Урок физики по теме "Применение фотоэффекта в технике"
Тип : изучение нового материала.
Форма: деловая игра, дифференцированная работа в группах.
Цель: выделить основные направления применения фотоэффекта в современной технике.
Примерное оборудование:
фотореле;
фоторезисторы типа ФСК-1 и селеновые фотоэлементы из наборов (завод
“Электродело”);
гальванометры демонстрационные;
микроамперметры;
солнечная батарея;
лампы электрические на подставке напряжением 5В и 220В;
выпрямители лабораторные напряжением 4В;
выпрямитель универсальный ВУП;
таблица учебная “Фотоэффект” (автор В.А. Касьянов) – Спектр – Комплексный проект
средств обучения. 2012. Таблицы по физике. 11 класс;
термисторы и фоторезисторы. Фотоэлемент;
звонок электрический, рассчитанный на напряжение 220В.
Ход урока
1.
О.м.
2.
Проблемная ситуация
На демонстрационном столе фотореле, подключённое к электрическому звонку. В
затемнённом кабинете выключен свет. Учитель просит учащихся представить, как ночь в
кабинет забрался жулик. И чтобы осмотреться в темноте он включил фонарик (зажёг
спичку). Это проделывается в тёмном классе, фотореле срабатывает, все слышат
звуковой сигнал от электрического звонка, учитель кратко поясняет роль фотоэффекта
в сигнализационных устройствах, определяет тему, цель и задачи урока.
Схема для опыта с фотореле “Электронный сторож”
3.
Повторить фронтально по опорному конспекту объяснение фотоэффекта
4.
Сообщение темы урока и формы проведения
Учащимся раздаются таблицы, которые они должны заполнить в ходе урока.
Применение фотоэффекта
Тип
фотоэлемента
Устройство
Условное
обозначение
на схемах
Преимущества/Недостатк
и
Область
использования
Вакуумный
фотоэлемент
В основе
принципа
действия
лежит
___________
фотоэффект
К-
А-
1 –
2 -
Фоторезистор
В основе
принципа
действия
лежит
___________
фотоэффект
1
2
3
1-
2-
3-
1
2
Вентильный
фотоэлемент
В основе
принципа
действия
лежит
___________
фотоэффект
1-
2-
3-
Учащиеся разбиваются на группы по изучению каждого типа фотоэлемента.
Группа 1 (Вакуумный фотоэлемент)
Вакуумный фотоэлемент
Рисунок 1. 1 - анод; 2 - микроамперметр; 3 - фотокатод; 4 - фотоэлемент.
Рис.15 Фотоэлемент с внешним
фотоэффектом
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.15-а. 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. В нижней части цоколя находятся контактные штырьки 5, к которым подводятся
соединительные провода от фотокатода и анода. При помощи этих штырьков фотоэлемент
вставляется в фотоэлементную панель.
Для работы фотоэлемента к его аноду и катоду подключают источник электрической энергии —
батарею. Анод соединяется с положительным зажимом, а фотокатод — с отрицательным зажимом
источника электрической энергии. Под действием подведенного к электродам фотоэлемента
напряжения внутри него образуется электрическое поле, и электроны, вылетающие с поверхности
освещенного фотокатода, направляются на положительно заряженный анод. Эти электроны создают в
цепи отношением величины фототока (в мка или зла), получаемого в цепи анода электрический ток.
Для увеличения чувствительности фотоэлементов внутрь колбы иногда вводят небольшое количество
газа, чаще всего аргона. Такие фотоэлементы называются газонаполненными. Величина
чувствительности фотоэлемента различных типов колеблется от 20 до 150 мка/лм.
Для практического использования фотоэлементов важное значение имеет его вольт-амперная
характеристика (рис.15-б). Она выражает зависимость фототока от величины приложенного
напряжения к зажимам фотоэлемента при неизменной величине светового потока, освещающего
фотокатод.
Внутреннее сопротивление вакуумных фотоэлементов исчисляется сотнями Мега Ом, а
газонаполненных — несколькими десятками Мега Ом.
Фотоэлементы работают только в цепях постоянного тока. Для питания
фотоэлемента необходим источник тока постоянного напряжения, величина которого
указывается в справочнике. На практике в большинстве случаев в цепь фотоэлемента
включается нагрузочное сопротивление. В зависимости от протекающего в цепи фотоэлемента
тока (зависящего от интенсивности светового потока) на нагрузочном сопротивлении падает
напряжение. Это напряжение подается во внешнюю цепь для дальнейшего усиления.
