фотоэлемент

прибор, в котором под действием падающего на него света возникает электродвижущая сила (фотоЭДС) илиэлектрический ток (фототок). Различают фотоэлементы электровакуумные и полупроводниковые. Используютих в автоматической контрольной и измерительной аппаратуре. Фотоэлемент, действие которого основанона фотоэлектронной эмиссии (внешнем фотоэффекте), представляет собой электровакуумный прибор сдвумя электродами – фотокатодом и анодом, помещёнными в вакуумированный или наполненный газомстеклянный баллон. Фотокатодом служит фоточувствительный слой, нанесённый на участок стекляннойоболочки баллона либо на поверхность металлической пластинки внутри баллона. Анод выполняется в видеметаллического кольца или сетки. Световой поток, падающий на фотокатод, вызывает фотоэлектроннуюэмиссию с поверхности катода. При замыкании электрической цепи фотоэлемента в ней протекает фототок,пропорциональный световому потоку. Первый фотоэлемент, основанный на внешнем фотоэффекте, создалА. Г. Столетов в 1887 г. Фотоэлемент, действие которого основано на внутреннем фотоэффекте,представляет собой полупроводниковый прибор с выпрямляющим полупроводниковым переходом. Призамыкании внешней электрической цепи полупроводникового фотоэлемента через нагрузку начинаетпротекать электрический ток, пропорциональный световому потоку. Фотоэлементы служат приёмникамиоптического излучения, в т. ч. видимого света. Полупроводниковые фотоэлементы используют также дляпрямого преобразования солнечного излучения в электрическую энергию – в солнечных батареях (напр., накосмических станциях), в фотоэлектрических генераторах.

Фоторезистор - полупроводниковый прибор, обладающий свойством изменять свое электрическое сопротивление под воздействием оптического излучения. Через фоторезистор, включенный в электрическую цепь, содержащую источник постоянного тока, протекает электрический ток. При облучении фоторезистора ток увеличивается в результате появления фототока, который пропорционален уровню воздействующего сигнала и совсем не зависит от полярности приложенного к фоторезистору напряжения. Появление фототока в фоторезисторе используется для регистрации излучений. Для изготовления фоторезисторов используют Se, Te, Ge (чистый либо легированный Au, Cu или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, CdS, CdSe, HgCdTe. Характерная особенность этих полупроводниковых материалов – малая ширина запрещенной зоны (например, у InSb она составляет 0,18 эв). Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку либо вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой фоторезистора ( пластинку ) снабжают двумя контактами ( электродами ). Подложку с фоточувствительным слоем и электроды фоторезистора помещают в защитный корпус. Параметры фоторезистора: интегральная чувствительность, определяемая как отношение изменения напряжения на единицу мощности попадающего излучения при номинальном значении напряжения питания, составляет 103–108 в/вт; порог чувствительности, величина минимального сигнала, регистрируемого фоторезистором, отнесённая к единице полосы рабочих частот, достигает 10-12 вт/гц 1/2 постоянная времени, характеризующая инерционность фоторезистора, лежит в пределах 10-3–10-8 сек. Для повышения порога чувствительности и расширения рабочего диапазона длин волн принимаемого излучения фоточувствительный слой некоторых фоторезисторов подвергают охлаждению. Так, охлаждение фоторезистора из PbS до 78 К позволяет на порядок повысить пороговую чувствительность и расширить диапазон длин волн принимаемого излучения с 3,3 мкм до 5 мкм; с глубоким охлаждением (до 4 К) фоторезисторы из Ge, легированного Zn, доводят границу его спектральной чувствительности до 40 мкм. Применения фоторезисторов 1. Пожарные датчики открытого пламени, помехоустойчивы к естественному и искусственному освещению. 2. Пожарные датчики для обнаружения дыма, промышленные и квартирные, с высокой помехоустойчивостью к оптическим и электромагнитным помехам. 3. Датчики пересечения ИК-луча, для охранной сигнализации и промышленности с высокой помехоустойчивостью к оптическим помехам. 4. Датчики качества и контроля непрерывности горения газовых факелов в промышленных котлах, крупных энергетических и технологических установках. 5. Датчики контроля загрязнения воды для систем удаления шлама при водоподготовке на теплоэлектростанциях. 6. Приборы для измерения длины металлического проката на различных скоростях до 10 м/сек с высокой точностью до 0.04 м при длине до 10 м. 7. Измерители мощности импульсных ультрафиолетовых лазеров, фотоприемники для измерения распределения энергии по сечению пучка ультрафиолетового лазера. 8. Устройства для фотоприборов, измеряющих концентрацию сахара в жидкостях, и измеряющих влажность по отраженому свету от поверхности объекта. 9. Устройства и фоторезисторы для многоспектрального параллельного оптического анализа в цветной металлургии, геологии, для аэрокосмонавтики, и в других высокотехнологичных областях для научных исследований и контроля промышленных процессов.

44. ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ - совокупность явлений, связанных с потоками носителей заряда, вызванных градиентом темп-ры и переносом тепла электрич. токомI. К T. я. относят возникновение в замкнутой электрич. цепи, составленной из разных проводников, термоэдс в условиях, когда места контактов поддерживаются при разных темп-pax (Зеебека эффект ).В небольшом интервале темп-р термоэдс U можно считать пропорциональной разности темп-р с коэф. пропорциональности a (коэф. термоэдс, уд. термоэдс): U=a(T₁- T₂). Коэф. a определяется материалами проводников, но зависит также от темп-ры.

Другое T. я.- выделение (или поглощение) тепла (в зависимости от направления тока) в местах контактов разнородных проводников. Кол-во тепла Q пропорционально кол-ву электричества It, прошедшему через контакт: Q = pIt, где I-сила тока, t - время, p - коэф. Пельтье (см. Пельтье эффект).

Как T. я. рассматривается также выделение (или поглощение) тепла в объёме проводника при протекании тока I (в дополнение к теплоте Джоуля), если вдоль проводника существует перепад темп-р: Q = т (T₁- T₂)It, где T₁, T₂-темп-ры на концах проводника, т - коэф. Томсона. Томсон вывел термодинамич. соотношения между p, a, т: p= aT, т= Тдa/дТ (см. Томсона эффект).

Классификация T. я. может быть осуществлена на основе феноменологич. теории переноса явлений. В однородной среде имеют место соотношения

где j_i, q_i , дT/дx_k , E'_k - компоненты векторов плотности тока, плотности потока тепла, град. темп-ры и обобщённого электрич. поля (E' = E+ m/e, где m - хим. потенциал для носителей заряда); s_ik , a_ik , p_ik , -компоненты тензоров электропроводности, термоэдс, Пельтье,теплопроводности. При j = 0 и имеет место эффект Зеебе-ка Е'_i = Sa_ikдT/дx_k . При =0, q_i = Sp_ikj_k - эффект Пельтье.

Большинство полупроводников в отсутствие магн. поля термоэлектрически изотропны, т. е. тензоры s_ik и др--скалярные величины. Для них эффекты Пельтье и Зеебека можно наблюдать только в электрич. цепях, составленных из разнородных материалов.

В термоэлектрически анизотропных материалах (напр., Bi, ZnS) можно наблюдать поперечные эффекты Зеебека и Пельтье, если направления приложенного градиента темп-ры или тока j не совпадают с гл. осями тензоров a_ik, p_ik. В прямоугольной пластинке размерами l_x, l_y , l_z возникают разность потенциалов между боковыми гранями U_y = a_yxDT_xl_y/l_x или поперечный перепад темп-ры . Изменения тензоров a_ik и p_ik в магн. поле приводят к продольным и поперечным термогальвано-магнитным явлениям.

T. я. лежат в основе разл. техн. устройств. Термоэлементы применяются для непосредств. превращения тепловой энергии в электрическую, а также для "перекачки тепла и холода". Согласно теории Иоффе, эффективность термо-генерирующего и охлаждающего термоэлементов определяется параметром

где индексы n к r относятся соответственно к ветвям с электронной и дырочной проводимостью. Если и s_n = s_p, то . Для диэлектриков и для металлов Z мало, а достигает макс. значения в легиров. полупроводниках с концентрацией носителей п~ 10¹⁹ - 10²⁰см^-3.

45. Под телом переменной массы понимается тело, масса которого изменяется вследствие процесса отделения от него или присоединения к нему материальных точек

Теорема об изменении количества движения тела переменной массы

. Уравнение Мещерского

46.

47. В задачах по механике, особенно из раздела «Механическая мощность», часто встречается величина, называемая силой тяги — поезда, автомобиля, самолета, велосипеда и т. п. Что это за сила? Какова ее природа?

Иногда можно услышать ответ, что, поскольку автомобиль, например, приводится в движение двигателем, то и сила тяги действует со стороны двигателя. Это, конечно, не так. Внутренние силы, действующие со стороны одной части системы на другую, не могут изменить скорость системы как целого — это противоречило бы закону сохранения импульса. Тогда становится ясно, что надо рассматривать силы, действующие на транспортное средство извне, со стороны внешнего мира. Так, в случае автомобиля или поезда сила тяги — это сила трения покоя, действующая на ведущие колеса со стороны дороги, в случае самолета — сила реакции отбрасываемого назад воздуха. Правда, для того чтобы сила трения покоя была направлена вперед, двигатель должен вращать колеса в нужном направлении, заставляя их как бы цепляться за дорогу и создавать силу тяги. Так что без двигателя действительно далеко не уедешь...

