Практична фізика: зовнішній фотоефект

Як би не був середньостатистична людина далекий у своєму повсякденному житті від пройденої колись шкільної програми, вона ні-ні та й змусить про себе згадати. Саме так відбувається, коли мова заходить про явище зовнішнього фотоефекту.

Визначення

Фотоефектом у фізиці прийнято вважати процес вирівнювання електронів в атомах, молекулах речовини, який виникає і відбувається під впливом світла. А зовнішній фотоефект - процес, при якому електрони вибиваються світлом з такою силою, що вилітають за зовнішні межі свого речовини.

Трохи історії і практики

Вперше на цей дивовижний факт звернув увагу вчений-фізик з Німеччини Генріх Герц в далекому 1887-му році. Вивчення відкриття було продовжено колегою Герца, російським фізиком Столєтова. А геніальний Ейнштейн розробив теорію фотоефекту на основі ідей квантової фізики. З тих пір зовнішній фотоефект вивчений досить глибоко і різнобічно, а отримані знання застосовуються в повному обсязі при розробці і виробництві приладів на основі фотоелементів. Якщо брати самий елементарний приклад, то це автоматичні ворота для гаража, працюють на фотоелементах.

Механізми такого типу працюють на електричної енергії. Однак фотоелементи, які використовують тільки зовнішній фотоефект, трансформують енергію, що отримується при випромінюванні, в електричну не повністю. Тому застосовувати їх в якості джерел електроенергії особливого сенсу немає, чого не скажеш про автоматику. Саме за допомогою світлових пучків відбувається управління електроланцюг в автоматичних механізмах.

Без перебільшення можна стверджувати, що відкриття фотоефекту стало воістину революційною подією у фізиці. Ось найбільш значущі його наслідки:

• перед вченими прочинилися таємниця природи світла, світлового освітлення;
• кіно з німого стало «говорить», були придумані способи озвучення, та й сам факт передачі рухомого зображення теж став можливий завдяки фотоеффекту;
• створення на основі фотоелектронних приладів таких верстатів і «розумних машин», які по заданих параметрах без участі людини виготовляють різні деталі;
• безліч різних механізмів, заснованих на роботі фотоелектронній автоматики.

Таким чином, сам фотоефект і його застосування стали свого роду проривом у сучасній техніці.

Класифікація фотоелементів

Фотоефекти діляться на кілька видів залежно від своїх властивостей і виконуваних функцій.

1. Зовнішній фотоефект (по-іншому - фотоелектронна емісія). Електрони, що вилітають за межі речовини при його виникненні, отримали назву фотоелектронів. А електричний струм, який вони утворюють, коли впорядковано рухаються по зовнішньому електричному полю, став називатися фотострумом.
2. Внутрішній фотоефект, що впливає на фотопровідність речовини. Він виникає, коли електрони перерозподіляються з напівпровідників і діелектриків в залежності від їх енергетичного стану і агрегатного - твердого або рідкого. Явище перерозподілу відбувається під впливом світла. Саме тоді збільшується електропровідність речовини, тобто виходить ефект фотопровідності.
3. Вентильний фотоефект - перехід фотоелектронів зі своїх тіл в інші тверді тіла (напівпровідники) або рідкі (електроліти).

Зовнішній фотоефект лежить в основі роботи сучасних вакуумних фотоелементів. Вони виготовляються у вигляді скляних колб, у яких внутрішня поверхня частково покривається тонким шаром металевого напилення. Незначна товщина шару забезпечує малий робочий вихід. Прозоре віконце колби пропускає всередину світло, а що знаходиться всередині неї анод у вигляді дротяної петлі або диска вловлює фотоелектрони. Якщо анод з`єднати з позитивним полюсом батареї, ланцюг замкнеться, по ній піде електричний струм. Тобто вакуумні фотоелементи можуть включати або вимикати реле.

Комбінуючи фотоелементи та реле, можна створити різні «бачать» автомати, приміром, автомат в метро.

Отже, будучи закладений в основу багатьох виробничих процесів, зовнішній фотоефект як велике фізичне відкриття став запорукою успішної роботи промислової автоматики.