Фізика і астрономія. Рівень стандарту. 11 клас. Сиротюк

§ 43. Застосування фотоефекту

Відкриття фотоефекту мало дуже велике значення для глибшого розуміння природи світла. Проте цінність науки не тільки в тому, що вона з’ясовує складну та багатогранну будову довколишнього світу, а й у тому, що вона надає засоби, за допомогою яких можна вдосконалювати виробництво, поліпшувати умови матеріального й культурного життя суспільства.

За допомогою фотоефекту «заговорило» кіно: можна передавати рухомі зображення. Застосування фотоелектронних приладів дало змогу створити верстати, які без участі людини виготовляють деталі за кресленнями. Прилади, дія яких ґрунтується на фотоефекті, контролюють розміри виробів краще від людини, вчасно вмикають і вимикають маяки, вуличне освітлення тощо.

Усе це стало можливим завдяки винайденню дуже досконалих пристроїв — фотоелементів, у яких світлова енергія керує енергією електричного струму або перетворюється в неї.

Вакуумний фотоелемент — це скляна колба, частину внутрішньої поверхні якої вкрито тонким шаром металу з малою роботою виходу (мал. 3.15), це катод. Через прозоре «віконце» світло проникає в колбу. У центрі колби є дротяна петля або диск — анод. Він призначений для вловлювання фотоелектронів і приєднаний до позитивного полюса батареї.

Мал. 3.15

Фотоелементи здатні реагувати на видиме світло і навіть на інфрачервоне проміння. Якщо світло потрапляє на катод фотоелемента, то в колі виникає електричний струм, який вмикає або вимикає те чи інше реле. Комбінація фотоелемента і реле дає можливість конструювати багато різних автоматів, що здатні «бачити». Наприклад, автомат у метро спрацьовує (висуває перегородку), коли людина перетинає світловий пучок, не опустивши монети або жетона чи не приклавши проїзної картки.

Подібні автомати можуть запобігати аварії. На заводі фотоелемент майже вмить зупиняє потужний прес, якщо рука людини потрапить у небезпечну зону.

За допомогою фотоелементів відтворюють записаний на кіноплівці звук.

Крім розглянутого фотоефекту, який називають зовнішнім фотоефектом, різноманітне застосування має внутрішній фотоефект у напівпровідниках. Це явище використовують у фоторезисторах — приладах, опір яких залежить від освітленості. Крім того, є напівпровідникові фотоелементи, які створюють ЕРС і безпосередньо перетворюють світлову енергію в енергію електричного струму. ЕРС, яку в цьому випадку називають фотоЕРС, що виникає в ділянці p-n-переходу двох напівпровідників під час опромінення цієї ділянки світлом. Під впливом світла утворюються пари електрон—дірка. У ділянці p-n-переходу є електричне поле. Воно примушує неосновні носії напівпровідників переміщуватися через контакт. Дірки з напівпровідника n-типу переміщуються в напівпровідник p-типу, а електрони з напівпровідника p-типу — у ділянку p-типу, що створює накопичення основних носіїв у напівпровідниках n- і p-типів. Отже, потенціал напівпровідника p-типу збільшується, а n-типу зменшується. Це триває доти, доки струм неосновних носіїв через p-n-перехід зрівняється зі струмом основних носіїв через той самий перехід. У цей момент між напівпровідниками встановлюється різниця потенціалів, що дорівнює фотоЕРС.

Якщо коло замкнути зовнішнім навантаженням, то в колі проходитиме струм, який буде визначатися різницею струмів неосновних і основних носіїв через p-n-перехід (мал. 3.16). Сила струму залежить від інтенсивності падаючого світла й опору навантаження.

Мал. 3.16

Фотоелементи з p-n-переходом створюють ЕРС близько 1-2 В. Їхня вихідна потужність сягає сотень ват при коефіцієнті корисної дії до 20 %. Фотоелементи малої потужності використовують у фотоекспонометрах. Особливо широко їх застосовують при виготовленні сонячних батарей.

