APLICATIILE EFECTULUI FOTOELECTRIC

APLICATIILE EFECTULUI FOTOELECTRIC

Efectul fotoelectric este fenomenul de emitere de electroni de catre un metal aflat sub actiunea unei radiatii electromagnetice. Importanta acestui fenomen in dezvoltarea domeniului fizicii consta in a sprijini dualitatea unda-corpuscul a radiatiei electromagnetice.

Explicaia matematic a fenomenului a fost dat de Albert Einstein, pe baza unor ipoteze cuantice formulate de Max Plank.

Au fost necesare aproape trei decenii pentru ca teoria cuantica sa fie acceptata, si multi oameni de stiinta au contribuit la dezvoltarea ei.

A inceput in 1900 cu ipoteza lui Planck asupra cuantelor de energie si a culminat in anul 1925 cu teoria mecanicii cuantice a lui Schrodinger si Heisenberg, teorie care a contribuit la intelegerea structurii materiei.

In anul 1905 Einstein a extins ipoteza cuantelor de energie, propunand o noua teorie a luminii.

Daca pana atunci lumina era considerata o unda, fenomene noi, precum efectul fotoelectric sau efectul Compton, nu mai puteau fi explicate decat daca se admitea ca lumina are caracter corpuscular.

1. DescriereEfectul fotoelectric extern poate fi explicat simplu dac se accept ipoteza c radiaia electromagnetic este format din particule (pe care le numim fotoni). Fiecare foton poart o cantitate de energie proporional cu frecvena de oscilaie a cmpului electromagnetic. La incidena fotonului pe suprafaa unui metal este posibil ca aceast energie s fie transferat unui electron din reeaua cristalin a metalului. Dac energia transferat este suficient pentru ca electronul s depeasc bariera de potenial pus de interfaa dintre metal i vid, atunci electronul poate prsi cristalul i deveni liber. Fiecare metal, prin proprietile sale cristaline, prezint valori diferite ale pragului de energie impus electronilor la prsirea suprafeei, ceea ce explic faptul c metale diferite ncep s emit fotoelectroni de la frecvene diferite. Dintre metale, cele alcaline au pragul de energie cel mai cobort, motiv pentru care se utilizeaz, adesea n amestec, n fotomultiplicatoare i alte aplicaii unde este necesar o sensibilitate spectral extins pn n infrarou.

Energia unui foton poate fi transferat unui singur electron. Astfel, dac energia fotonului este sub pragul de extragere a electronului din cristal, mrirea numrului de fotoni (intensificarea fluxului de lumin) nu poate ajuta la declanarea efectului fotoelectric.O suprafa metalica expusa unui flux de radiaie electromagnetic poate s genereze, n anumite condiii, electroni liberi, care produc un curent electric dac sunt accelerai sub aciunea unui camp electric. Electronii emii prin efectul fotoelectric se numesc fotoelectroni. Experimental s-a constatat c pentru a observa emisia de electroni este nevoie ca radiaia electromagnetic s aib o frecventa deasupra unei limite inferioare care depinde de natura materialului sau, echivalent, lungimea de unda trebuie s fie sub o anumit valoare. Intensitatea fluxului de radiaie incident influeneaz mrimea curentului electric produs, dar nu determin apariia fenomenului.

Efectul se produce nu numai pe metale, ci i pe alte materiale, att conductoare ct i izolatoare, dar conductibilitatea electric a materialului este necesar n aplicaiile n care efectul fotoelectric se detecteaz prin apariia unui curent electric.

2. Legile efectului fotoelectric externI. Intensitatea curentului fotoelectric de saturaie depinde direct proporional de fluxul radiaiei electromagnetic de inciden cnd frecvena este constant.

II. Energia cinetic maxim a fotoelectronilor emii este direct proporional cu frecvena radiaiei electromagnetic incidente i nu depinde de flux.

III. Efectul fotoelectric se produce dac i numai dac frecvena radiaiei electromagnetice incidente este mai mare sau egal dect o constant de material numit "frecvena de prag" sau "pragul rou".

IV. Efectul fotoelectric extern este practic instantaneu.

3. Aplicatii ale efectului fotoelectricEfectul fotoelectric extern a dus la realizarea celulei fotoelectrice, a fotomultiplicatorului si releului fotoelectric.3.1. Celula fotoelectrica

Celula fotoelectrica este alcatuita dintr-un tub de sticla vidat sau continand un gaz inert la presiune redusa care are in interior doi electrozi : catodul (C) format dintr-un strat subtire de metal (Cs, Na, K) depus pe o portiune din peretele tubului si anodul (A) format dintr-o retea de inel sau bobita metalica.

Sub actiunea radiatiilor electromagnetice (vizibile) fotocatodul emite electroni care sunt dirijati spre anod datorita campului electric produs de tensiunea dintre C si A si sunt captati de catre acesta stabilindu-se un curent electric, indicat de galvanometru G. Deci celula fotoelectrica transforma un semnal luminos intr-un semnal electric (fig.1).

