您是否曾經(jīng)去過那些洗手間，當您在下面揮動雙手時，水龍頭會自動打開?或走路 通過一扇剛走近就打開的電動門?或 您的家裝有看不見的“魔眼”光束，可以“絆倒” 向上“入侵者通過發(fā)出警報?或者也許你有一個 用內(nèi)置一點太陽能電池板發(fā)電的計算器?都 這些事情是例子 光電電池 (有時 稱為光電管)——在以下情況下發(fā)電的電子設(shè)備： 光線落在他們身上。它們是什么，它們是如何工作的?讓我們來一個 仔細看!

　　照片：這個袖珍計算器上的迷你太陽能電池板使用類型 被稱為光伏的光電電池：當光線落在上面時，它會產(chǎn)生足夠的電壓來為顯示器和內(nèi)部的電子設(shè)備供電。

　　什么是光電?

　　“照片”是指 光，所以光電只是意味著 電力 由光束產(chǎn)生。這個想法在21世紀似乎一點也不罕見。 世紀，大多數(shù)人都聽說過 太陽能電池板 (塊 材料，例如硅，在以下情況下產(chǎn)生電流 陽光照在他們身上)。但想象一下 光電的 影響 一定是一個多世紀前的1887年， 當它首次被德國物理學家海因里希·赫茲發(fā)現(xiàn)時 (1857-1894)，先驅(qū)之一 收音機.它仍然是一個 神秘了近20年，直到阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein)用 1905年幾乎完全解釋了這一現(xiàn)象。

　　什么是光電效應(yīng)?

　　照片：阿爾伯特·愛因斯坦獲得諾貝爾獎不是因為相對論——他最著名的 對物理學的貢獻——但他早期在光電效應(yīng)方面的工作。照片由 美國國會圖書館.

　　"能量量子穿透材料表面，它們各自的 能量至少部分地轉(zhuǎn)化為電子的動能。

　　阿爾伯特·愛因斯坦，《物理學年鑒》，第17卷，1905年。光如何神奇地將自己轉(zhuǎn)化為電能?它不像 聽起來很奇怪。例如，我們知道光是一種 電磁 能源：它以相同的方式傳播(并且在同一 速度)作為 X射線, 微波, 無線電波等 電磁.我們也知道，能源可以很容易地 從一種轉(zhuǎn)化為另一種：勢能可以是 轉(zhuǎn)化為動能，其中任何一種都可以轉(zhuǎn)化為 熱 或 聲音.因此，光可能變成電的想法并不是 這一切都令人驚訝。

　　然而，當光電在1905年首次被解釋時，它標志著 科學革命的開始。做 阿爾伯特·愛因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)解釋說，一束光束照射在 像一塊金屬的東西，可以被認為是一列火車 高能粒子稱為 光子.光子通過了他們的 固定量的能量到金屬內(nèi)部的原子，敲打一些 它們的電子從它們中出來，因此產(chǎn)生電流。

　　藝術(shù)品：光電效應(yīng)：當光子(左)撞擊金屬板時，它們將能量傳遞給金屬中的電子(橙色)，將其中一些電子擊倒以產(chǎn)生電流。你可能認為更亮或更近(更強烈)的光會擊倒能量更大的電子，但事實并非如此。發(fā)射電子的能量不取決于光的強度，而是取決于它的顏色(頻率)：頻率越高，光子的能量就越多，它們就越能傳遞給金屬中的電子。高頻紫光的光子比低頻紅光的光子具有更多的能量，因此它們更有可能擊倒電子(并以更高的能量釋放它們)。光子需要最小值 閾值頻率 (最小能量)釋放電子并產(chǎn)生光電效應(yīng)，稱為 工作功能.在這里顯示的例子中，紫色光子有足夠的能量來敲除電子，但紅色光子沒有。

　　正如愛因斯坦在數(shù)學上展示的那樣，入射光子的能量精確地 與光的頻率或波長有關(guān) 發(fā)光和相等 到他們噴射的電子的能量。愛因斯坦的解釋 的光電效應(yīng)是能量可以 僅以固定數(shù)量存在，稱為 量子.(換句話說，你可以獲得能量 家庭大小的包裝，但你不能把包裝分開更小! 這成為中心 元素 量子理論：復雜的數(shù)學 解釋原子和粒子的神秘世界 潛伏在他們體內(nèi)。正是由于這項關(guān)于光電的工作，愛因斯坦贏得了 這 1921年諾貝爾物理學獎.

　　三種類型的光電

　　光電是關(guān)于光能轉(zhuǎn)化為電能，它 發(fā)生在三種不同的(盡管從表面上看，非常相似) 方式。它們被稱為光導、光發(fā)射和 光伏效應(yīng)——我們將依次研究每一個。

　　順便說一句，當我在本文中談?wù)摴鈺r，我不僅指 我們可以看到的“可見”光：光電電池也可以使用 不可見的光形式，例如 紅外線和紫外線: 光敏材料可以“看到”并響應(yīng)頻率 我們自己眼睛敏感范圍之外的光線。

　　光 電導

　　照片：典型的光相關(guān)電阻器 (LDR)。

　　這是三種效應(yīng)中最容易理解的。當我還是一個 少年，我記得我短暫地玩過一個 電子的 稱為 光相關(guān)電阻器 (LDR).就像一個 帶有兩個端子的小按鈕從后面出來，你可以 焊料 它進入一個電路，就像任何其他電路一樣 電阻器.表面 “按鈕”有一個 鏡頭 在它之上 (集中入射光)并且在鏡頭下方，那里 是一塊由類似 硫化鈣，具有蛇狀的電氣連接模式 它。在黑暗或正常光線下，LDR具有相當高的電阻 但是如果你直接用光照射它，阻力就會降低 非常戲劇性：LDR將入射光轉(zhuǎn)換為 電能并將其添加到已經(jīng)通過的電流中 通過。這是光導效應(yīng)的一個例子，其中 光會降低材料的電阻(或增加其電阻) 電導，如果您愿意)通過使 電子 里面更多 移動。

