Фотоелементи та їх застосування в техніці

Явище фотоелектричного ефекту знайшло широке застосування в науці й техніці для безпосереднього перетворення енергії світла в енергію електричного струму, для перетворення світлових сигналів в електричні. Прилади, дія яких ґрунтується на явищі фотоефекту, називаються фотоелементами. Найпростіший сучасний вакуумний фотоелемент є скляним балоном (мал. 129), майже вся внутрішня поверхня якого вкрита світлочутливим шаром металу, який відіграє роль фотокатода. Відкритим залишається невеличке віконце для доступу світла. Анодом є металеве кільце, закріплене в балоні. Фотоелемент умикається в коло батареї.

У разі освітлення катода з нього внаслідок фотоефекту вибиваються електрони і в колі виникає електричний струм. ЕРС батареї вибирається такою, щоб фотострум дорівнював струмові насичення. Залежно від спектрального складу світла, яке треба реєструвати, використовуються фотоелементи, катоди яких виготовлені з різних матеріалів. Наприклад, для реєстрації видимого світла і інфрачервоного випромінювання застосовують елементи з киснево-цезієвим катодом (мала робота виходу); для реєстрації короткохвильової частини видимого світла і ультрафіолетового випромінювання застосовують фотоелементи з стибієво-цезієвим катодом.

Світлові потоки, з якими доводиться мати справу на практиці, невеликі, тому фотоструми у вакуумних елементах дуже малі і не перевищують 10^-6 А. Для збільшення сили струму фотоелемент заповнюють аргоном під тиском приблизно 1 Па. Фотострум у такому фотоелементі підсилюється внаслідок йонізації аргону, викликаної зіткненнями електронів з, його атомами.

Фотоелементи широко застосовуються для автоматизації виробничих процесів. У поєднанні з електронними підсилювачами фотоелементи входять до складу фотореле — приладів автоматичного управління різними установками, які використовують безінерційність фотоефекту, тобто здатність фотоелемента практично миттєво реагувати на світловий вплив чи на його зміну. Складається фотореле (мал. 130) з фотоелемента Ф, підсилювача фотоструму П і електромагнітного реле ЕР. Якщо на фотоелемент падає світло, в котушці К реле виникає струм. Котушка намагнічується і, розтягуючи пружину Пр, притягує якір Я, який замикає контакт В виконавчого кола зі струмом великої потужності.

У разі потреби фотореле можна увімкнути і так, щоб у разі освітлення фотоелемента виконавче коло розмикалося.

Застосування фотореле надзвичайно різноманітні. Воно вмикає і вимикає в потрібний час освітлення вулиць і майданів у містах, світло маяків і бакенів, сортує різні деталі за кольором і формою, запускає і зупиняє електродвигуни та верстати і т. д.

Фотореле є важливою частиною пристроїв техніки безпеки. Фотоелемент пильно слідкує за роботою машин і майже вмить зупиняє потужний прес, верстат тощо, якщо рука людини раптом опиниться в небезпечній зоні.

За допомогою фотоелементів здійснюється передавання на великі відстані зображень рухомих предметів, відтворення звуку в звуковому кіно, передавання нерухомих зображень по фототелеграфу.

Досі ми розглядали зовнішній фотоефект (який звичайно називають просто фотоефектом), під час якого електрони вириваються з поверхні речовини. Але не менш широко використовується в техніці так званий внутрішній фотоефект, який спостерігається в напівпровідниках і діелектриках. Він полягає в тому, що під час опромінення напівпровідника чи діелектрика в них збільшується концентрація вільних носіїв зарядів і, отже, підвищується провідність. Це явище внутрішнього фотоефекту використовується в фоторезисторах (фотоопорах), опір яких залежить від освітленості. Фоторезистори також застосовуються для автоматичного управління електричними колами за допомогою світлових сигналів. На відміну від фотоелементів фоторезистори можна використо­вувати в колах змінного струму, оскільки їх опір не залежить від напряму струму.

Явище внутрішнього фотоефекту використовується також в будові напівпровідникових (або вентильних) фотоелементів, які безпосередньо перетворюють енергію світла в електричну. На відміну від раніше розглянутих, напівпровідникові фотоелементи самі можуть бути генераторами струму. Коефіцієнт корисної дії сучасних силіцієвих фотоелементів досягає 12—15 %. Батареї силіцієвих фотоелементів, які дістали назву сонячних батарей (мал. 131), успішно застосовуються на штучних супутниках Землі й космічних кораблях для живлення бортової радіоапаратури.

Одним з найважливіших застосувань фотоелементів є використання їх у звуковому кіно для відтворення звуку, записаного на кінострічці у вигляді «звукової доріжки». Одночасно з фотографуванням кінокадрів на стрічці здійснюють запис звуку. Розглянемо принцип оптичного запису звуку.