您是否曾经去过那些洗手间，当您在下面挥动双手时，水龙头会自动打开?或走路 通过一扇刚走近就打开的电动门?或 您的家装有看不见的“魔眼”光束，可以“绊倒” 向上“入侵者通过发出警报?或者也许你有一个 用内置一点太阳能电池板发电的计算器?都 这些事情是例子 光电电池 (有时 称为光电管)——在以下情况下发电的电子设备： 光线落在他们身上。它们是什么，它们是如何工作的?让我们来一个 仔细看!

　　照片：这个袖珍计算器上的迷你太阳能电池板使用类型 被称为光伏的光电电池：当光线落在上面时，它会产生足够的电压来为显示器和内部的电子设备供电。

　　什么是光电?

　　“照片”是指 光，所以光电只是意味着 电力 由光束产生。这个想法在21世纪似乎一点也不罕见。 世纪，大多数人都听说过 太阳能电池板 (块 材料，例如硅，在以下情况下产生电流 阳光照在他们身上)。但想象一下 光电的 影响 一定是一个多世纪前的1887年， 当它首次被德国物理学家海因里希·赫兹发现时 (1857-1894)，先驱之一 收音机.它仍然是一个 神秘了近20年，直到阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein)用 1905年几乎完全解释了这一现象。

　　什么是光电效应?

　　照片：阿尔伯特·爱因斯坦获得诺贝尔奖不是因为相对论——他最著名的 对物理学的贡献——但他早期在光电效应方面的工作。照片由 美国国会图书馆.

　　"能量量子穿透材料表面，它们各自的 能量至少部分地转化为电子的动能。

　　阿尔伯特·爱因斯坦，《物理学年鉴》，第17卷，1905年。光如何神奇地将自己转化为电能?它不像 听起来很奇怪。例如，我们知道光是一种 电磁 能源：它以相同的方式传播(并且在同一 速度)作为 X射线, 微波, 无线电波等 电磁.我们也知道，能源可以很容易地 从一种转化为另一种：势能可以是 转化为动能，其中任何一种都可以转化为 热 或 声音.因此，光可能变成电的想法并不是 这一切都令人惊讶。

　　然而，当光电在1905年首次被解释时，它标志着 科学革命的开始。做 阿尔伯特·爱因斯坦(Albert Einstein，1879-1955)解释说，一束光束照射在 像一块金属的东西，可以被认为是一列火车 高能粒子称为 光子.光子通过了他们的 固定量的能量到金属内部的原子，敲打一些 它们的电子从它们中出来，因此产生电流。

　　艺术品：光电效应：当光子(左)撞击金属板时，它们将能量传递给金属中的电子(橙色)，将其中一些电子击倒以产生电流。你可能认为更亮或更近(更强烈)的光会击倒能量更大的电子，但事实并非如此。发射电子的能量不取决于光的强度，而是取决于它的颜色(频率)：频率越高，光子的能量就越多，它们就越能传递给金属中的电子。高频紫光的光子比低频红光的光子具有更多的能量，因此它们更有可能击倒电子(并以更高的能量释放它们)。光子需要最小值 阈值频率 (最小能量)释放电子并产生光电效应，称为 工作功能.在这里显示的例子中，紫色光子有足够的能量来敲除电子，但红色光子没有。

　　正如爱因斯坦在数学上展示的那样，入射光子的能量精确地 与光的频率或波长有关 发光和相等 到他们喷射的电子的能量。爱因斯坦的解释 的光电效应是能量可以 仅以固定数量存在，称为 量子.(换句话说，你可以获得能量 家庭大小的包装，但你不能把包装分开更小! 这成为中心 元素 量子理论：复杂的数学 解释原子和粒子的神秘世界 潜伏在他们体内。正是由于这项关于光电的工作，爱因斯坦赢得了 这 1921年诺贝尔物理学奖.

　　三种类型的光电

　　光电是关于光能转化为电能，它 发生在三种不同的(尽管从表面上看，非常相似) 方式。它们被称为光导、光发射和 光伏效应——我们将依次研究每一个。

　　顺便说一句，当我在本文中谈论光时，我不仅指 我们可以看到的“可见”光：光电电池也可以使用 不可见的光形式，例如 红外线和紫外线: 光敏材料可以“看到”并响应频率 我们自己眼睛敏感范围之外的光线。

　　光 电导

　　照片：典型的光相关电阻器 (LDR)。

　　这是三种效应中最容易理解的。当我还是一个 少年，我记得我短暂地玩过一个 电子的 称为 光相关电阻器 (LDR).就像一个 带有两个端子的小按钮从后面出来，你可以 焊料 它进入一个电路，就像任何其他电路一样 电阻器.表面 “按钮”有一个 镜头 在它之上 (集中入射光)并且在镜头下方，那里 是一块由类似 硫化钙，具有蛇状的电气连接模式 它。在黑暗或正常光线下，LDR具有相当高的电阻 但是如果你直接用光照射它，阻力就会降低 非常戏剧性：LDR将入射光转换为 电能并将其添加到已经通过的电流中 通过。这是光导效应的一个例子，其中 光会降低材料的电阻(或增加其电阻) 电导，如果您愿意)通过使 电子 里面更多 移动。