Свойства, параметры и характеристики фотоэлементов зависят от свойств
применяемого катода. В современных фотоэлементах применяются в основном два типа
катодов - кислородно-цезисвый и сурьмяно-цезиевый.Фотоэлементы выпускаются двух типов
— вакуумные и газонаполненные. В вакуумных фотоэлементах ток образуется только
фотоэлектронами, а в газонаполненных фотоэлектронный ток еще и усиливается за счет
ионизации газа, производимой фототоком. Газонаполненные фотоэлементы обладают
большей чувствительностью, чем вакуумные, но менее стабильны в работе и обладают
некоторой инерционностью.
Основным параметром фотоэлемента является его чувствительность, определяемая
отношением величины фототока к величине светового потока, вызвавшего его.
Чувствительность измеряется в мка/лм. Фотоэлемент реагирует на интенсивность светового
потока и его частоту, поэтому чувствительность его разделяется на интегральную (по
интенсивности) и спектральную (по частоте). Интегральная чувствительность характеризует
способность фотоэлемента реагировать на воздействие всего светового потока, содержащего
световые колебания различных частот от ультрафиолетовых до инфракрасных. Спектральная
чувствительность фотоэлемента характеризует его способность реагировать на световые
колебания одной частоты.
Незначительные сотрясения фотоэлемента приводят к возникновению микрофонного
эффекта, поэтому во всех схемах и в особенности при большом усилении фотоэлементы
необходимо амортизировать.
В процессе эксплуатации фотоэлементов наблюдается явление утомляемости,
выражающееся в том, что в фотоэлементах, обладающих относительно большой
чувствительностью при малых и очень больших световых потоках, чувствительность быстро
уменьшается во времени, доходя до 25% первоначальной величины. Для устранения:
утомляемости фотоэлемент необходимо поместить в темноту на некоторое время, в течение
которого чувствительность восстанавливается почти до 100%.
Применение вакуумного фотоэлемента
Фотоэлектронные умножители
Фотоэлектронный умножитель представляет
собой вакуумный фотоэлемент. Фотоэлектронный
умножитель (рис.12) обычно выполняется в виде
цилиндрического стеклянного баллона, внутренняя
полость которого вакуум и в ней расположены:
фотокатод , несколько (10—14) ковшеобразных
электродов, называемых динодами или эмиттерами.
При освещении фотокатода
вылетающие с его поверхности первичные электроны
под действием электрического поля, создаваемого
между анодом и фотокатодом, с большой скоростью устремляются к положительно зараженному
аноду. Поток первичных электронов с этого катода попадает на катод К
2
(первый каскад усиления),
излучающий увеличенный поток вторичных электронов. Этот поток электронов последовательно
усиливается на каскадах с катодами К
3
и К
4
и падает на анод фотоумножителя, который соединен с
электрической цепью, питаемой через фотоумножитель.
Применение фотоумножителей позволяет усилить ток в десятки миллионов раз. Однако при этом
требуется высокое напряжение (1000 — 2000 в), так как разность потенциалов между каждой парой
соседних эмиттеров должна составлять 100 — 200 в.
В работе фотоэлектронного умножителя используют фотоэлектронную и вторичную электронную
эмиссию.
Фотоэлектронная эмиссия – это вырывание электронов из металла под действием света,
вторичная электронная эмиссия – это выбивание электронов из металла по действием бомбардировки
электронами.
Применеие
•
Спектрометрия — сцинтилляционные счётчики
•
Ядерная физика — в установках для изучения кратковременных процессов (временные ФЭУ)
•
Оптика, телевидение, лазерная техника
•
Физика элементарных частиц - для регистрации нейтрино
Электронно-оптический преобразователь
Простейший ЭОП представляет из себя короткую стеклянную трубку. На одном ее торце напылен
фотокатод из вещества с малой работой выхода, т.е. легко ионизирующимся под действием света.
На другом торце напылен люминофор, т.е. вещество, светящееся под ударами электронов.
Специальная система электродов обеспечивает ускорение (т.е. увеличение энергии) электронов на
пути от фотокатода к люминофору. Для нормальной работы на эти электроды подаются
определенные напряжения,
вырабатываемые источником питания
ЭОП.
ЭОП широко используется в
современных приборах ночного
видения (ПНВ).
Автоматизированное
управление производственными процессами (Фотореле)
Фотоэлементы широко используются в фотореле. Обычно фотореле представляет собой сочетание
фотоэлемента, усилителя и
электромагнитного реле (рис. 230).
Такие фотореле действуют
по принципу светового барьера.
Видимый или невидимый
(например инфракрасный) луч
света направляется
соответствующим источником
через окно фотоэлемента на его фотокатод. Луч света образует световой барьер. Если световой барьер
пересекается каким-либо телом, не пропускающим свет, то фототок в цепи фотоэлемента
прекращается, меняется величина напряжения подаваемая на вход усилителя, а следовательно
меняется ток, текущий через электромагнит(реле), и последний срабатывает.