Сонячна батарея (панель) є фотоелектричним генератором, принцип роботи якого ґрунтується на фізичних властивостях напівпровідників.

Сьогодні існують три види сонячних батарей — тонкоплівкові, монокристалічні і полікристалічні сонячні панелі. Найпопулярнішими є монокристалічні сонячні батареї. Цей тип батарей складається з величезної кількості силіконових осередків, які перетворюють сонячні промені, що потрапляють на їхню поверхню, в електроенергію. Найоптимальнішою кількістю осередків у монокристалічних батареях вважається 36. Монокристалічні батареї досить легкі й компактні, здатні трохи згинатися. Завдяки цьому батареї не складно встановлювати на будь-яких нерівних поверхнях, щоб домогтися правильного кута нахилу.

Батареї з монокристалів (мал. 3.17) мають надійний і міцний склопластиковий корпус. Усередину такого корпуса не проникає волога, тому ці установки можна використовувати на кораблях далекого плавання. У цих батарей відсутні рухомі елементи, що робить їх більш надійними і довговічними. Монокристалічні сонячні батареї застосовують для зарядки акумуляторів, електроживлення для садових насосів, забезпечення живлення бортового обладнання кораблів, освітлення садових і присадибних ділянок, живлення сигналізації і засобів зв’язку тощо. У таких сонячних батареях максимальна потужність досягається, якщо небо буде ясним, температура повітря +25 °С і панелі будуть спрямовані прямо на Сонце. Значно знизити потужність установки може навіть невелика хмарність (близько 70 %), а в разі сильної хмарності робота сонячної батареї майже блокована (потужність знижується на 90 %). Щоб отримати оптимальну потужність, діапазон температур повітря має коливатися в межах +15-25 °С. Для наших широт зміна сонячної енергії безпосередньо залежить від сезону. Аби не змінювати постійно напрямок панелей, рекомендується встановити їх у напрямку до екватора, відхилення має дорівнювати широті місцевості.

Мал. 3.17

Тонкоплівкові сонячні батареї (мал. 3.18) — найдешевший варіант з усіх видів батарей. Їх можна встановлювати в будь-якому місці: на стіні будівлі, даху або земельній ділянці. На відміну від монокристалічних батарей, тонкоплівковим батареям не потрібні прямі сонячні промені. За потужністю вони також зручніші, тому що навіть за похмурої погоди вони втрачають потужність лише на 10-15 %. Єдиний мінус цих сонячних батарей — займана площа (практично в 2,5 раза більша, ніж в інших). Застосовуються вони в основному для більш великих систем електропостачання, рідко для побутових потреб.

Мал. 3.18

Полікристалічні сонячні батареї (мал. 3.19) — також альтернативний варіант монокристалічних батарей. У них використано полікристалічний кремній, що має яскраво синій колір. Ці батареї застосовують для освітлення дворів, парків, вулиць, шосе, лікарень, кафе, шкіл, приватних будинків, засобів зв’язку, а також для енергопостачання газопроводів і нафтопроводів, зарядки акумуляторів.

Мал. 3.19

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Де застосовується явище фотоефекту?
  • 2. Що таке фотоелемент? Яке його призначення?
  • 3. Які види сонячних батарей ви знаєте? Як вони працюють?

Розробіть власний проект сучасного будинку, який забезпечується електроенергією за допомогою сонячних батарей, та презентуйте його класу.

РОЗВ’ЯЗУЄМО РАЗОМ

Для вольфраму червона межа фотоефекту 2,75 · 10-5 см. Визначте роботу виходу електронів з вольфраму і швидкість вирваних фотоелектронів світлом, довжина хвилі якого 1,8 · 105 см.

Розв’язання

Рівняння Ейнштейна для червоної межі фотоефекту можна записати так:

hv0= A.