Номер 7, страница 200 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

7. Что такое фотоэлемент, где он применяется?

Что такое фотоэлемент

Фотоэлемент — это электронный прибор, который преобразует энергию света (электромагнитного излучения) в электрическую энергию. В основе работы любого фотоэлемента лежит явление фотоэффекта.

Фотоэффект — это испускание электронов веществом (внешний фотоэффект) или переход электронов внутри вещества на другие энергетические уровни (внутренний фотоэффект) под действием света. В зависимости от используемого типа фотоэффекта, фотоэлементы делятся на две большие группы:

1. Фотоэлементы с внешним фотоэффектом (вакуумные). Такой фотоэлемент представляет собой вакуумную или газонаполненную стеклянную колбу с двумя электродами: фотокатодом, покрытым светочувствительным веществом (например, сплавом сурьмы и цезия), и анодом. Когда кванты света (фотоны) падают на катод, они выбивают из него электроны. Под действием приложенного напряжения эти электроны движутся к аноду, создавая в цепи электрический ток (фототок), сила которого прямо пропорциональна интенсивности падающего света. Это явление описывается уравнением Эйнштейна для фотоэффекта: $E_{ф} = h\nu = A_{вых} + E_{к}$, где $E_{ф}$ — энергия фотона, $A_{вых}$ — работа выхода электрона из металла, а $E_{к}$ — максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона.

2. Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (полупроводниковые). В этих приборах под действием света электроны не покидают вещество, а изменяют его электрические свойства. Это наиболее распространенный тип фотоэлементов. К ним относятся:

• Фоторезисторы: их электрическое сопротивление уменьшается при увеличении освещенности.

• Фотодиоды и фототранзисторы: в них используется p-n-переход. Свет, падающий на переход, генерирует пары носителей заряда (электрон-дырка), которые разделяются электрическим полем перехода, создавая фото-ЭДС (фотогальванический режим) или изменяя обратный ток через переход (фотодиодный режим).

• Солнечные элементы: это разновидность фотодиодов, специально разработанная для максимально эффективного преобразования энергии солнечного света в электричество.

Где он применяется

Благодаря своей способности реагировать на свет, фотоэлементы нашли широчайшее применение в самых разных сферах:

• Автоматика и системы управления: автоматическое открывание и закрывание дверей (при прерывании светового луча); системы автоматического включения и выключения уличного освещения в зависимости от времени суток; турникеты в метро; охранные сигнализации, реагирующие на движение; бесконтактные смесители для воды; счетчики объектов на производственных конвейерах.

• Измерительная и научная аппаратура: фотометры и люксметры для измерения интенсивности света; экспонометры в фотокамерах для определения правильной выдержки; спектрофотометры для химического анализа веществ; колориметры для точного определения цвета; оптические датчики дыма в пожарных извещателях.

• Энергетика: солнечные панели (батареи) для преобразования солнечной энергии в электрическую. Это одно из самых масштабных применений, начиная от питания калькуляторов и часов до обеспечения электроэнергией частных домов, космических станций и промышленных солнечных электростанций.

• Воспроизведение и считывание информации: сканеры штрих-кодов и QR-кодов; оптические приводы CD, DVD и Blu-ray для считывания данных с диска; оптические мыши; в прошлом — для считывания звуковой дорожки с кинопленки.

• Цифровая фото- и видеотехника: матрицы (сенсоры) цифровых фотоаппаратов, видеокамер и камер в смартфонах (ПЗС и КМОП-матрицы) представляют собой массив из миллионов микроскопических фотоэлементов (пикселей), каждый из которых регистрирует яркость попавшего на него света.

• Оптоэлектроника и связь: фотоприемники в волоконно-оптических линиях связи, которые преобразуют световые сигналы, идущие по оптоволокну, обратно в электрические.

Ответ: Фотоэлемент — это прибор, преобразующий световую энергию в электрический сигнал на основе явления фотоэффекта. Он применяется в системах автоматики (например, автоматические двери, уличное освещение), измерительной технике (люксметры, экспонометры), энергетике (солнечные батареи), устройствах для считывания информации (сканеры штрих-кодов, CD/DVD-приводы) и в матрицах цифровых фото- и видеокамер.