Фотореле, действующие по принципу светового барьера, применяются: в технике
пожарной безопасности; для предохранения от травматизма при работе на штампах, прессах,
автоматических молотах и др. машинах небезопасных в смысле травматизма; для невидимой
охраны сейфов, помещений, участков территорий от воров и злоумышленников; для простого
счета массовой продукции, движущейся на контейнере; сброса брака с конвейера; контроля
качества продукции. Контроля уровня различных жидких и сыпучих тел, заполняющих баки,
цистерны, с автоматическим прекращении подачи вещества при заполнении им
контролируемого уровня, при контроле обрыва нити в текстильном производстве; при
контроле качества бумаги, идущей для печати, в полиграфическом производстве; при
контроле чистоты посуды в химическом и фармакологическом производствах; при контроле
качества белизны и блескости продукции; при доводке изготовляемой детали до контрольного
диаметра, при обточке на токарных станках и шлифовке; при поддержании заданных значений
температур и т.д.
Группа 2 (Фоторезистор)
Фоторезистор
Схема устройства фотоэлементов с внутренним фотоэффектом, носящих название
фотосопротивлений (ФС), или фоторезисторов, приведена на рис. 227, а.
Фотосопротивление представляет собой стеклянную пластинку, покрытую тонким слоем
полупроводникового материала (сернистого свинца, сернистого висмута, сернистого кадмия), на
котором расположены токопроводящие электроды.
Сущность внутреннего фотоэффекта сводится к следующему. Известно, что электропроводимость
связана с количеством носителей заряда, который имеет тот или иной материал. В полупроводниках
количество носителей электрических зарядов может увеличиваться вследствие поглощения энергии
извне, в частности под воздействием световой энергии.
Увеличение количества носителей электрических зарядов в материале повышает его способность
проводить электрический ток. В результате этого уменьшается электрическое сопротивление
освещаемого материала.
Отличительная особенность фотосопротивлений от фотоэлементов с внешним фотоэффектом
заключается в том, что при внешнем фотоэффекте электроны покидают пределы освещенного
материала, а при внутреннем фотоэффекте они остаются внутри материала, увеличивая тем самым
количество носителей электрических зарядов.
Изменение проводимости в полупроводниках под воздействием света может быть очень большим. В
некоторых материалах при переходе от темноты к интенсивному освещению сопротивление
уменьшается в десятки раз и соответственно изменяется величина тока в цепи фотосопротивлений
(рис. 227, б).
Величина изменения сопротивления, вызванная воздействием светового потока на
фотосопротивление,
Δr = rт - rc, (167)
где Δr — изменение сопротивления ФС, ом;
rт — сопротивление ФС в темноте, ом;
rc — сопротивление ФС при его освещении, ом.
Число, показывающее, во сколько раз rт больше rc, называется кратностью изменения сопротивления
ФС.
Оно может иметь значение от 1,0 до 500. Чувствительность их оценивается в мка при напряжении 1 в и
составляет 500 — 3000мка/лм • в, следовательно, превышает чувствительность фотоэлементов с
внешним фотоэффектом. Поэтому в ряде устройств в настоящее время фотосопротивлениями
заменены фотоэлементы с внешним фотоэффектом.
Недостатком фотосопротивлений является то, что при их освещении фототок не сразу достигает своего
конечного значения, а лишь через некоторое время (инерционность фотоэлемента), то же относится к
нелинейной зависимости фототока от силы света, т. е, фототок возрастает медленнее, чем сила света,
освещающая фотоэлемент. Кроме, того, фототок зависит от температуры среды (1 — 3% на 10° С).
Последнее обстоятельство затрудняет применение фотосопротивлений при больших изменениях
температуры внешней среды.
Применение фоторезисторов
Автоматизированное управление производством (Фотореле)
Фотоэлементы широко используются в фотореле.
Обычно фотореле представляет собой сочетание
фотоэлемента и электромагнитного реле (рис. 230).
Когда фотосопротивление затемнено, сила тока в его
цепи очень мала вследствие того, что в темноте
фотосопротивление обладает большим
сопротивлением (107 — 108 ом).
Благодаря разомкнутым контактам электромагнитного
реле через управляемый объект ток также не протекает
— он выключен.
При освещении фотосопротивления его электрическое
сопротивление резко уменьшается, через выпрямитель, обмотку электромагнитного реле и
фотосопротивление проходит электрический ток. Якорь реле притягивается к сердечнику и замыкает
через свои контакты цепь управляющего объекта — включается объект. Поскольку контакты
электромагнитного реле телефонного типа не рассчитаны на большую мощность, то при
необходимости управления значительной мощностью контакты этого реле, замыкаясь, включают
вторичное реле, пружины которого рассчитаны на большую нагрузку — большую силу тока.
