Fotokomórka, budowa, działanie i zastosowanie

Zjawisko fotoelektryczne:

W 1886 r. Heinrich Rudolf Hertz odkrył zjawisko fotoelektryczne polegające na wybijaniu z powierzchni metalu elektronów przez padające światło. Zjawisko to wyjaśnił Albert Einstein w 1905 r. w oparciu o hipotezę kwantów światła postawioną przez Plancka.

Założenia:

1. Z każdym fotonem związana jest energia, zgodnie z zależnością E = h · v

2. W zjawisku fotoelektrycznym jeden foton jest całkowicie absorbowany przez jeden elektron.

Zjawisko fotoelektryczne zostało wykorzystane do konstrukcji fotokomórki. Jest to lampa próżniowa, która ma dwie elektrody.

fotokomorka

Jedną z nich jest katoda K pokryta metalem o małej pracy wyjścia elektronów. Drugą elektrodą jest anoda A.

Nienaświetlona fotokomórka nie przewodzi żadnego prądu elektrycznego. Prąd pojawia się tylko po oświetleniu katody światłem widzialnym lub ultrafioletowym.

katoda

Jeżeli zmontujemy układ jak na rysunku 2., w którym możliwa jest regulacja napięcia podawanego na fotokomórkę, to można zaobserwować zasady, zgodnie z którymi:

  • Jeżeli na fotokomórkę światło nie pada, to prąd przez fotokomórkę nie płynie, niezależnie od przyłożonego napięcia.
  • Jeżeli katodę oświetlimy, to przez fotokomórkę zaczyna płynąć prąd elektryczny, nawet wtedy gdy napięcie przyłożone do fotokomórki wynosi zero. Wybite elektrony biegną w próżni do anody.
  • Zjawisko fotoelektryczne nie wykazuje bezwładności, to znaczy, że nie ma opóźnienia w czasie między padaniem światła na powierzchnię fotokatody, a emisją elektronów.
  • Dla każdego metalu istnieje najniższa częstotliwość światła, poniżej której zjawisko fotoelektryczne nie zachodzi.
  • Dla każdej fotokatody ilość emitowanych elektronów jest wprost proporcjonalna dla natężenia oświetlenia powierzchni katody.
  • Maksymalna prędkość fotoelektronów zależy od rodzaju materiału fotokatody i od częstotliwości światła padającego na fotokatodę, a nie zależy od natężenia światła.
  • Energia padającego na katodę fotonu zostaje zużyta na wyrwanie elektronu z powierzchni metalu (praca wyjścia) oraz nadanie elektronowi energii kinetycznej.

Jeżeli oświetlona katoda ma potencjał ujemny względem anody, to zwiększanie napięcia nieznacznie zwiększa prąd elektryczny, aż do pewnej wartości prądu zwanego prądem nasycenia. Prąd nasycenia to prąd odpowiadający przypadkowi, kiedy wszystkie elektrony wysyłane przez katodę docierają do anody.

Jeżeli teraz zmienimy polaryzację elektrod, tzn. Do katody przyłożymy potencjał dodatni, a do anody ujemy, to zmianie napięcia przyłożonego do fotokomórki będzie towarzyszyć spadek prądu elektronowego. Przy pewnej wartości tego napięcia, zwanego napięciem hamowania, prąd spadnie do zera.

 

Zastosowanie

Fotokomórka znalazła zastosowanie między innymi w sporcie do pomiaru czasu z dokładnością 0,01 sekundy. Stosuje się ją również do liczenia dużych liczb przedmiotów, np. butelek na taśmie produkcyjnej, jako alarm drzwiowy, czytnik kodów kreskowych czy jako odbiornik sygnału od przekaźnikach w urządzeniach elektronicznych (myszki optyczne, odbieranie sygnału od pilota w telewizorze).