EFECTUL FOTOELECTRIC EXTERN

19:16 0 Comments

a. Efectul fotoelectric.
Legi experimentale
în 1887, H. Hertz, studiind undele electromagnetice obţinute în urma descărcării electrice prin scîntei între doi electrozi, a constatat că iluminarea electrodului negativ cu radiaţie ultravioletă înlesneşte descărcarea - la aceeaşi tensiune electrică ea se produce la o distanţă mai mare dintre electrozi decît în lipsa iluminării. în acelaşi an observaţia dată a fost expusă în lucrarea sa Despre influenţa luminii ultraviolete asupra descărcării electrice. în 1887, Wilhelm Hallwachs (1859-1922), la sugestia lui Hertz, a realizat un experiment în care a stabilit că în urma iluminării cu radiaţie ultravioletă a corpului metalic încărcat cu sarcină negativă, acesta se descarcă.
Pentru a explica aceste experimente Hallwachs -emis (1888) o ipoteză: lumina ultravioletă provoacă eliberarea din metal a unor particule încărcate cu
sarcină electrică negativă, iar acestea înlesnesc descărcarea electrică. Pentru fenomenul cercetat a fost propusă denumirea de efect fotoelectric extern, în 1899, Philipp Lenard (1862-1947), fost asistent al lui Hertz, a stabilit că particulele negative sînt electroni (particule descoperite în 1897 de către J.J. Thomson).
Emisia electronilor de către corpurile solide şi cele lichide sub acţiunea radiaţiei electromagnetice a fost numită efect fotoelectric extern. Electronii emişi sînt numiţi fotoelectroni, astfel indicîndu-se modalitatea obţinerii lor.
Savanţii germani menţionaţi, precum şi Augusto Righi (1850-1920) în Italia şi Alexandr Stoletov (1839-1896) în Rusia, au studiat legităţile efectului fotoelectric extern. Schema de principiu a instalaţiei utilizate în acest scop este reprezentată în figura 5.3. Tubul T are în interiorul său doi electrozi: catodul C şi anodul A. Radiaţia electromagnetică cade pe
81
Fig. 5.3
I
-Uf o u
Fig. 5.4
Fig. 5.5
-Ufî-U/2-Ufi o
Fig. 5.6
catod trecînd prin ferestruica de cuarţ F (cuarţul este transparent pentru radiaţiile ultraviolete, dar sticla obişnuită le reţine). Aerul din tub este evacuat pentru a nu influenţa mişcarea fotoelectronilor.
Partea electrică a instalaţiei permite modificarea atît a valorii tensiunii dintre electrozi, cit şi a polarităţii ei. în poziţia O a cursorului tensiunea electrică dintre catod şi anod este nulă. La deplasarea cursorului K de la poziţia O spre stingă, potenţialul anodului A este mai mare decît al catodului C, cîmpul electric din tub accelerează electronii. Tensiunea acceleratoare (pozitivă) se măreşte pe măsură ce cursorul se îndepărtează tot mai mult de poziţia O. Dacă însă cursorul K se deplasează spre dreapta de la poziţia nulă O, potenţialul anodului este mai mic decît cel al catodului şi electronii ce se mişcă de la catod spre anod sînt frînaţi de cîmpul electric. Tensiunea de frînare (negativă) devine tot mai mare pe măsura îndepărtării cursorului spre dreapta.
Se modifică tensiunea U dintre catod şi anod, măsurată cu voltmetrul V şi se înregistrează valorile respective ale intensităţii curentului I, numit frecvent şi fotocurent, indicate de microampermetrul pA. în timpul fiecărui experiment fasciculul de radiaţie monocromatică incidenţă pe catod se menţinea invariabil. în baza datelor obţinute a fost trasată caracteristica curent-tensiune (fig. 5.4).
Să analizăm detaliat caracterul dependenţei intensităţii curentului electric prin tub de tensiunea dintre electrozi. Se observă că prin tub circulă curent electric şi în lipsa tensiunii dintre catod şi anod: la U = 0 avem I = I0. Aceasta denotă faptul că electronii emişi de catod sub influenţa radiaţiei electromagnetice incidente pe el posedă energii cinetice, ceea ce le permite să ajungă la anod nefiind atraşi de acesta.
