§ 185. Применение фотоэлектрических явлений

Изучение законов фотоэффекта дало очень много для углубления наших знаний о свете. Поэтому фотоэлектрические явления имеют очень большое научное значение. В то же время и практическое (техническое) значение фотоэффекта очень велико. Особенно возросли возможности разнообразных применений фотоэффекта после того, как научились изготовлять фотоэлементы, чувствительные не только к ультрафиолетовому излучению, как это было описано в § 184, но и к инфракрасному излучению и к видимому свету.

Соотношение  показывает, что при уменьшении , т. е. увеличении длины волны падающего света, скорость вырываемых электронов уменьшается. Когда , то . Это значит, что при соответствующей частоте электроны не могут отделиться от металла, т. е. фотоэффект не имеет места.

Таким образом, для каждого металла существует предельная длина волны света, способного вызвать фотоэффект. Если падающий свет имеет длину волны больше предельной, то фотоэффект не возникает, как бы ни был интенсивен свет. Поэтому, например, для наблюдения фотоэффекта на цинке необходимо было прибегать к ультрафиолетовому излучению, ибо работа выхода для цинка довольно велика . При работе с другими веществами можно увеличить , ибо работа выхода для них меньше; удобны щелочные металлы (натрий, калий, рубидий и особенно цезий: ). Еще значительнее понижается работа выхода, если обработать поверхность этих металлов, покрыв их соответствующей пленкой. Благодаря этому удалось получить поверхности, чувствительные не только к видимому, но даже к инфракрасному свету.

Фотоэлементы, удобные для практических применений, изготовляют в виде эвакуированного стеклянного баллона, на внутренней поверхности которого нанесен слой чувствительного металла. Нередко в баллон вводят некоторое количество нейтрального газа (например, аргона), который не портит поверхности металла, но может ионизоваться под ударами летящих электронов и увеличивать за счет своих ионов наблюдаемый ток (см. том II, §93). Поверхность чувствительного металла служит одним электродом фотоэлемента (катодом). Анодом является металлическое кольцо или пластинка, впаянная в баллон. Приложив между электродами достаточное напряжение, получаем готовый к действию фотоэлемент (рис. 332).

Рис. 332. Вакуумный фотоэлемент: а) схема включения: 1 — светочувствительный слой (катод), 2 — анод в виде кольца; б) схематическое изображение

Впоследствии удалось использовать фотоэффект, возникающий между металлом и образованной на нем пленкой окисла. Между металлом и окислом образуется тонкий слой полупроводящего вещества, обладающего свойством пропускать электроны, выделяющиеся из металла, и препятствовать прохождению электронов противоположного направления. Объяснение действия этого так называемого запирающего слоя довольно сложно (см. т. II, § 110). Практически же применение указанных поверхностей позволяет создавать фотоэлементы, имеющие очень большие преимущества. Они чувствительнее элементов первого типа (использующих фотоэффект со свободной поверхности металла), не нуждаются во вспомогательной батарее, им может быть придана весьма разнообразная и очень удобная форма (рис. 333). Так как фототок пропорционален световому потоку, то фотоэлементы широко используются для устройства фотометров разнообразного назначения. Один из таких фотометров, служащий для определения освещенности (люксметр), описан в § 78. Возможность регистрировать световые сигналы при помощи электрических приборов позволяет комбинировать фотоэлементы с реле (см. том П, § 180), благодаря чему фотоэлементы могут выполнять автоматически различные сложные операции. Построены многочисленные автоматы для счета, регистрации, пуска в ход или прекращения тех или иных операций и т. д. Число разнообразных применений фотоэлементов крайне велико, и каждый новый день приносит новые устройства этого рода. Во введении уже упоминалось, что новые фотоэлементы (с использованием полупроводников — германия и особенно кремния) способны превращать довольно значительную световую энергию в электрическую и применяются для использования солнечной энергии (солнечные батареи). Солнечные батареи площадью в десятки квадратных метров обеспечивают электроснабжение искусственных спутников Земли.

Рис. 333. Фотоэлемент с запирающим слоем: а) Схема включения: 1— металл, 2 — пленка окисла с запирающим слоем; на пленку напылен тонкий (прозрачный) слой металла, к которому прижато металлическое кольцо 3, служащее- вторым электродом; б) внешний вид фотоэлемента с запирающим слоем