　　光伏

　　相片：由光伏電池制成的屋頂太陽能電池板。

　　小型太陽能電池板在諸如 計算器 和 數(shù)字 手表 是 有時稱為光伏電池。他們有點像 二極管，由放置在頂部的兩層半導體材料制成 彼此之間。頂層是富電子的，底層是， 電子差。當你在頂層發(fā)光時，電子會跳躍 從底層向上到頂層，產(chǎn)生可以驅(qū)動 通過外部電路的電流 - 因此提供我們認為 太陽能。在我們的主要文章中閱讀有關(guān)光伏的更多信息 太陽能電池.

　　光發(fā)射

　　照片：一個基本的光電管。

　　光發(fā)射細胞是將光轉(zhuǎn)化為最古老，最精細的方式 電力。它們是密封的 玻璃 真空管(空氣來自其中 已被完全移除)，里面有一個大金屬 用作負極端子(或陰極)的板，具有較小的， 帶正電的棒狀端子(或陽極)在其內(nèi)部運行。 負極端子由光敏材料制成。什么時候 光光子落在它上面，它們迫使電子從它身上跳出來， 這些被迅速吸引到正極端子上，該正極端子收集 它們并將它們引導到電路中，產(chǎn)生電力。這 基本設(shè)計稱為 光發(fā)射池 或 光電管. 在一個略有不同的設(shè)計中，稱為 光電 倍增 管, 有一整套的盤子排列成一個 入射光子有效地釋放多個電子 放大 入射光信號，因此會產(chǎn)生更大的電響應(yīng)。

　　圖稿：三種類型的光電電池的摘要。

　　1)光導——光增加電子流動，降低電阻。

　　2)光伏——光使電子在層之間移動，在外部電路中產(chǎn)生電壓和電流。

　　3)光發(fā)射—光將電子從陰極敲到陽極，使電流流過外部電路。

　　光電電池的用途是什么?

　　照片：安裝在我居住的建筑物外的光電安全燈：當光電探測器(底部)感應(yīng)到運動時，燈(頂部)會自動打開幾分鐘。

　　所有三種類型的光電電池都可以檢測光或?qū)⑵滢D(zhuǎn)換為 電力，但實際上它們的用途完全不同。

　　電力生產(chǎn)商

　　像微型 電廠, 光伏電池旨在產(chǎn)生 穩(wěn)定的有用電力供應(yīng)。從小 太陽能電池 上 電子計算器到完全光伏屋頂，他們的工作是 本質(zhì)上是為了產(chǎn)生我們可以的持續(xù)電力供應(yīng) 用于為電器供電或存放 電池 為以后。

　　照片：如何區(qū)分雄性蒼蠅和雌性蒼蠅?瓜蠅蛹是 棕色(如果他們是男性)或白色(如果他們是女性)。可以通過將它們倒入光電中來分離它們 分揀機將光照射在每個蛹上，用光電管檢測反射回來的光量，然后篩選 將蛹根據(jù)其顏色放入一個盒子或另一個盒子中。相同的設(shè)備可用于分選種子。 照片Stephen Ausmus由 美國農(nóng)業(yè)部農(nóng)業(yè)研究服務(wù).

　　光探測器

　　光敏電池(如光依賴性電阻器)更有可能用作 自動洗手間水龍頭、入侵器等中的光探測器 警報，自動打開的門口， 煙霧報警器, 一氧化碳探測器，等等。通常，它們的光束 紅外光永久照射在光相關(guān)電阻器和 產(chǎn)生穩(wěn)定的電流。當您移動到 檢測器，你打破光束并阻止光到達電阻，所以它的電阻 變化，它突然產(chǎn)生的電流要少得多。電子電路檢測 電流的變化并觸發(fā)電路的任何動作 設(shè)計用于拍攝 - 打開水龍頭，打開門，發(fā)出聲音 警報，或者其他什么。還使用光導電池 作為光探測器 相機 以及用于讀取和解碼 老式電影卷軸上的配樂。這 CCD 或 CMOS 圖像傳感器 捕獲 您的照片 數(shù)碼相機 或者智能手機是同一想法的更復雜的版本。在武器中，一些設(shè)計的近炸引信使用光電電池來檢測 當導彈到達目標時。導彈發(fā)射光(或無線電波)和機載 光電電池(或無線電接收器)“監(jiān)聽”反射。當反射波突然增加時， 導彈假設(shè)它靠近目標并引爆。

　　照片：典型的二戰(zhàn)光電近炸引信：T-4，日期 從 1941 年開始。當機載光電管檢測到光強度的突然變化時，它就會引爆。 照片由 美國國家標準與技術(shù)研究院數(shù)字館藏”，蓋瑟斯堡，馬里蘭州 20899。

　　光放大器

　　光管最初也被用作光探測器，但它們相對而言 繁瑣、精致且昂貴;更小、更便宜的電子產(chǎn)品 像LDR這樣的組件現(xiàn)在更廣泛地用作光探測器。 光電倍增管仍然用于科學應(yīng)用，例如 檢測不同種類的輻射，以及在諸如 夜視鏡，它們增強了夜晚昏暗的光線 場景，以便可以更清楚地看到它。