Creşterea tensiunii pozitive U (ramura din dreapta originii 0) este însoţită iniţial de creşterea lentă a intensităţii I, ceea ce se explică prin faptul că la mărirea tensiunii mai mulţi fotoelectroni ajung la anod. Creşterea intensităţii însă este limitată de valoarea maximă Is - intensitatea curentului de saturaţie. în aceste condiţii toţi electronii (Nţ) emişi de catod într-o unitate de timp ajung la anod. Fiecare electron transportă o sarcină electrică egală în modul cu sarcina elementară e, deci în fiecare secundă prin tub este transportată sarcina electrică Nte. Rezultă că intensitatea curentului de saturaţie
Is = Nte. (5.2)
în domeniul tensiunilor negative potenţialul catodului este mai mare decît cel al anodului, prin urmare fotoelectronii ce se deplasează spre anod sînt frînaţi de cîmpul electric din tub. Un număr tot mai mic de electroni, cei cu energii cinetice mai mari, ajung la anod. Ca rezultat intensitatea curentului se micşorează. La o valoare Uf a tensiunii inverse curentul devine nul: electronii cu energia cinetică maximă £Cjmax sînt frînaţi şi se opresc în vecinătatea nemijlocită a anodului. Tensiunea respectivă Uf este numită tensiune de frînare sau de stopare, în aceste condiţii lucrul cîmpului electric eUfeste egal cu energia cinetică maximă a fotoelectronilor:
Ec,max = eUf (5-3)
In figura 5.5. sînt prezentate caracteristici curent- tensiune pentru valori diferite ale fluxului de energie O al radiaţiei incidente (al energiei incidente pe catod într-o unitate de timp) la una şi aceeaşi frecvenţă v. S-a constatat că intensitatea curentului de saturaţie Is este direct proporţională cu fluxul de energie: Is ~ 0. Acest rezultat este cunoscut ca
legea întîi a efectului fotoelectric: intensitatea curentului fotoelectric de saturaţie este direct proporţională cu fluxul de energie al radiaţiei incidente pe catod cînd frecvenţa ei rămîne constantă.
Conform relaţiei (5.2), această lege poate fi formulată, în acelaşi mod, şi pentru numărul de fotoelectroni Nt emişi de catod într-o unitate de timp.
Caracteristicile curent-tensiune corespunzătoare diferitor frecvenţe v ale radiaţiei incidente la aceeaşi valoare a fluxului de energie incident sînt reprezentate în figura 5.6. Determinînd valorile tensiunii de frînare din figurile 5.5 şi 5.6 şi utilizînd (5.3), se pot calcula valorile energiei cinetice maxime a foto- electronilor. în baza valorilor obţinute s-a construit graficul care exprimă energia cinetică maximă în funcţie de frecvenţa radiaţiei incidente (fig. 5.7). La frecvenţe mai mici decît valoarea v0 efectul fotoelectric lipseşte. Această valoare este numită frecvenţă de prag şi depinde de natura substanţei din care este confecţionat catodul. Ea este numită, de asemenea, prag roşu al efectului fotoelectric.
Generalizînd rezultatele menţionate, pot fi formulate următoarele legi ale efectului fotoelectric (Lenard, 1902):
legea a doua a efectului fotoelectric: energia j cinetică maximă a fotoelectronilor este în funcţie liniară de frecvenţa radiaţiei electromagnetice ' incidente şi nu depinde de fluxul de energie al acesteia;
legea a treia a efectului fotoelectric: efectul fotoelectric extern se produce numai dacă frecvenţa radiaţiei incidente este nu mai mică decît cea de prag v0, specifică fiecărui metal.
O proprietate deosebită a acestui efect este faptul că fotocurentul începe a circula imediat după ce radiaţia electromagnetică cade pe catod. Electronul din metal primeşte momentan energia necesară pentru a ieşi în afara metalului şi nu o acumulează pe parcursul unui interval de timp. Aceasta permite să formulăm
I legea a patra a efectului fotoelectric: efectul fotoelectric extern este lipsit de inerţie.
