1. Фотоэлементы вакуумные и газонаполненные
Итак, свет, падая на различные тела, способен «выбивать» из них электроны, способен рождать электрический ток в пространстве. Нужно лишь для разных тел подбирать лучи с соответствующей длиной волны.
Возникает заманчивая мысль — а нельзя ли каким-либо путём использовать этот фотоэлектрический ток? Можно!
На использовании этого тона и работают замечательные физические приборы — фотоэлементы.
По существу первый фотоэлемент был построен уже самим Столетовым при его опытах по изучению фотоэффекта.
Посмотрите на рисунок 4.
Рис. 4. Схема простейшего фотоэлемента.
Вы видите здесь маленький стеклянный пузырёк. Воздух из него откачан. Внутрь этого пузырька впаяны две небольшие проволочки, соединённые с двумя металлическими пластинками. Наружные концы этих проволок присоединены к гальванометру. Сбоку пузырька имеется небольшой отросток, закрытый кварцевым окошком, прозрачным и для видимых, и для ультрафиолетовых лучей. Иными словами, перед нами, по существу, та установка Столетова без батареи, с помощью которой он наблюдал возникновение положительного электрического заряда на незаряженной пластинке при её освещении. Вместе с тем, этот прибор является и первым простейшим фотоэлементом.
Пока лучи не действуют на пластинку, тока в цепи нет. Но достаточно осветить пластинку, как в тот же момент стрелка гальванометра отклонится — в пластинках и в проволочках возникает ток электронов. Этот ток идёт от пластинки, на которую падает свет, через безвоздушное пространство внутри пузырька, к другой пластинке, а оттуда по проволоке, через гальванометр, снова к первой пластинке, т. е. по всей цепи (электрон заряжен отрицательно, а направление тока принято считать совпадающим с направлением движения положительных электрических зарядов, поэтому направление электрического тока в фотоэлементе будет обратным движению фотоэлектронов, то есть между пластинками фотоэлемента — от анода к катоду, а во внешней цепи — от катода к аноду).
Таким образом, здесь энергия лучей, поглощённых металлической пластинкой, превращается в энергию электрического тока.
Отрицательную пластинку фотоэлемента, на которую падают лучи света, принято называть катодом. Вторую пластинку называют анодом.
Однако чувствительность к свету этого фотоэлемента очень невелика: при освещении катода в нём возникает слишком слабый электрический ток. Использовать его для каких-либо практических целей ещё нельзя.
Современные фотоэлементы устроены уже иначе, но по сути дела они не отличаются от своего предка. Пришлось лишь немало поработать над тем, чтобы увеличить их чувствительность к свету и сделать их, таким образом, пригодными для практического использования (о применении фотоэлементов рассказывается в III главе).
Теперь изготовляются самые различные типы фотоэлементов. При этом фотоэлементы отличаются друг от друга не только своим устройством. Различные фотоэлементы по-разному «чувствуют» различные световые лучи. В одних фотоэлементах электрический ток возникает только при освещении, скажем, зелёными или жёлтыми лучами.
Другие работают в том случае, когда на них падает красный свет (именно в этих фотоэлементах используется избирательный, селективный, фотоэффект). Имеются фотоэлементы, которые «чувствуют» только ультрафиолетовые лучи, и т. д.
Кроме того, современные фотоэлементы делятся на две большие группы: вакуумные и газонаполненные.
Вакуумные — это такие фотоэлементы, у которых воздух из стеклянного пузырька откачан по возможности полностью.
Другие фотоэлементы — газонаполненные — заполняют каким-либо инертным газом, который не действует химически на катод, не портит его. Обычно для этой цели применяют газ аргон.
Схема устройства современного фотоэлемента показана на рисунке 5.
Рис. 5. Схема фотоэлемента с центральным анодом.
Светочувствительный слой — катод — покрывает почти всю поверхность стеклянного пузырька, за исключением! небольшого окошка для доступа света. Анод же имеет вид небольшой проволочной петли или дощечки, укреплённой внутри этого пузырька. Такие фотоэлементы производятся на наших заводах в настоящее время. Внешний вид подобного фотоэлемента вы уже видели в начале книжки, на рисунке 1.
Такая форма фотоэлементов выгодна тем, что в них очень хорошо используется свет: лучи, отражённые от какого-нибудь места катода, обязательно попадут на другое место его, затем на третье и т. д. В итоге в этом случае поглощается и используется почти весь свет, попавший внутрь фотоэлемента.
Как можно увеличить светочувствительность фотоэлемента?
Первый и простейший способ увеличения чувствительности этого прибора — как вакуумного, так и газонаполненного — к свету заключается в тем, что в цепь его включают источник электродвижущей силы — батарею с напряжением в несколько десятков, а иногда и в несколько сотен вольт. Отрицательный полюс этой батареи соединяют, как показано на рисунке 6, с катодом фотоэлемента, а положительный полюс — с его анодом.
Рис. 6. Схема фотоэлемента с электрической батареей.
