Как работают фотоэлементы?

Вы когда-нибудь были в одном из тех туалетов, где краны включаются автоматически, когда вы проводите под ними рукой? Или проходили
через электрическую дверь, которая открылась как раз при вашем приближении? Может быть,
ваш дом оснащен невидимыми лучами «волшебного глаза», которые «сбивают
с толку» злоумышленников, подавая сигнал тревоги? Или, может быть, у вас есть калькулятор
, который вырабатывает энергию с помощью небольшой встроенной солнечной панели? Все
эти вещи являются примерами фотоэлементов (иногда
называемых фотоэлементами) — электронных устройств, которые вырабатывают электричество, когда
на них падает свет. Что это такое и как они работают? Давайте рассмотрим их
поближе!

Фото: Фотоэлектрические элементы в этих солнечных панелях — это всего лишь один из трех распространенных типов фотоэлементов. Фотография солнечного сада Вернера Слокума предоставлена
​​NREL (Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии Министерства энергетики США).

Что такое фотоэлектричество?

Фото: Миниатюрная солнечная панель на этом карманном калькуляторе использует тип
фотоэлектрического элемента, известного как фотогальванический: когда на него падает свет, он вырабатывает достаточно напряжения для питания дисплея и электроники внутри.

«Фото» означает свет, поэтому фотоэлектричество просто означает электричество, произведенное световым лучом.
[1]
Эта идея не кажется необычной в 21
веке, когда большинство людей слышали о солнечных батареях (кусках
материала, например, кремния, которые генерируют электрический ток, когда
на них падает солнечный свет). Но представьте, каким удивительным должен был казаться фотоэлектрический
эффект чуть более века назад, в 1887 году,
когда его впервые открыл немецкий физик Генрих Герц
(1857–1894), один из пионеров радио. Он оставался чем-то вроде
загадки в течение почти 20 лет, пока Альберт Эйнштейн не вмешался с
почти полным объяснением этого явления в 1905 году.

Что такое фотоэлектрический эффект?

Фото: Альберт Эйнштейн получил Нобелевскую премию не за теорию относительности — его самый известный
вклад в физику, — а за более раннюю работу по фотоэлектрическому эффекту. Фото предоставлено
Библиотекой Конгресса США.

Как свет может волшебным образом превратиться в электричество? Это не так
странно, как кажется. Мы знаем, например, что свет — это разновидность
электромагнитной энергии: он распространяется таким же образом (и с такой же
скоростью), как рентгеновские лучи,
микроволны,
радиоволны и другие виды
электромагнетизма. Мы также знаем, что энергия может легко
преобразовываться из одного вида в другой: потенциальная энергия может быть
превращена в кинетическую, а любая из них может быть преобразована в тепло или
звук. Так что идея о том, что свет может быть превращен в электричество, не
так уж и удивительна.

Тем не менее, когда фотоэлектричество было впервые объяснено в 1905 году, это ознаменовало
начало научной революции. Человек, который дал это
объяснение, Альберт Эйнштейн (1879–1955), показал, что луч света, падающий на
что-то вроде куска металла, можно рассматривать как последовательность
энергичных частиц, называемых фотонами . Фотоны передавали свою
энергию в фиксированных количествах атомам внутри металла, выбивая
из них часть их электронов, тем самым создавая электрический ток.

Иллюстрация: Фотоэлектрический эффект: Когда фотоны света (слева) попадают на лист металла, они передают свою энергию электронам (оранжевым) в металле, выбивая некоторые из них, чтобы произвести электрический ток. Вы могли бы 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 имеют больше энергии, чем фотоны более низкочастотного красного света, поэтому они с большей вероятностью выбьют электроны (и высвободят их с большей энергией). Фотонам нужна минимальная пороговая частота (минимальное количество энергии), чтобы освободить электроны и произвести фотоэлектрический эффект, известный как работа выхода . В показанном здесь примере фиолетовые фотоны имеют достаточно энергии, чтобы выбить электроны, но красные фотоны — нет.

Как показал Эйнштейн математически, энергия входящих фотонов была точно
связана с частотой или длиной волны сияющего света и равна
энергии испускаемых ими электронов. Объяснение Эйнштейном
фотоэлектрического эффекта было мощным доказательством того, что энергия может
существовать только в фиксированных количествах, называемых квантами . (Другими словами, вы можете получить энергию в
пакетах размером с семью, но вы не можете разделить пакеты на более мелкие!)
Это стало центральным
элементом квантовой теории : сложным математическим
объяснением таинственного мира атомов и частиц,
скрывающихся внутри них. И именно за эту работу по фотоэлектричеству Эйнштейн получил
Нобелевскую премию по физике 1921 года.

Три типа фотоэлектричества

Фотоэлектричество — это преобразование световой энергии в электрическую, и это
происходит тремя разными (хотя, на первый взгляд, довольно похожими)
способами. Они известны как фотопроводящий, фотоэмиссионный и
фотогальванический эффекты — и мы рассмотрим каждый из них по очереди.

