فوتوسل – به زبان ساده

آیا تاکنون به چگونگی عملکرد شیر‌های دستشویی اتوماتیک فکر کرده‌اید؟ به باز شدن خودکار درهای برقی کشویی چطور؟ به چگونگی انرژی تامین شده ماشین حساب‌هایی که نمونه‌ای از آن در تصویر زیر آورده شده است، چطور؟ اساس کار همه موارد فوق، وسیله‌ای موسوم به سلول فوتوالکتریک یا فوتوسل است.

فوتوالکتریک چیست؟

می‌دانیم که کلمه «Photo» به معنی نور است. پس به طور ساده، فوتوالکتریسیته را می‌توانیم تولید برق (جریان الکتریکی) به وسیله نور معنی کنیم. پدیده فوتوالکتریک امروزه به واسطه پنل‌های خورشیدی (Solar Cells) برای همگان آشنا است. اثر فوتوالکتریک اولین بار در سال 1887 توسط دانشمند آلمانی مشهور، «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz) کشف شد. اما تا سال‌های زیادی چرایی و سازوکار این اثر ناشناخته باقی ماند تا در سال 1905 میلادی توسط «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) به طور کامل تشریح شد.

$$\large K_{e}=hf-hf_{0}$$

در رابطه فوق، $$hf_{0}=\phi$$ تابع کار ماده بوده و بیانگر حداقل انرژی لازم جهت آزادسازی الکترون‌ها است. دلیل رخ ندادن اثر فوتوالکتریک برای تمامی طول موج‌ها در رابطه فوق کاملاً مشخص است. همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، تابع کار ماده وابسته به فرکانس موج تابشی است. به طور مثال اگر برای آزاد کردن الکترون از سطحی خاص، نوری با فرکانس آبی لازم باشد، نمی‌توان با نور قرمز که فرکانسی پایین‌تر (انرژی کمتر) دارد، این کار را انجام داد. حتی اگر شدت نور قرمز را بسیار زیاد کنیم، این امر حاصل نمی‌شود. چرا که انرژی لازم جهت کندن الکترون در فرکانس‌های آبی به بالا، فراهم می‌شود.

فوتوسل و فوتوالکتریسیته

همان‌طور که بیان کردیم، «فوتوالکتریسیته» (Photoelectricity) به معنی تبدیل انرژی نوری (انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی) به انرژی الکتریکی است. این امر به سه طریق مختلف که در زیر به معرفی آن‌ها می‌پردازیم، رخ می‌دهد.

فیلم آموزش شبیه‌سازی افزاره‌های نیمه‌رسانا با Silvaco در فرادرس

کلیک کنید

رسانای حساس به نور (Photoconductive)

در واقع با برخورد نور به سلول، مطابق با اثر فوتوالکتریک، نور تابشی به جریانی الکتریکی تبدیل شده و به جریان عبوری از LDR اضافه می‌شود. در اینجا نور تابش شده با تولید فوتوالکترون‌هایی در داخل ماده (افزایش الکترون‌های آزاد) باعث کاهش مقاومت الکتریکی آن می‌شود. برای درک بهتر کاربرد فتوسل، پیشنهاد می‌کنیم ویدیوی آموزشی زیر را مشاهده کنید:

از کاربرد‌های مهم مقاومت‌های حساس به نور (LDR)، استفاده در شیرآلات اتوماتیک یا در‌های کشویی اتوماتیک است. به طور ساده ساختار ماده مورد استفاده در آن‌ها به گونه‌ای است که توسط نور (موج) مادون قرمز محیط به طور پیوسته جریان ثابتی را تولید می‌کند. هنگامی که دست یا بدن شما جلوی این مقاومت قرار بگیرد، میزان نور ورودی به مقاومت LDR تغییر می‌کند. در نتیجه مقاومت تغییر پیدا کرده به منزله تغییر جریان بوده که مدار الکترونیکی تعبیه شده در آن تغییرات جریان را تشخیص می‌دهد. آنگاه دستور مربوطه (باز شدن مسیر آب یا باز شدن در یا ...) صادر می‌شود.

فوتوولتائیک (Photovoltaic)

فوتوتیوب (phototube) یا Photoemissive

فوتوتیوب‌ها را می‌توان یکی از قدیمی‌ترین نمونه‌های فوتوسل دانست که به طرز ماهرانه‌ای طراحی شده‌اند. ساختار کلی یک فوتوتوب در شکل زیر آمده است:

با تابش نور به کاتد، الکترون‌های آزاد شده به سمت آند آمده و از طریق آن به مدار هدایت می‌شوند.

یکی از کاربرد‌های این نوع ساختار، تقویت کننده‌هایی هستند که از چندین لایه کاتد تشکیل شده‌اند. در واقع در این حالت نور یا فوتون‌های تابشی توانایی آزاد کردن تعداد بیشتری الکترون را داش

ته که در نتیجه، یک سیگنال نوری به کیفیت بهتری تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود (گیرنده‌های نوری را در نظر بگیرید). این مدل طراحی به Photomultiplier معروف است.

همان‌طور که ملاحظه کردید، هر ۳ نوع فوتوسل معرفی شده در فوق، توانایی تشخیص نور یا تبدیل آن به جریان (سیگنال) الکتریکی را دارند. اما بکارگیری هر کدام از آن‌ها متفاوت است. پس به داریم:

• در سلول‌های رسانای نوری یا همان مقاومت‌های حساس به نور، با تابش نور و رخ دادن اثر فوتوالکتریک، جریان الکترون‌ها افزایش پیدا کرده و در نتیجه مقاومت کاهش می‌یابد.
• در سلول‌های فوتوولتایی، الکترون‌های آزاد شده در پدیده فوتوالکتریک،َ بین لایه‌هایی از جنس نیمه هادی حرکت کرده و در نتیجه اختلاف پتانسیل و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.
• در سلول‌های PhotoEmissive یا همان فوتوتیوب‌ها، الکترون‌های آزاد شده از کاتد به آند رفته و از طریق یک مدار خارجی ایجاد جریان می‌کنند.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• آموزش طراحی نیروگاه فتوولتائیک با نرم افزار PVsyst (پی وی سیست)
• دی الکتریک — به زبان ساده
• ضریب شکست و روش عملی محاسبه آن — به زبان ساده
• گرافن چیست؟ — به زبان ساده

^^