Celulele fotoelectrice cu vid sunt mai putin sensibile (curentul fotoelectric se stabileste la valori mai mari ale fluxului radiatiilor electromagnetice), dar sunt lipsite de inertie (intensitatea curentului fotoelectric urmareste prompt si liniar variatia fluxului luminos care cade pe catod); celulele cu gaz sunt mai sensibile dar prezinta o inertie determinata de procesele ce se produc in cazul din tub.

Fig.1.Celula fotoelectricaAlarmele antifurt si sistemele automate de deschidere a usilor (fig.2) utilizeaza adesea circuite cu celula fotoelectrica. Cand o persoana intrerupe fasciculul luminos, anularea brusca a curentului activeaza un comutator care comanda o sonerie sau o usa. Uneori sunt folosite radiatii UV sau IR la alarme, pentru ca sunt invizibile.

Fig.2. Deschiderea automat a uilor halelor i garajelor Multe detectoare de fum folosesc celule fotoelectrice pentru a detecta cantitati infime de fum, care intrerup fluxul luminos si astfel produc scaderea curentului electric (fig.3).

Sonorul unui film ("coloana sonora") poate fi inregistrat intr-o banda ingusta cu innegrire variabila pe o margine laterala a peliculei. Lumina care traverseaza pelicula este astfel "modulata", iar semnalul de iesire al unui detector cu celula fotoelectrica urmareste fidel frecventele din coloana sonora.

Fig.3. Detectoarele de fumCercetatorii din cadrul U.S. Department of National Renewable Energy Laboratory au stabilit un adevarat record mondial in cadrul realizarii celei mai eficiente celule fotoelectrice prin crearea unui dispozitiv fotovoltaic care transforma 40,8% din lumina solara primita direct in electricitate (fig.4).

Fig.4. Panou solar

3.2. Fotomultiplicatorul

Fotomultiplicatorul este alcatuit dintr-un tub de sticla vidat in care se afla un catod C, un anod A si un numar oarecare de electrozi auxiliari numiti dinode (fig. 5). O dinoda este un electrod care bombardat cu un numar de electroni emite un numar mai mare de electroni secundari. Cu ajutorul unui divizor de tensiune format cu ajutorul rezistentelor R1, R2, R3, si R4 fiecare dinoda, incepand cu cea de langa catod, se afla la un potential electric superior celei precedente.

Sub actiunea luminii, fotocatodul emite electroni care sunt accelerati spre dinoda D1 pe care o bombardeaza. Aceasta emite un numar mai mare de electroni care sunt accelerati spre dinoda D2.

La randul ei dinoda D2 emite un numar mai mare de electroni astfel incat, in final la anod va ajunge un numar amplificat de electroni. Prin rezistorul Rs din circuitul anodului se stabileste un curent electric de 106 107 ori mai mare decat in cazul unei celule fotoelectrice.

.

Fig.5. Multiplicatorul

3.3. Releul fotoelectric

Releul fotoelectric este un electromagnet care poate comanda inchiderea si deschiderea unui circuit electric. In cazul releului fotoelectric (fig. 6) lumina cade pe fotocatod si determina aparitia unui camp electric care dupa amplificare strabate electromagnetul al carui camp produce inchiderea circuitului comandat. Avand comenzi comode, sigure si rapide, releul fotoelectric se foloseste la numararea unor obiecte in miscare, la intreruperea automata a functionarii unor masini-unelte cand operatorul a intrat intr-o zona unde este pericol de accidentare, la conectarea automata a retelei de iluminat in momentul intunecarii etc.

Fig.nr.6.

Releul fotoelectric

Posometru (fig.7) este folosit de fotografii profesionisti pentru determinarea iluminarii in vederea reglarii manuale a timpului de expunere. Fig.7.PosometruCititoarele de coduri - o singura dioda emitenta ilumineaza o mica parte dintr-un cod de bare si o fotocelula masoara cantitatea de lumina reflectata (fig.8). Pe masura ce LED-ul si fotocelula se deplaseaza de-a lungul unui cod de bare, tiparul format din linii si spatii este capturat si decodificat. In cazul unui cititor in forma de bagheta, lumina este concentrata de o biluta transparenta situata in varful cititorului; pentru a citi, user-ul trebuie sa treaca bagheta pe deasupra unui cod de bare.

Fig.8 Cititor de coduri

Cititoarele laser (fig.9) folosesc un singur cap de citire mobil pentru a ilumina codul de bare si o singura celula foto-electrica pentru a primi lumina reflectata. Majoritatea acestor cititoare balanseaza raza laser orizontal folosind o oglinda controlata electronic.

Fig.9. Cititor laser

In concluzie, efectul fotoelectric, pe langa faptul ca a jucat un rol important in confirmarea teoriei corpusculare a luminii, are si numeroase aplicatii practice, asa cum rezulta din cele prezentate mai sus.

Realizat de :

Marinescu Andrei Cristian

State Razvan Ionut

Ivan Ionut

Clasa a XII-a I