Legile expuse sînt aparent legi simple. în cadrul fizicii clasice poate fi explicată doar prima din ele: cu cit energia radiaţiei incidente ce provoacă efectul fotoelectric extern este mai intensă, cu atît mai mulţi fotoelectroni părăsesc metalul. Celelalte legi însă nu sînt conforme cu legităţile fizicii clasice şi nu pot fi explicate în cadrul ei.
b. Fotonii. Teoria cuantică a efectului fotoelectric extern
Pentru a explica legităţile efectului fotoelectric, A. Einstein a apelat (în 1905) la ipoteza cuantelor şi a admis că proprietăţile cuantice sînt proprii radiaţiei. El scria: „...cred că fenomenele în care se manifestă emisia sau transformarea luminii se pot explica mai bine dacă presupunem că energia luminii se distribuie discret în spaţiu... Energia fasciculului de lumină ce se propagă dintr-un punct nu se distribuie în mod continuu într-un volum tot mai mare, ci se constituie dintr-un număr finit de cuante de energie care sînt localizate în spaţiu şi sînt indivizibile, fiind emise sau absorbite numai ca un tot întreg”.
Astfel, Einstein a ajuns la concluzia că există particule de lumină, indivizibile, a căror energie este dată de formula (5.1). Ulterior, în 1929, aceste particule au fost numite fotoni (gr. phot „lumină”). în procesele de emisie (absorbţie) se emite (se absoarbe) un număr întreg de fotoni.
Să evidenţiem caracteristicile fizice ale fotonului. Energia fotonului este egală cu energia cuantei
= fiv. (5.4)
Din formula (4.23), care reprezintă interdependenţa dintre masă şi energie E = mc2, exprimăm masa fotonului:
Viteza fotonului în vid este egală cu viteza luminii:
Vf = c. (5.6)
Conform expresiei masei ca funcţie de viteză
m = -, exprimam masa de repaus m„ =
fil-v2 Ic2
= msll-v2 /c2- Substituind viteza fotonului vy = c, pentru masa de repaus a fotonului obţinem:
mof= 0. (5.7)
83
Impulsul fotonului:
pf = mfc = —. (5.8)
c
Din punct de vedere electric, fotonul este o particulă neutră. Sarcina electrică a fotonului este nulă:
qf= 0. (5.9)
Folosind relaţia dintre viteza de propagare a undei c, lungimea de undă X şi frecvenţa v, anume v = — prezentăm expresiile pentru energia, masa şi
A-
impulsul fotonului prin lungimea de undă:
hc h h . .
”V = a- ”>-J; (5-10)
Conform concepţiei lui Einstein, lumina prezintă un flux de fotoni. Aceasta permite să fie explicate, relativ simplu, legile efectului fotoelectric extern. Se consideră că fiecare electron este emis în urma absorbţiei unui singur foton.
La un flux mai mare de energie a radiaţiei incidente pe catod, pe acesta cad mai mulţi fotoni. Drept rezultat catodul va emite mai mulţi electroni într-o unitate de timp, intensitatea curentului fotoelectric de saturaţie se amplifică - legea întîi.
Fotonul interacţionînd cu electronul substanţei (din vecinătatea suprafeţei acesteia) îi transmite momentan toată energia sa. Dacă electronul se mişcă spre suprafaţa corpului, acesta iese, practic, imediat din corp. Prin urmare efectul fotoelectric este lipsit de inerţie - legea a patra.
Pentru a părăsi corpul, electronul trebuie să efectueze un lucru mecanic Le, învingînd forţele electrice care acţionează asupra lui din partea ionilor pozitivi ai substanţei şi-l reţin în corp. Acest lucru Le este numit lucru de extracţie sau de ieşire. Valoarea lui
> 3
depinde de natura substanţei şi se exprimă, de regulă, în electron-volţi (eV). Amintim că 1 eV = = 1,6 • 1(L19 J. Lucrul de extracţie pentru majoritatea metalelor este de ordinul a cîţiva electron-volţi. De exemplu, la potasiu este egal cu 2,2 eV, la litiu - cu 2,3 eV, la zinc - cu 4,0 eV, la argint - cu 4,3 eV, la platină - cu 5,3 eV. Valoarea lucrului de extracţie depinde şi de calitatea prelucrării suprafeţei corpului.