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

Фотопроводящий

На фото: типичный светочувствительный резистор (LDR).

Это самый простой из трех эффектов для понимания. Когда я был
подростком, я помню, как недолго играл с электронным
компонентом, который назывался светозависимым резистором (LDR) . Он был похож на
маленькую кнопку с двумя клеммами, выходящими сзади, и вы могли
припаять его к схеме, как и любой другой
резистор. Поверхность
«кнопки» имела линзу сверху
(для концентрации входящего света), а под линзой находился
кусок светочувствительного материала, сделанного из чего-то вроде
сульфида кальция, со змеевидным рисунком электрических соединений, проходящих по
нему. В темноте или при нормальном освещении LDR имел довольно высокое сопротивление,
но если вы направляли свет прямо на него, сопротивление уменьшалось
довольно резко: LDR преобразовывал входящий свет в
электрическую энергию и добавлял ее к уже проходящему току
. Это пример фотопроводящего эффекта, когда
свет уменьшает сопротивление материала (или увеличивает его
проводимость, если хотите), делая электроны внутри него более
подвижными.

Фотоэлектрический

На фото: Установленная на крыше солнечная панель, изготовленная из фотоэлектрических элементов.

Небольшие солнечные панели на таких вещах, как калькуляторы и
цифровые часы,
иногда называют фотоэлектрическими элементами. Они немного похожи на
диоды, сделанные из двух слоев полупроводникового материала, расположенных
друг над другом. Верхний слой богат электронами, нижний слой —
беден электронами. Когда вы освещаете верхний слой, электроны перескакивают
с нижнего слоя на верхний, создавая напряжение, которое может управлять
током через внешнюю цепь, тем самым обеспечивая то, что мы считаем
солнечной энергией. Узнайте больше о фотоэлектричестве в нашей основной статье о
солнечных элементах.

Фотоэмиссионный

Фото: простой фотоэлемент.

Фотоэмиссионные ячейки являются старейшим и наиболее сложным способом превращения света в
электричество. Они представляют собой герметичные стеклянные вакуумные трубки (из которых
полностью удален воздух), внутри которых находится большая металлическая
пластина, которая служит отрицательным выводом (или катодом) с меньшим,
положительно заряженным, стержневым выводом (или анодом), проходящим внутри нее.
Отрицательный вывод сделан из светочувствительного материала. Когда
на него падают фотоны света, они заставляют электроны выпрыгивать из него, и
они быстро притягиваются к положительному выводу, который собирает
их и направляет в цепь, вырабатывая электрическую энергию. Эта
базовая конструкция называется фотоэмиссионной ячейкой или фототрубкой .
В немного другой конструкции, называемой фотоумножителем ,
есть целый ряд пластин, расположенных таким образом, что один
входящий фотон высвобождает несколько электронов, эффективно усиливая
входящий световой сигнал, чтобы он производил больший электрический отклик.

Иллюстрация: Краткое описание трех типов фотоэлектрических элементов.

1) Фотопроводящие — свет увеличивает поток электронов и уменьшает сопротивление.

2) Фотогальванические — свет заставляет электроны перемещаться между слоями, создавая напряжение и ток во внешней цепи.

3) Фотоэмиссионные — свет выбивает электроны с катода на анод, создавая ток во внешней цепи.

Для чего используются фотоэлементы?

На фото: Фотоэлектрический охранный светильник, установленный снаружи здания, где я живу: когда фотоэлектрический датчик (внизу) обнаруживает движение, светильник (вверху) автоматически включается на несколько минут.

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

Производители электроэнергии

Подобно миниатюрным электростанциям,
фотоэлектрические элементы предназначены для производства
постоянных поставок полезной электроэнергии. От небольших солнечных элементов на
электронных калькуляторах до полностью фотоэлектрических крыш, их работа
по сути заключается в производстве постоянного запаса электроэнергии, которую мы можем
использовать для питания электроприборов или хранить в батареях для дальнейшего использования.

Фото: Как отличить самцов от самок? Куколки дынной мухи
либо коричневые (если это самец), либо белые (если это самка). Их можно отделить, опустив их в фотоэлектрический
сортировщик, который освещает каждую куколку светом, определяет, сколько света отражается обратно, с помощью фотоэлемента, а затем просеивает
куколку в одну или другую коробку в зависимости от ее цвета. Этот же аппарат можно использовать для сортировки семян.
Фото Стивена Осмуса предоставлено Службой сельскохозяйственных исследований Министерства сельского хозяйства США.

