Фотоэлемент — это устройство, которое сыграло ключевую роль в истории кино, позволив преобразовать немое кино в звуковое. Принцип его работы основан на превращении световой энергии в электрический ток. В кинематографе фотоэлемент использовался для «чтения» звуковой дорожки на плёнке и последующей передачи звука зрителям через специальное оборудование.
История создания и устройство фотоэлемента
Первый фотоэлемент был изобретён в конце XIX века профессором Московского университета Александром Григорьевичем Столетовым. Конструктивно фотоэлемент представляет собой стеклянный баллон, внутри которого находятся два электрода. В центре расположено металлическое кольцо — анод, а большая часть внутренней поверхности баллона покрыта тонким слоем светочувствительного металла, обычно цезия, который выполняет роль катода. Чтобы предотвратить окисление электродов, из баллона удалён воздух, а вместо него добавлен инертный газ, например гелий, который также повышает чувствительность прибора.
Принцип работы фотоэлемента
Если подключить к аноду и катоду батарею и чувствительный измерительный прибор — гальванометр, то при освещении фотоэлемента стрелка гальванометра отклонится. Это свидетельствует о возникновении электрического тока внутри прибора. Причина этого явления заключается в энергии световых лучей: свет, падая на светочувствительный слой цезия, выбивает с его поверхности электроны. Анод, подключённый к положительному полюсу батареи, притягивает эти электроны, создавая поток заряженных частиц, который и образует электрический ток во внешней цепи. Сила этого тока напрямую зависит от освещённости: чем ярче свет, тем больше электронов высвобождается и тем сильнее ток.
Современные аналоги: фотодиоды
У фотоэлемента есть более современный и эффективный аналог — полупроводниковый фотодиод. Он отличается компактными размерами, высокой чувствительностью и быстродействием. В отличие от хрупкого стеклянного баллона фотоэлемента, фотодиод представляет собой небольшой кристалл полупроводника с p-n-переходом. При освещении на электродах фотодиода возникают противоположные электрические заряды, и если подключить нагрузку, например резистор, через неё начинает протекать постоянный ток. Таким образом, фотодиод также непосредственно преобразует световую энергию в электрическую.
Области применения фотоэлементов и фотодиодов
Перспективы использования этих устройств весьма широки. Они активно применяются в различных областях:
- Автоматика и телемеханика: Фотоэлементы и фотодиоды являются ключевыми компонентами в системах автоматического управления, охранной сигнализации и телемеханических устройствах (подробнее см. Автомат, автоматика и Телемеханика).
- Связь и киноаппаратура: Они используются в факсимильной связи и кинооборудовании для обработки звука и изображения.
- Фотография: Важнейшей частью экспонометра — прибора для определения правильной выдержки при фотосъёмке — является фотодиод. Он подключён к гальванометру, по отклонению стрелки которого фотограф оценивает освещённость сцены.
- Энергетика: Миниатюрные фотодиоды, объединённые в солнечные батареи, способны преобразовывать солнечный свет в электроэнергию. Такие батареи используются для питания портативной электроники (например, радиоприёмников), зарядки аккумуляторов, а также являются основным источником энергии для многих космических аппаратов.
Таким образом, от революционного изобретения Столетова до современных солнечных панелей, технологии преобразования света в электричество продолжают развиваться и находить новые, важные применения в науке, технике и повседневной жизни.