în urma interacţiunii dintre fotonul incident şi electronul substanţei fotonul dispare, iar electronul preia energia hv a acestuia. în conformitate cu legea
Fotonul există numai în mişcare cu viteza luminii,
nu poate fi oprit şi nu există în repaus.
conservării şi transformării energiei, electronul ieşit în afara metalului posedă energie cinetică E, mai mică decît energia sa în interiorul corpului cu valoarea lucrului de extracţie L.„ adică:
Ec = hv-Le. (5.11)
Această energie o posedă fotoelectronii extraşi de lîngă suprafaţa corpului. Cei extraşi din interiorul lui, în mişcarea spre suprafaţă, pot pierde o parte din energie în urma ciocnirilor cu alţi electroni. Aceşti electroni au în afara corpului o energie cinetică mai mică decît valoarea determinată din (5.11). Conchidem că energia cinetică din (5.11) este energie cinetică maximă a fotoelectronilor.
Introducînd în (5.11) expresia energiei cinetice
E _ mvmax ^ transcriem relaţia dată sub forma
2 mv2
hv = Le+(5.12)
Ultima relaţie, precum şi (5.11), se numeşte ecuaţia lui Einstein pentru efectul fotoelectric extern. Ea poate fi considerată expresie matematică a legii a doua a acestui efect. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor depinde doar de frecvenţa radiaţiei incidente şi de natura substanţei care emite electronii.
Energia cinetică este mărime pozitivă sau nulă pentru corpul aflat în repaus. Din (5.12) rezultă condiţia pentru frecvenţa v a radiaţiei ce produce emisia fotoelectronilor: hv - Le> 0, adică:
v>^ = v0. (5.13)
h
Astfel, s-a obţinut cea âe-a treia lege a efectului fotoelectric, precum şi relaţia dintre frecvenţa de prag v0 şi lucrul de extracţie Le.
Graficul care reprezintă energia cinetică maximă a fotoelectronilor (determinată experimental în baza relaţiei (5.3)) în funcţie de frecvenţă este, conform ecuaţiei lui Einstein, o funcţie liniară, în concordanţă cu graficul obţinut pe cale experimentală (fig. 5.7). Coeficientul de proporţionalitate h este o constantă fundamentală, prin urmare graficele care exprimă relaţia dată pentru substanţe diferite sînt segmente de dreaptă paralele între ele.
Astfel, Enstein, dezvoltînd şi modificînd interpretarea ipotezei cuantelor, a reuşit să explice legităţile efectului fotoelectric extern. Acesta a fost al doilea succes al teoriei, avînd la bază ipoteza cuantelor. El a fost urmat de multe alte realizări ale fizicii cuantelor, care a dominat dezvoltarea fizicii în secolul XX.
84
Aplicaţiile efectului fotoelectric sînt determinate de faptul că acesta permite modificarea intensităţii curentului în circuit variind fluxul de radiaţie electromagnetică incidenţă pe catod. Dispozitivele care funcţionează în baza acestui efect sînt numite celule fotoelectrice.
Celula fotoelectrică cu vid prezintă un balon de sticlă, pe o parte din suprafaţa interioară a căruia este depus un strat subţire de metal care conduce bine curentul electric (fig. 5.8). Acest strat este acoperit cu un alt strat fotosensibil din metal, oxid de bariu, compuşi ai ceziului cu stibiu sau din altă substanţă cu lucru de extracţie mic pentru ca efectul să se producă şi sub acţiunea radiaţiei vizibile. Acest strat dublu este catodul 1. în centrul celulei este plasat anodul 2 de forma unui inel. Partea balonului din faţa catodului este transparentă, prin aceasta lumina cade din exterior pe catod.