Сигнализация
Автоматическая остановка
печати при обрыве ленты
На рис. 232 приведена схема фотоэлектрического автомата, который автоматически
останавливает ротационную (печатную) машину при обрыве бумаги. Работой автомата
управляют три фотосопротивления. В схему автомата включены: первичное электромагнитное
реле P1 вторичное реле P2 типа МКУ-48 с контактами, допускающими нагрузку до 1000 ва, и
три осветительные лампы.
При обрыве бумаги свет попадает на одно или несколько
фотосопротивлений. При этом через первичное реле P1
проходит достаточной силы ток и его контакты замыкаются. В
результате срабатывает вторичное реле P2 которое размыкает
цепь двигателя машины. Машина автоматически останавливает
Группа 3. (Вентильный фотоэлемент)
Вентильный фотоэлемент
Устройство одного из фотоэлементов с фотоэффектом в запирающем слое, носящих название
вентильных фотоэлементов, показано на рис. 228. На стальное основание нанесен слой селена, на
котором помещается тончайшая (тысячные доли микрона) полупрозрачная пленка из золота. Между
полупроводником и металлом при обработке фотоэлемента образуется электронно-дырочный р — n-
переход.
Корпус фотоэлемента, изготовленный из изоляционного материала, имеет два зажима.
Когда на светочувствительную поверхность фотоэлемента падают лучи света, они проникая
сквозь полупрозрачную пленку металла в полупроводник — селен, освобождают в нем
электроны последние проникают через р — n-переход в металлическую пленку и заряжают ее
отрицательным зарядом. При этом опорный электрод вследствие ухода электронов заряжается
положительно. Под действием возникшей разности потенциалов в цепи элемента возникает
фототок.
Селеновые фотоэлементы обладают высокой чувствительностью (до 500 — 600 мка/лм).
Кроме селена, для изготовления вентильных фотоэлементов применяют сернистый таллий,
закись меди, сернистое серебро, германий и кремний. Важным отличием таких фотоэлементов
является возможность получения значительного фототока при освещении их поверхности без
включения в цепь источника электрической энергии.
Рисунок 4. 1- металл, 2 – окись металла, 3 – золотое напыление
Практически важным примером использования фотопроводимости являются вентильные
фотоэлементы с запирающим слоем. Вентильный фотоэлемент представляет собой две
соприкасающиеся друг с другом пластинки изготовленные из металла и его оксида
(полупроводник). На полупроводниковую пластинку нанесён тонкий прозрачный слой металла.
Пограничный слой между металлом и его оксидной плёнкой обладает выпрямляющим
свойством (p-n переход), он позволяет электронам проходить лишь в направлении от оксида к
металлу, например от оксида меди к меди. Под действие света возникает поток электронов,
идущий только от полупроводника к металлу. Никакого внешнего источника напряжения для
управления потоком электронов при этом не требуется. Вентильный фотоэлемент является
устройством, которое превращает энергию световой волны в энергию электрического тока.
Такие источники тока используют в солнечных батареях, устанавливаемых на всех космических
кораблях. Они также являются частью люксметров- приборов для измерения освещённости.
Применение вентильных фотоэлементов
Солнечные батареи это солнечные элементы-устройства, непосредственно преобразующие энергию
световых волн в электрический ток. Если р-n переход полупроводникового диода осветить, то на выводах
диода появится небольшая разность потенциалов. Она вызвана вентильным фотоэффектом. Энергия
фотонов, сообщаемая электронам полупроводника, помогает им преодолеть потенциальный барьер,
существующий в области р-n перехода, в результате чего и возникает разность потенциалов.
Инженерам удалось сделать р-n переход достаточно большой площади, чтобы можно было собирать
больше световой энергии. Один солнечный элемент с размерами 1 х 3 см развивает ЭДС до 0,5 В.
Элементы соединяют в батареи площадью до нескольких квадратных метров. Подобная батарея может
генерировать уже несколько киловатт электроэнергии, ведь КПД солнечных элементов очень высок и
достигает 70...90%. Солнечные батареи пока еще очень дороги, и поэтому их широко используют лишь
для питания электронной аппаратуры искусственных спутников Земли, тем более, что погода вне
атмосферы Земли всегда солнечная. <Рисунок6>
Немало технических новинок с солнечными батареями создано и для земных условий. Сделаны
радиоприемники и портативные радиостанции с солнечным питанием. Если первые служат в основном
для развлечения, то вторые могут оказаться незаменимыми для геологов, туристов. Выпускаются
микрокалькуляторы с питанием от солнечных элементов, причем для работы их даже не обязательно
выносить на солнце, вполне достаточно света настольной лампы. Предпринимаются попытки создать и
более мощные конструкции – электромобили, яхты с электропитанием от солнечных батарей, однако
для успешной работы таких систем нужна ясная солнечная погода. <Рисунок7>
Рисунок 6 Солнечные батареи на космическом корабле
Рисунок 7 Электромобиль
Подведение итогов урока — 2 мин.
Задание на дом § 88, упр. 12(3, 4).
