работа выхода АВЫХ

Работа выхода -- это наименьшая энергия, которую необходимо сообщить электрону, чтобы удалить его из вещества в вакуум.

Остаток энергии фотона превращается в кинетическую энергию К электрона. Кинетическая энергия максимальна, если электрон образуется вблизи поверхности вещества и не расходует энергию при случайных столкновениях в веществе. В этом случае будет выполняться соотношение Эйнштейна для фотоэффекта (3).

		(3)

Согласно Эйнштейну, частота

		(4)



представляет красную границу фотоэффекта для данного вещества. Она зависит лишь от работы выхода электронов, то есть от химической природы вещества и состояния его поверхности.

На явлении фотоэффекта основано действие приборов, называемых фотоэлементами. На рис. 6 показано устройство вакуумного фотоэлемента.

Рис. 6 Устройство вакуумного фотоэлемента

На внутреннюю поверхность металлического баллона наносится светочувствительный слой, служащий катодом. Он соединен с отрицательным полюсом источника тока. В центре баллона помещается проволочное кольцо, служащее анодом. Анод соединяется с положительным полюсом источника тока. Через прозрачное окно в передней стенке баллона свет проникает внутрь и, пройдя сквозь проволочное кольцо, выбивает фотоэлектроны из катода. Фотоэлектроны под действием электрического поля движутся в сторону анода, цепь замыкается и по ней начинает течь ток IФ. Если на пути световых лучей появится непрозрачная преграда, то свет перестанет поступать на катод, фотоэлектронная эмиссия прекратится, и ток в цепи прервется. При этом сработает то или иное реле, связанное с регистрирующим устройством.

Фотоэлементы являются основной частью всевозможных фотореле, нашедших широкое применение в промышленности. С помощью фотореле можно осуществлять управление различными приборами и установками, включая и выключая их автоматически при освещении светом фотоэлемента, либо, наоборот, при его выключении.

Принцип действия 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.

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 7, а). Они применяются для сфокусированных световых потоков, постоянных или модулированных с небольшой частотой.

Рисунок 7 - Схема вакуумного фотоэлемента 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.

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 7, 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.

Главным недостатком таких фотоэлементов является их инерционность, отсутствие тока насыщения и зависимость параметров от возможных колебаний питающего напряжения.

Характеристики вакуумных фотоэлементов. Спектральная характеристика фотоэлемента определяется типом фотокатода, его толщиной, материалом подложки и окна баллона фотоэлемента. В литературе разработана система обозначения типовых спектральных характеристик фотокатодов (С1-С20), за рубежом - (S1-S25).

В зависимости от толщины фотокатоды делят на сплошные, когда излучение падает на внешний слой фотокатода, и полупрозрачные, работающие «на просвет».

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.

Частотная характеристика фотоэлементов связана либо с природой переноса фотоэлектронов, либо с наличием межэлектродных емкостей. В быстродействующих фотоэлементах время пролета составляет 10-11-10-12с.

Импульсная характеристика ухудшается, в основном, из-за разброса времени пролета электронов, которые вылетают из фотокатода с разными энергиями и углами выхода, поэтому они попадают на анод не одновременно. Кроме того, на импульсную характеристику влияет накопление заряда на стекле при перезарядке анодной емкости и межэлектродная емкость, которая составляет 10-50 пФ для обычных фотоэлементов и 3-4 пФ - для скоростных.

При отсутствии освещения в цепи фотоэлемента течет темновой ток, складывающийся из тока утечки между электродами и тока термоэмиссии.

Ток термоэмиссии составляет:

-для серебряно-кислородно-цезиевого фотокатода - 10-12-10-10А/см2;

-для сурьмяно-цезиевого фотокатода - 10-15-10-14А/см2;

-для мультищелочного фотокатода - 10-16-10-15А/см2.

Ток утечки по стеклу колбы по наружным и внутренним сторонам при анодном напряжении 200-300 В составляет 10-8-10-7А. При наличии в фотоэлементе охранного кольца этот фототок замыкается на землю и не участвует в темновом токе.

Задача 1. Составьте схему двухфазного двухполупериодного выпрямителя, используя стандартный диод Д207, параметры которого даны в табл.3 в Методических указаниях. Мощность потребителя Рd = 20 Вт с напряжением питания, Ud = 60 В. Начертите схему выпрямителя, поясните принцип его работы, используя графики входного и выпрямленною напряжения.

Решение:

1. Выписываем из таблицы 2 параметры диода Д207:

2. Определяем ток потребителя:

3. Определяем напряжение, действующее на диод в непроводящий полупериод:



4. Проверяем диод по параметрам и . Для данной схемы диод должен удовлетворять условиям:

и .

В данном случае условие выполняется, т.к. . Второе условие не выполняется, т.к. .

5. Составляем схему выпрямителя.

Чтобы выполнялось условие необходимо два диода соединить параллельно, тогда:

Полная схема выпрямителя, представлена на рисунке 8.

Рисунок 8. Схема двухфазного двухполупериодного выпрямителя



6. Принцип работы двухфазного двухполупериодного выпрямителя (рассматриваем на примере составленной схемы) .

Рисунок 9. Графики работы выпрямителя

Схема соединения обмоток трансформатора такова, что одинаковые по величине напряжения на выводах вторичных обмоток относительно общей (нулевой) точки сдвинуты по фазе на 180 градусов. На рисунке 9.а, представлен график входного напряжения.