　　光伏

　　相片：由光伏电池制成的屋顶太阳能电池板。

　　小型太阳能电池板在诸如 计算器 和 数字 手表 是 有时称为光伏电池。他们有点像 二极管，由放置在顶部的两层半导体材料制成 彼此之间。顶层是富电子的，底层是， 电子差。当你在顶层发光时，电子会跳跃 从底层向上到顶层，产生可以驱动 通过外部电路的电流 - 因此提供我们认为 太阳能。在我们的主要文章中阅读有关光伏的更多信息 太阳能电池.

　　光发射

　　照片：一个基本的光电管。

　　光发射细胞是将光转化为最古老，最精细的方式 电力。它们是密封的 玻璃 真空管(空气来自其中 已被完全移除)，里面有一个大金属 用作负极端子(或阴极)的板，具有较小的， 带正电的棒状端子(或阳极)在其内部运行。 负极端子由光敏材料制成。什么时候 光光子落在它上面，它们迫使电子从它身上跳出来， 这些被迅速吸引到正极端子上，该正极端子收集 它们并将它们引导到电路中，产生电力。这 基本设计称为 光发射池 或 光电管. 在一个略有不同的设计中，称为 光电 倍增 管, 有一整套的盘子排列成一个 入射光子有效地释放多个电子 放大 入射光信号，因此会产生更大的电响应。

　　图稿：三种类型的光电电池的摘要。

　　1)光导——光增加电子流动，降低电阻。

　　2)光伏——光使电子在层之间移动，在外部电路中产生电压和电流。

　　3)光发射—光将电子从阴极敲到阳极，使电流流过外部电路。

　　光电电池的用途是什么?

　　照片：安装在我居住的建筑物外的光电安全灯：当光电探测器(底部)感应到运动时，灯(顶部)会自动打开几分钟。

　　所有三种类型的光电电池都可以检测光或将其转换为 电力，但实际上它们的用途完全不同。

　　电力生产商

　　像微型 电厂, 光伏电池旨在产生 稳定的有用电力供应。从小 太阳能电池 上 电子计算器到完全光伏屋顶，他们的工作是 本质上是为了产生我们可以的持续电力供应 用于为电器供电或存放 电池 为以后。

　　照片：如何区分雄性苍蝇和雌性苍蝇?瓜蝇蛹是 棕色(如果他们是男性)或白色(如果他们是女性)。可以通过将它们倒入光电中来分离它们 分拣机将光照射在每个蛹上，用光电管检测反射回来的光量，然后筛选 将蛹根据其颜色放入一个盒子或另一个盒子中。相同的设备可用于分选种子。 照片Stephen Ausmus由 美国农业部农业研究服务.

　　光探测器

　　光敏电池(如光依赖性电阻器)更有可能用作 自动洗手间水龙头、入侵器等中的光探测器 警报，自动打开的门口， 烟雾报警器, 一氧化碳探测器，等等。通常，它们的光束 红外光永久照射在光相关电阻器和 产生稳定的电流。当您移动到 检测器，你打破光束并阻止光到达电阻，所以它的电阻 变化，它突然产生的电流要少得多。电子电路检测 电流的变化并触发电路的任何动作 设计用于拍摄 - 打开水龙头，打开门，发出声音 警报，或者其他什么。还使用光导电池 作为光探测器 相机 以及用于读取和解码 老式电影卷轴上的配乐。这 CCD 或 CMOS 图像传感器 捕获 您的照片 数码相机 或者智能手机是同一想法的更复杂的版本。在武器中，一些设计的近炸引信使用光电电池来检测 当导弹到达目标时。导弹发射光(或无线电波)和机载 光电电池(或无线电接收器)“监听”反射。当反射波突然增加时， 导弹假设它靠近目标并引爆。

　　照片：典型的二战光电近炸引信：T-4，日期 从 1941 年开始。当机载光电管检测到光强度的突然变化时，它就会引爆。 照片由 美国国家标准与技术研究院数字馆藏”，盖瑟斯堡，马里兰州 20899。

　　光放大器

　　光管最初也被用作光探测器，但它们相对而言 繁琐、精致且昂贵;更小、更便宜的电子产品 像LDR这样的组件现在更广泛地用作光探测器。 光电倍增管仍然用于科学应用，例如 检测不同种类的辐射，以及在诸如 夜视镜，它们增强了夜晚昏暗的光线 场景，以便可以更清楚地看到它。