Задание 4, страница 189 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 4

Объясните принцип действия фотоэлемента в цепи с автоматическим подключением.

Принцип действия фотоэлемента в цепи с автоматическим подключением основан на явлении внешнего фотоэффекта, при котором под действием света (фотонов) происходит испускание электронов с поверхности вещества.

Рассмотрим этот принцип на самом распространенном примере — системе автоматического включения уличного освещения.

1. Основа — фотоэффект. Фотоэлемент представляет собой устройство (часто вакуумную колбу) с двумя электродами: катодом и анодом. Катод покрыт специальным материалом (например, на основе щелочных металлов, таких как цезий), который имеет малую работу выхода электронов. Когда на катод попадают кванты света — фотоны — с энергией $E = h\nu$, достаточной для преодоления работы выхода $A_{вых}$ ($h\nu \ge A_{вых}$), они выбивают из катода электроны.

2. Возникновение фототока. В электрической цепи фотоэлемент подключен к источнику напряжения так, что на аноде создается положительный потенциал относительно катода. Возникшее электрическое поле заставляет выбитые светом электроны (фотоэлектроны) двигаться от катода к аноду. Это упорядоченное движение заряженных частиц представляет собой электрический ток, называемый фототоком. Важнейшее свойство фототока заключается в том, что его сила при насыщении прямо пропорциональна интенсивности падающего на катод света. Чем ярче свет, тем больше фотонов, тем больше выбито электронов и тем больше сила фототока.

3. Связь с автоматикой (использование реле). Фототок, как правило, имеет очень малую величину, недостаточную для питания мощных потребителей, таких как лампы. Поэтому он используется как управляющий сигнал для другого устройства — электромагнитного реле. Обмотка реле включается в цепь фотоэлемента.

4. Цикл работы.
• День (высокая освещенность): Яркий дневной свет падает на катод фотоэлемента. Возникает сильный фототок. Этот ток, протекая по обмотке электромагнитного реле, создает магнитное поле, достаточное для срабатывания реле. Якорь реле притягивается, что приводит к размыканию контактов в силовой цепи, к которой подключена лампа. В результате лампа гаснет.
• Сумерки/ночь (низкая освещенность): С наступлением темноты интенсивность света, падающего на фотоэлемент, резко снижается. Фототок становится очень слабым или прекращается совсем. Магнитное поле в катушке реле ослабевает и уже не может удерживать якорь. Под действием пружины якорь возвращается в исходное положение, и контакты в силовой цепи замыкаются. По цепи начинает течь ток, и лампа загорается.

Таким образом, фотоэлемент выступает в роли датчика освещенности, а вся система работает как автоматический выключатель, который без участия человека управляет освещением в зависимости от времени суток.

Ответ: Принцип действия основан на явлении внешнего фотоэффекта. Свет, падая на катод фотоэлемента, выбивает электроны, создавая фототок. Сила фототока зависит от интенсивности света. Этот фототок управляет электромагнитным реле. При высокой освещенности (днем) фототок велик, реле срабатывает и размыкает цепь питания нагрузки (например, лампы), выключая её. При низкой освещенности (вечером) фототок слабеет, реле отключается и замыкает цепь, включая нагрузку.