В течение первой половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки положителен, а нижний конец вторичной обмотки отрицателен. Диоды VD1 и VD2 находятся в состоянии прямого подключения, а диоды VD3 и VD4 находятся в состоянии обратного подключения, поскольку средняя точка отрицательна относительно положительной стороны вторичной обмотки и положительна относительно отрицательной стороны вторичной обмотки. Ток IVD12 от верхней обмотки протекает через диоды VD1 и VD2, через сопротивление нагрузки к средней точке. Падение напряжения Ud на сопротивлении RН представляет собой положительную полуволну (см. рис. 9 б,с).

В течение второй половины цикла переменного тока верхний конец вторичной обмотки отрицателен, а нижний конец вторичной обмотки положителен. Диоды VD1 и VD2 находятся в состоянии обратного подключения, а диоды VD3 и VD4 находятся в состоянии прямого подключения. Ток IVD34 от нижней отмотки протекает через диоды VD3 и VD4, через сопротивление нагрузки к средней точке. Падение напряжения Ud на сопротивлении RН представляет собой положительную полуволну.

Поскольку ток протекает через сопротивление RН в одном и том же направлении в течение обеих половин цикла входного напряжения, через RН проходят две полуволны в течение каждого цикла.

Задача 2. Объясните принцип действия фотоэлектронного реле, изображенного на рис.1. Транзисторы работают в ключевом режиме. Когда горит лампа НL: при освещении фоторезистора ФС или нет? Поясните принцип действия схемы. Контакт К1 реле К- нормально разомкнутый.

Рисунок 10. Схема фотоэлектронного реле

Решение:

1. Работой транзистора в ключевом режиме управляет ток базы. Транзистор в ключевом режиме может находиться в двух состояниях:

а) Транзистор «ЗАКРЫТ» и находится в режиме отсечки, при этом для транзистора n-p-n типа напряжение между базой и эмиттером Uбэ < 0, а для транзистора p-n-p типа Uбэ < 0, тогда

Iэ=Iк+Iб; Iэ=0; Iк=0; Iб=0.



Напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ=UвыхЕк.

б) Транзистор «ОТКРЫТ» и находится в состоянии насыщения, при этом напряжение Uбэ > 0, т.е. положительно для транзистора n-p-n типа, для транзистора p-n-p типа напряжение должно быть Uбэ < 0, т.е. отрицательно.

2. ФС - фоторезистор, действие которого основано на явлении внутреннего фотоэффекта. Сопротивление неосвещенного фоторезистора велико, поэтому ток через фоторезистор мал.

При освещении фоторезистора его сопротивление уменьшается, ток через ФС увеличивается.

Фототок фоторезистора Iф является в данной схеме током Iб1 транзистора VT1.

3. Если фоторезистор не освещен, ток Iб практически равен нулю, транзистор VT1 находится в «закрытом» состоянии (режим отсечки).

На базу транзистора VT2 через последовательное соединение сопротивлений R1 и R2 поступает напряжение источника питания «+Eк» транзистор VT2, находится в состоянии насыщения «открыт», напряжение на эмиттере VT2 примерно равно «+Eк».

На базу транзистора VT3 поступает положительное напряжение с эмиттера транзистора VT2, транзистор находиться в состоянии насыщения «открыт», в результате катушка реле подключена через транзистор VT3 к источнику питания. Контакт реле К, замкнут, лампа горит.

4. При освещении фоторезистора ФС, увеличивается фототок, транзистор VT1 открывается и через открытый VT1 и резистор R2 база VT2 соединяется с «-Eк», к которому через сопротивление R3 подключен эмиттер VT2. Транзистор VT2 закрывается.

Так как транзистор VT2 закрыт (режим отсечки), то база транзистора VT3 через сопротивление R3 подключается к «-Eк», транзистор VT3 закрывается, катушка реле отключается от источника питания, контакт К1 возвращается в нормальное положение - разомкнут, лампа не горит.

Задача 3 Для транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером, используя входную и выходные характеристики, определите коэффициент усиления h21Э сопротивление нагрузок Rк и мощность на коллекторе Рк, если известно напряжение на базе Uбэ = 0,4 В, напряжение на коллекторе UКЭ = 20 В и напряжение источника питания Ек = 40 В. Характеристики приведены на рис 11 и 12.

Решение:

1. По входной характеристике (рис. 11) определяем при ток базы:

Рисунок 11. Входная характеристика транзистора

2. По выходным характеристикам (рис. 12) для и определяем ток коллектора в рабочей точке А.

3. По выходным характеристикам строим отрезок АВ. Точку В выбираем при напряжении , т.е. можно выбрать выше или ниже точки А, выбираем ниже точки А. Ток базы в точке В равен , ток коллектора в точке В равен .

Находим:



Рисунок 12. Выходные характеристики транзистора

3. Определяем коэффициент усиления:

при

4. Определяем мощность на коллекторе:

6. Определяем сопротивление в цепи коллектора из уравнения для коллекторной цепи усилительного каскада:



Ответ:

фотоэффект электромагнитный изучение трансформатор



Список литературы

1. Алехин В.А. Электротехника и электроника. Компьютерный лабораторный практикум в программной среде TINA-8: Учебное пособие для вузов. / В.А. Алехин. - М.: РиС, 2014. - 208 c.

2. Белов Н. В. Электротехника и основы электроники: Учебное пособие / Н. В. Белов, Ю. С. Волков. - СПб.: Лань, 2012. - 432 c.

3. Борисов Ю.М. Электротехника: Учебник / Ю.М. Борисов. - СПб.: БХВ, 2012. - 592 c.

4. Гальперин М.В. Электротехника и электроника: Учебник / М.В. Гальперин. - М.: Форум, НИЦ ИНФРА-М, 2013. - 480 c.

5. Данилов И.А. Общая электротехника: Учебное пособие для бакалавров / И.А. Данилов. - Люберцы: Юрайт, 2016. - 673 c.

Размещено на Allbest.ru

...