Celula fotoelectrică este folosită în cuplu cu un releu electromagnetic, al cărui element principal este un electromagnet care închide sau deschide, în funcţie de iluminarea catodului, un circuit electric. Astfel de circuite dirijează dispozitivele ce efectuează acţiuni prevăzute (fig. 5.9).
Celulele cu vid acţionează, practic, fără inerţie, ceea ce condiţionează aplicarea lor în instalaţii care necesită o reacţionare rapidă. De exemplu, la numărarea unor obiecte în mişcare, la suspendarea automată a funcţionării unor instalaţii în cazul în care muncitorii ar pătrunde în zone interzise - cu pericol pentru viaţă, la aprinderea şi stingerea automată a farurilor maritime şi a luminii stradale etc. Un neajuns al celulelor fotoelectrice cu vid este valoarea mică a curentului electric, ceea ce necesită montarea unui amplificator între celulă şi releu.
Intensitatea curentului este mai mare prin celulele fotoelectrice cu gaz, baloanele cărora au aceeaşi construcţie ca cele cu vid, dar conţin gaze inerte, mai frecvent argon, la presiuni joase (de circa 10 Pa). Foto- electronii în calea lor spre anod ionizează prin ciocnire atomii gazului. Astfel, numărul de electroni liberi, deci şi intensitatea curentului se măreşte. Aceste celule prezintă o anumită inerţie, condiţionată de necesitatea unui interval de timp în care se produce ionizarea.
Din clasa a Xl-a cunoaşteţi principiul de funcţionare a fotorezistoarelor - dispozitive semiconductoare, a căror rezistivitate se micşorează cînd ele
c . C e lu le fo to e le c t ric e
sînt sub influenţa radiaţiei luminoase. Sub acţiunea radiaţiei unii electroni părăsesc legăturile covalente dintre atomi, ca rezultat creşte concentraţia electronilor de conducţie şi a golurilor, ceea ce condiţionează micşorarea rezistivităţii. Electronii de conducţie rămîn în interiorul semiconductorului, din care cauză efectul de părăsire a legăturilor covalente de către electroni este numit efect fotoelectric intern. Dispozitivele în care este utilizat acest efect se numesc celule fotoelectrice semiconductoare. Celulele semiconductoare sînt mai sensibile la radiaţie decît cele cu vid. Ele funcţionează atît în domeniul vizibil, cît şi în cel infraroşu. Celulele fotoelectrice semiconductoare au aplicaţii similare celulelor cu vid.
Efectul fotoelectric intern este aplicat, de asemenea, în celula fotovoltaică - o sursă de curent electric. Aceasta prezintă o joncţiune p-n semiconductoare asupra regiunii de contact a căreia este orientat un fascicul de lumină (fig. 5.10). Prin efect fotoelectric intern unii electroni părăsesc legăturile covalente dintre atomi, deci creşte concentraţia electronilor de conducţie şi a golurilor. Sub acţiunea cîmpului electric existent în regiunea joncţiunii golurile din regiunea n trec în regiunea p, iar electronii de conducţie - în sens invers. Ca rezultat potenţialul regiunii p devine mai mare decît cel al regiunii n, între ele stabilindu-se o diferenţă de potenţial. Prin consumatorul conectat la regiunile joncţiunii circulă curent electric. Astfel, celula fotovoltaică prezintă o sursă de curent electric. Ea transformă energia luminii direct în energie electrică. Din celulele voltaice se montează baterii solare, care se utilizează atît în cazul navelor cosmice, cît şi în condiţii terestre.
Celulă
Fig. 5.8 Fig. 5.10
85
l
Impulsul fotonului:
pf=mfc = —. (5.8)
c
Din punct de vedere electric, fotonul este o particulă neutră. Sarcina electrică a fotonului este nulă:
qf= 0. (5.9)
Folosind relaţia dintre viteza de propagare a undei c, lungimea de undă X şi frecvenţa v, anume
v = —, prezentăm expresiile pentru energia, masa şi
A,
impulsul fotonului prin lungimea de undă:
hc h h .