Зачем же вводить некую силу тяги, а не писать прямо «сила трения покоя» или «сила реакции воздуха»? Оказывается, удобно все силы, действующие на транспортное средство со стороны окружающих тел, разделить на две части: одну часть назвать силой тяги F_T, а другую — силой сопротивления F_C. В этом случае, во-первых, приобретают универсальный вид уравнения движения. Так, для автомобиля, поднимающегося в гору с уклоном α, запишем

FT−FC−mgsinα=ma . (1)

Во-вторых, через силу тяги весьма просто выражается полезная механическая мощность:

P0=FTυ , (2)

где υ — скорость транспортного средства. (Как будет показано дальше, эту формулу можно считать в каком- то смысле определением полезной мощности транспортного средства.) Формулы (1) и (2) вместе позволяют понять многие процессы, происходящие при разгоне или движении транспортных средств.

Например, автомобилисты знают, что при разгоне автомобиля по горизонтальной дороге невыгодно включать большую мощность на малых скоростях. И действительно — когда сила тяги, равная P0υ, достигнет максимальной силы трения покоя μN, начнется пробуксовка колес, что является крайне нежелательным. А максимальную мощностьP_max можно использовать только при достижении скорости υ0=PmaxμN, а до этого мощность надо плавно наращивать. Наверное, большинство из вас все это хорошо понимают и так, и взяться за написание этой заметки меня заставило совсем другое. Дело в том, что формула для полезной мощности (2), соответствуя внешне определению механической мощности и поэтому не привлекая особого внимания, содержит в себе неожиданный парадокс. Должен признаться, что сам я долгое время не обращал на него никакого внимания. В чем же он заключается?

Как уже говорилось, сила тяги автомобиля, например, есть не что иное, как сила трения покоя, приложенная со стороны дороги к нижним точкам ведущих колес. Но эти точки (разумеется, если колеса не проскальзывают) касаются дороги, т. е. имеют скорость, равную нулю. Значит, работа силы трения покоя, а следовательно, и работа силы тяги, равна нулю!

В первый момент, когда я это понял, у меня возникло ощущение легкого испуга. Нет, я не испугался за закон сохранения энергии — энергия совсем не обязательно должна поступать в систему извне. Хотя внутренние силы, возникающие при работе двигателя, не способны изменить импульс системы, они вполне могут изменить ее энергию. Например, если в двигателе используется энергия сгорания топлива, то часть этой энергии при работе двигателя теряется, а часть превращается в полезную механическую энергию. А вот при отсутствии в системе двигателя, поставляющего необходимую энергию, внешняя сила тяги должна быть «устроена» так, чтобы самой совершать работу. (Пример: при буксировке автомобиля с выключенным двигателем роль силы тяги играет сила натяжения троса.)

Неприятность заключалась в другом — универсальная формула (2) потеряла свою очевидность. Стало неясно, можно ли ее в таком простом виде использовать для решения различных задач или придется в каждом случае специально вычислять полезную мощность, опираясь на конкретное устройство двигателя.

Рассмотрим, например, игрушечный автомобиль, где источником энергии является энергия упругой деформации пружины. Для упрощения пренебрежем массой колес и пружины. Полезную работу в этом случае совершает сила, приложенная к корпусу автомобиля, которая равна сумме силы F⃗ 0, действующей на ось колеса, и силы натяжения F⃗ n действующей на стенку корпуса; следовательно,

P0=(F0−Fn)υ .

Так как масса колеса равна нулю, сумма всех действующих на него сил равна нулю, т. е.

F0=FT+Fn .

Поэтому P₀, как и в формуле (2), оказывается равной произведению F_Tυ. В чем же дело? Может быть, это случайность?

Чтобы понять причину такого совпадения, задумаемся о том, что мы называем полезной механической работой при движении транспортного средства любой природы в общем случае. Во-первых, это работа против сил сопротивления A1=FCΔl, во-вторых, работа по увеличению кинетической энергии поступательного движения A2=mυ222−mυ212и, в-третьих, работа по изменению потенциальной энергии A3=mgΔh. К потерянной энергии относят тепловые потери в механизме, кинетическую энергию вращения колес, движения шатунов, поршней и т. д., другими словами — все, что не входит в энергию поступательного движения транспортного средства как целого.

Теперь — немного математики. Умножим обе части формулы (1) на Δl. Учитывая, что maΔl=mυ222−mυ212, a mgΔlsinα=mgΔh, запишем

FTΔl=FCΔl+(mυ222−mυ212)+mgΔh .

Получается, что величина, формально составленная как работа силы тяги F_T на пути Δl (на самом деле сила тяги работы не совершает), в точности равна полезной работе A₁ +A₂ + A₃. Следовательно, полезную мощность можно смело вычислять по формуле (2)!

Итак, мы выяснили, что сила тяги, определенная как внешняя сила, входящая в уравнение движения (1), работы не совершает, так как она приложена к неподвижной точке колеса. Кроме того, та часть работы двигателя, которую называют полезной, равна работе силы тяги, как если бы она была приложена не к неподвижной точке, а к движущемуся корпусу транспортного средства. Но самое главное — мы еще раз убедились в том, что за привычными и обыкновенными, на первый взгляд, понятиями часто скрываются неожиданные вопросы и парадоксы, над которыми полезно и интересно поразмышлять.