Детекторы света

Фотопроводящие элементы, такие как светозависимые резисторы, с большей вероятностью будут использоваться в качестве
детекторов света в таких вещах, как автоматические краны в туалетах, охранная
сигнализация, автоматически открывающиеся двери, дымовые извещатели,
детекторы угарного газа и т. д. Обычно они имеют луч
инфракрасного света, постоянно светящий на светозависимый резистор и
создающий постоянный электрический ток. Когда вы двигаетесь перед детектором
, вы прерываете луч и останавливаете свет, достигающий резистора, поэтому его сопротивление
изменяется, и он внезапно производит гораздо меньше тока. Электронная схема обнаруживает
изменение тока и запускает любое действие,
для которого предназначена схема — включение крана, открытие двери, включение
сигнала тревоги или что-то еще. Старомодная компьютерная мышь (с резиновым шариком внутри)
использует аналогичный принцип, чтобы выяснить, как ваша рука движется по вашему столу
(вы можете увидеть фотографию механизма крупным планом в моей статье о мышах).

Фотопроводящие элементы также используются
в качестве детекторов света в камерах и для чтения и декодирования
звуковых дорожек на старых кинопленках. Датчик изображения CCD или CMOS, который делает
снимок на вашей цифровой камере или смартфоне, является более сложной версией той же идеи. В оружии некоторые конструкции бесконтактных взрывателей используют фотоэлементы для определения того,
когда ракеты достигли цели. Ракета испускает свет (или радиоволны), а бортовой
фотоэлемент (или радиоприемник) «слушает» отражения. Когда отраженные волны внезапно усиливаются, ракета
предполагает, что она находится рядом с целью, и взрывается.

Фото: Типичный фотоэлектрический взрыватель времен Второй мировой войны: T-4, выпущенный
в 1941 году. Он взорвался, когда бортовой фотоэлемент обнаружил внезапное изменение интенсивности света.
Фото предоставлено Национальным институтом стандартов и технологий, цифровые коллекции», Гейтерсберг, Мэриленд 20899.

Усилители света

Фотоэлементы изначально использовались также в качестве детекторов света, но они относительно
громоздки, сложны и дороги;
вместо них в качестве детекторов света теперь чаще используются более мелкие и дешевые электронные компоненты, такие как LDR.
Фотоумножители по-прежнему используются в научных приложениях, таких как
обнаружение излучения различных видов, и в гаджетах, таких как
очки ночного видения, где они усиливают тусклый свет ночной
сцены, чтобы ее можно было увидеть более четко.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

Узнать больше

На этом сайте

• Электричество и электроника
• Магнетизм
• Очки ночного видения
• Дымовые извещатели
• Солнечные батареи
• Веб-камеры (включая датчики изображения CCD и CMOS)

Деятельность

• Демонстрация фотоэлектрического эффекта Вальтером Фендтом. Немного более сложное объяснение фотоэлектрического эффекта с использованием онлайн-анимации.

Статьи

• Свет — это волна или частица? Ретт Аллейн. Wired, 11 июля 2013 г. Занимательный новый взгляд на старый вопрос. Действительно ли нам нужно использовать концепцию «фотонов» для объяснения фотоэлектрического эффекта?
• Почему Эйнштейн так и не получил Нобелевскую премию за теорию относительности Стюарт Кларк, The Guardian, 8 октября 2012 г. Темная политика, которая помешала Эйнштейну получить Нобелевскую премию за его самую известную работу.
• Альберт Эйнштейн: Образ и влияние: краткий, но довольно подробный экскурс по ключевым моментам жизни Эйнштейна от Американского института физики, включая взгляд на учение Эйнштейна о фотоэлектрическом эффекте, написанный Дэвидом Кэссиди.
• В фокусе: Centennial Focus: Millikan’s Measurement of Planck’s Constant Джеральда Холтона. Phys. Rev. Focus 3, 23, 22 апреля 1999 г. Как Роберт Милликен экспериментально проверил фотоэлектрическую теорию Эйнштейна.

Книги

• «Великие эксперименты в физике» Мориса Шамоса. Дувр, 1987. «Глава 17: Фотоэлектрический эффект» содержит оригинальную статью Эйнштейна с некоторыми пояснениями.
• Основы квантовой физики: понимание фотоэлектрического эффекта и линейчатых спектров Эдварда Уиллетта. Розен, 2005. Краткое (48 страниц) введение в то, как концепция световых пакетов привела к квантовой теории. Подходит для подростков старшего возраста и старше.
• Фотоэлектрические датчики и элементы управления Скотта Джадса. М. Тейлор и Фрэнсис, 1988. Подробный справочник по датчикам и системам управления, представляющим интерес для разработчиков электронных схем и любителей.
• «Эйнштейн: его жизнь и вселенная»
  Уолтера Айзексона. Simon and Schuster, 2008. Простое, легко читаемое введение, которое легко доступно читателям без особого научного образования.

Рекомендации

1. ↑ Интересно, что Оксфордский словарь английского языка датирует первое использование слова «photoelectric» 1861 годом, задолго до решающего вмешательства Эйнштейна.
   Первоначально оно означало использование электрического света вместо естественного или газового света, а не использование
   света для производства электричества (более новое использование слова OED датируется 1877 годом).