*'=T’ m’’ă’P'‘T <5'10)
Conform concepţiei lui Einstein, lumina prezintă un flux de fotoni. Aceasta permite să fie explicate, relativ simplu, legile efectului fotoelectric extern. Se consideră că fiecare electron este emis în urma absorbţiei unui singur foton.
La un flux mai mare de energie a radiaţiei incidente pe catod, pe acesta cad mai mulţi fotoni. Drept rezultat catodul va emite mai mulţi electroni într-o unitate de timp, intensitatea curentului fotoelectric de saturaţie se amplifică - legea întîi.
Fotonul interacţionînd cu electronul substanţei (din vecinătatea suprafeţei acesteia) îi transmite momentan toată energia sa. Dacă electronul se mişcă spre suprafaţa corpului, acesta iese, practic, imediat din corp. Prin urmare efectul fotoelectric este lipsit de inerţie - legea a patra.
Pentru a părăsi corpul, electronul trebuie să efectueze un lucru mecanic Le, învingînd forţele electrice care acţionează asupra lui din partea ionilor pozitivi ai substanţei şi-l reţin în corp. Acest lucru Le este numit lucru de extracţie sau de ieşire. Valoarea lui
î 3
depinde de natura substanţei şi se exprimă, de regulă, în electron-volţi (eV). Amintim că 1 eV = = 1,6 • 10 19 J. Lucrul de extracţie pentru majoritatea metalelor este de ordinul a cîţiva electron-volţi. De exemplu, la potasiu este egal cu 2,2 eV, la litiu - cu 2,3 eV, la zinc - cu 4,0 eV, la argint - cu 4,3 eV, la platină - cu 5,3 eV. Valoarea lucrului de extracţie depinde şi de calitatea prelucrării suprafeţei corpului.
în urma interacţiunii dintre fotonul incident şi electronul substanţei fotonul dispare, iar electronul preia energia hv a acestuia. în conformitate cu legea
Fotonul există numai în mişcare cu viteza luminii,
nu poate fi oprit şi nu există în repaus.
conservării şi transformării energiei, electronul ieşit în afara metalului posedă energie cinetică Ec mai mică decît energia sa în interiorul corpului cu valoarea lucrului de extracţie Le, adică:
Ec = hv - Le. (5.11)
Această energie o posedă fotoelectronii extraşi de lîngă suprafaţa corpului. Cei extraşi din interiorul lui, în mişcarea spre suprafaţă, pot pierde o parte din energie în urma ciocnirilor cu alţi electroni. Aceşti electroni au în afara corpului o energie cinetică mai mică decît valoarea determinată din (5.11). Conchidem că energia cinetică din (5.11) este energie cinetică maximă a fotoelectronilor.
Introducînd în (5.11) expresia energiei cinetice
mv„
, transcriem relaţia dată sub forma
hv = L +
mv„
(5.12)
Ultima relaţie, precum şi (5.11), se numeşte ecuaţia lui Einstein pentru efectul fotoelectric extern. Ea
poate fi considerată expresie matematică a legii a doua a acestui efect. Energia cinetică maximă a fotoelectronilor depinde doar de frecvenţa radiaţiei incidente şi de natura substanţei care emite electronii.
Energia cinetică este mărime pozitivă sau nulă pentru corpul aflat în repaus. Din (5.12) rezultă condiţia pentru frecvenţa v a radiaţiei ce produce emisia fotoelectronilor: hv - Le> 0, adică:
v>^ = v0. (5.13)
h
Astfel, s-a obţinut cea de-a treia lege a efectului fotoelectric, precum şi relaţia dintre frecvenţa de prag v0 şi lucrul de extracţie Le.
Graficul care reprezintă energia cinetică maximă a fotoelectronilor (determinată experimental în baza relaţiei (5.3)) în funcţie de frecvenţă este, conform ecuaţiei lui Einstein, o funcţie liniară, în concordanţă cu graficul obţinut pe cale experimentală (fig. 5.7). Coeficientul de proporţionalitate h este o constantă fundamentală, prin urmare graficele care exprimă relaţia dată pentru substanţe diferite sînt segmente de dreaptă paralele între ele.