Конечно, и в этом случае в темноте через фотоэлемент ток идти не будет, так как пластинки фотоэлемента разделены безвоздушным пространством или изолирующим слоем газа[3]. Но если катод фотоэлемента осветить, то с батареей мы получим при том же самом освещении во много раз более сильный ток, чем без батареи.
Заполнение фотоэлемента газом также значительно повышает его чувствительность. При одном и том же свете мы можем получить от газонаполненного фотоэлемента ток в несколько раз более сильный, чем от вакуумного. Это объясняется тем, что электроны, быстро летящие от катода к аноду, сталкиваются по пути с атомами газа и ионизуют их, т. е. выбивают из них электроны. После такого столкновения вместо одного первоначального электрона получается два электрона: один первоначальный и один новый, выбитый из атома газа. Оба они летят к аноду. На пути они снова сталкиваются с атомами газа и также ионизуют их. Таким образом вместо двух электронов получается уже четыре. Эти четыре электрона, при новых столкновениях, дают восемь электронов, и т. д. Другими словами — число свободных электронов, летящих к аноду, очень быстро нарастает. Понятно, что такое усиление фототока тем значительнее, чем выше напряжение внешней батареи.
Однако при очень высоком напряжении сам газ начинает проводить электрический ток; в результате через фотоэлемент пойдёт сильный ток и без освещения его: поэтому напряжение от внешней батареи нельзя неограниченно увеличивать. Практически газонаполненные фотоэлементы работают при напряжении в 250–300 вольт.
Отсюда, между прочим, следует, что у газонаполненных фотоэлементов сила фототока не точно пропорциональна количеству падающей световой энергии.
Какие вещества применяются в современных фотоэлементах для изготовления светочувствительной пластинки — катода?
Как уже говорилось, фотоэлектрический эффект можно наблюдать на всех металлах. Однако большинство из них — такие, как медь, железо, платина, никель, вольфрам — чувствительны только к невидимым ультрафиолетовым лучам. Эти металлы вовсе не испускают электронов под действием видимых лучей, а так как обычные источники света — солнце и электрические лампы — содержат ультрафиолетовые лучи в сравнительно небольшом количестве, то все эти металлы, очевидно, не подходят для изготовления катодов фотоэлементов. Только так называемые щелочные металлы: калий, натрий и особенно цезий, чувствительны к видимым лучам. Вот они-то и применяются на практике для изготовления катодов фотоэлементов.
Не следует думать, однако, что катод современного высокочувствительного фотоэлемента представляет собой просто пластинку или толстый массивный слой какого-либо щелочного металла. Чувствительность такого фотоэлемента к свету была бы очень невелика. Опыты показали, что если на металлический слой, скажем на слой серебра или платины, нанести плёнку щелочного металла толщиной всего в один слой атомов, то чувствительность такой плёнки значительно больше, чем чувствительность массивного слон того же щелочного металла. Ещё больше оказывается чувствительность плёнки щелочного металла тогда, когда она нанесена не прямо на слой другого металла, а лежит на тончайшем слое какого-нибудь химического соединения этого щелочного металла, например соединения его с кислородом.
Таким образом, современные так называемые «сложные» катоды фотоэлементов состоят из трёх слоёв. Внизу лежит слой какого-нибудь металла — чаще всего это тонкая плёнка серебра, нанесённая на стекло пузырька фотоэлемента; на этот металлический слой нанесена тончайшая плёнка соединения того или иного щелочного металла с кислородом (окись металла); и уже поверх этой плёнки лежит слой чистого щелочного металла. Таксе устройство имеет, например, катод широко применяемого на практике кислородно-цезиевого фотоэлемента. Здесь на серебре лежит слой окиси цезия, а поверх него — плёнка металла цезия.
Такие сложные катоды в одном существенно отличаются от катодов из чистых металлов. Чувствительность катодов из чистых металлов всё время возрастает, если их освещать лучами всё меньшей и меньшей длины волны. У сложных катодов это не так. Чувствительность их к свету особенно- велика лишь в какой-нибудь одной определённой области длин волн. Она уменьшается как в сторону волн меньшей длины, так и в сторону более длинных волн.
Например, кислородно-цезиевый фотоэлемент особенно чувствителен к красным лучам, которых имеется очень много в излучении обычных источников света.
Эта способность сложных катодов «выбирать» себе особую, «излюбленную» область лучей и получила название «избирательного», «селективного», фотоэффекта.
Широкое распространение получили в последние годы и фотоэлементы с катодом из соединения сурьмы с цезием. Сильнее всего эти фотоэлементы «чувствуют» сине-зелёные лучи. Чувствительность их настолько высока, что при освещении светом одной и той же яркости они дают ток в несколько раз более сильный, чем кислородно-цезиевые фотоэлементы. Отличаются также они исключительно большим сроком службы. Сурьмяно-цезиевые фотоэлементы позволяют передавать фототелеграммы, написанные цветными чернилами и карандашами — синими, красными, зелёными. Большая заслуга в разработке этих фотоэлементов принадлежит нашим учёным.
Сурьмяно-цезиевые и кислородно-цезиевые фотоэлементы — это основные типы фотоэлементов, применяемые в настоящее время в технике. Все они в больших количествах производятся на наших заводах.