Astfel, Enstein, dezvoltînd şi modificînd interpretarea ipotezei cuantelor, a reuşit să explice legităţile efectului fotoelectric extern. Acesta a fost al doilea succes al teoriei, avînd la bază ipoteza cuantelor. El a fost urmat de multe alte realizări ale fizicii cuantelor, care a dominat dezvoltarea fizicii în secolul XX.
84
Aplicaţiile efectului fotoelectric sînt determinate de faptul că acesta permite modificarea intensităţii curentului în circuit variind fluxul de radiaţie electromagnetică incidenţă pe catod. Dispozitivele care funcţionează în baza acestui efect sînt numite celule fotoelectrice.
Celula fotoelectrică cu vid prezintă un balon de sticlă, pe o parte din suprafaţa interioară a căruia este depus un strat subţire de metal care conduce bine curentul electric (fig. 5.8). Acest strat este acoperit cu un alt strat fotosensibil din metal, oxid de bariu, compuşi ai ceziului cu stibiu sau din altă substanţă cu lucru de extracţie mic pentru ca efectul să se producă şi sub acţiunea radiaţiei vizibile. Acest strat dublu este catodul 1. în centrul celulei este plasat anodul 2 de forma unui inel. Partea balonului din faţa catodului este transparentă, prin aceasta lumina cade din exterior pe catod.
Celula fotoelectrică este folosită în cuplu cu un releu electromagnetic, al cărui element principal este un electromagnet care închide sau deschide, în funcţie de iluminarea catodului, un circuit electric. Astfel de circuite dirijează dispozitivele ce efectuează acţiuni prevăzute {fig. 5.9).
Celulele cu vid acţionează, practic, fără inerţie, ceea ce condiţionează aplicarea lor în instalaţii care necesită o reacţionare rapidă. De exemplu, la numărarea unor obiecte în mişcare, la suspendarea automată a funcţionării unor instalaţii în cazul în care muncitorii ar pătrunde în zone interzise - cu pericol pentru viaţă, la aprinderea şi stingerea automată a farurilor maritime şi a luminii stradale etc. Un neajuns al celulelor fotoelectrice cu vid este valoarea mică a curentului electric, ceea ce necesită montarea unui amplificator între celulă şi releu.
Intensitatea curentului este mai mare prin celulele fotoelectrice cu gaz, baloanele cărora au aceeaşi construcţie ca cele cu vid, dar conţin gaze inerte, mai frecvent argon, la presiuni joase (de circa 10 Pa). Foto- electronii în calea lor spre anod ionizează prin ciocnire atomii gazului. Astfel, numărul de electroni liberi, deci şi intensitatea curentului se măreşte. Aceste celule prezintă o anumită inerţie, condiţionată de necesitatea unui interval de timp în care se produce ionizarea.
Din clasa a Xl-a cunoaşteţi principiul de funcţionare a fotorezistoarelor - dispozitive semiconductoare, a căror rezistivitate se micşorează cînd ele
c . C e lu le fo to e le c t ric e
sînt sub influenţa radiaţiei luminoase. Sub acţiunea radiaţiei unii electroni părăsesc legăturile covalente dintre atomi, ca rezultat creşte concentraţia electronilor de conducţie şi a golurilor, ceea ce condiţionează micşorarea rezistivităţii. Electronii de conducţie rămîn în interiorul semiconductorului, din care cauză efectul de părăsire a legăturilor covalente de către electroni este numit efect fotoelectric intern. Dispozitivele în care este utilizat acest efect se numesc celule fotoelectrice semiconductoare. Celulele semiconductoare sînt mai sensibile la radiaţie decît cele cu vid. Ele funcţionează atît în domeniul vizibil, cît şi în cel infraroşu. Celulele fotoelectrice semiconductoare au aplicaţii similare celulelor cu vid.
Efectul fotoelectric intern este aplicat, de asemenea, în celula fotovoltaică - o sursă de curent electric. Aceasta prezintă o joncţiune p-n semiconductoare asupra regiunii de contact a căreia este orientat un fascicul de lumină {fig. 5.10). Prin efect fotoelectric intern unii electroni părăsesc legăturile covalente dintre atomi, deci creşte concentraţia electronilor de conducţie şi a golurilor. Sub acţiunea cîmpului electric existent în regiunea joncţiunii golurile din regiunea n trec în regiunea p, iar electronii de conducţie - în sens invers. Ca rezultat potenţialul regiunii p devine mai mare decît cel al regiunii n, între ele stabilindu-se o diferenţă de potenţial. Prin consumatorul conectat la regiunile joncţiunii circulă curent electric. Astfel, celula fotovoltaică prezintă o sursă de curent electric. Ea transformă energia luminii direct în energie electrică. Din celulele voltaice se montează baterii solare, care se utilizează atît în cazul navelor cosmice, cît şi în condiţii terestre.
Celulă
Fig. 5.8 Fig. 5.10
85
Verificaţi-vă cunoştinţele
1. în ce constă efectul fotoelectric extern?
2. Cum se explică existenţa, la tensiune nulă, a curentului fotoelectric dintre electrozi?
3. Care factor determină existenţa curentului de saturaţie? Cum poate fi modificată valoarea lui?
4. Cum poate fi determinată experimental energia cinetică maximă a fotoelectronilor?
5. Determinaţi energia fotonului ce corespunde luminii de culoare verde avînd lungimea de undă egală cu 550 nm.
6. Calculaţi impulsul fotonului cu energia de 2,85 • IO-19 J. Ce culoare are lumina respectivă?
7. Determinaţi lungimea de undă ce corespunde pragului roşu pentru argint.
113.* PRESIUNEA LUMINII
în lucrarea sa fundamentală, Tratat despre electricitate şi magnetism (1873), Maxwell a expus teoria cîmpului electromagnetic, în cadrul căreia a prezis existenţa undelor electromagnetice şi a descris proprietăţile lor. Maxwell a demonstrat că aceste unde sînt transversale, vectorul electric E şi cel magnetic B fiind perpendiculari atît între ei, cit şi pe direcţia vitezei v de propagare a undei. Sensul vectorului v coincide cu sensul înaintării burghiului cu filet de dreapta la rotirea minerului său de la vectorul E spre B. Maxwell a demonstrat, de asemenea, că undele electromagnetice, deci şi cele luminoase, produc presiune pe suprafaţa pe care cad.
Pentru a explica existenţa presiunii luminii, se consideră suprafaţa plană S a unui corp şi o undă electromagnetică ce cade normal pe ea (fig. 5.11). în figură vectorul E are acelaşi sens cu axa Ox, vectorul ÎS cu axa Oy şi vectorul v cu axa Oz. După o semi- perioadă, vectorii E şi B au sens opus axelor respective, vectorul vitezei v nu-şi modifică însă sensul.
Cîmpul electric al undei imprimă acceleraţie purtătorilor liberi de sarcină electrică din corp, mişcarea lor devenind ordonată. în sensul vectorului electric E circulă curent electric I care variază periodic în timp, asemenea vectorului E al undei. In figura 5.11 curentul electric I are sensul axei Ox. Aplicînd regula mîinii stingi, constatăm că forţa electromagnetică F, ce acţionează asupra acestui curent din partea cîmpului magnetic B al undei, este orientată spre interiorul corpului, în sensul
8. Catodul din potasiu este iluminat cu radiaţie electromagnetică avînd frecvenţa de 6,3 • 1014 Hz. Determinaţi energia cinetică maximă a fotoelectronilor emişi.
9. Să se determine viteza maximă a fotoelectronilor emişi de catod sub acţiunea radiaţiei electromagnetice cu lungimea de undă egală cu 0,475 pm, dacă lungimea de undă de prag roşu pentru materialul catodului este de 0,566 pm.
10. Care sînt priorităţile şi deficienţele celulei fotoelec- trice cu vid faţă de celula cu gaz inert?
11. Prin ce se deosebeşte efectul fotoelectric intern de cel extern?