Fotoelettricità
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La fotoelettricità è lo studio che studia il modo in cui la luce e l'elettricità sono legate in un fenomeno comune.
Questo studio ha portato all'invenzione del cosiddetto "occhio elettrico", come quello usato per aprire automaticamente le porte di cristallo nei moderni edifici, quello per il controllo degli articoli prodotti ogni ora in una fabbrica, quello per misurare la luminosità delle stelle.
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[modifica] Il processo fotoelettrico
La luce si comporta a volte come se fosse formata da uno sciame di particelle anziché da onde. L'intensità della luce è determinata dal numero di queste particelle, o fotoni, che si ritrovano nei raggi, mentre l'energia di ogni particella determina ciò che viene chiamato il colore della luce.
I metalli, come qualsiasi altra sostanza, sono composti da atomi. Questi constano di un nucleo denso con carica positiva circondato da una nuvola di elettroni. Gli elettroni sono tenuti uniti al nucleo per mezzo dell'attrazione del campo elettrico.
Dato che gli atomi di quasi tutti i metalli sono relativamente grandi, gli elettroni più esterni sono relativamente lontani dal nucleo. Perciò la forza che lega questi elettroni al nucleo è molto debole. Quando gli atomi di un metallo sono uniti fra loro in modo da formare un corpo solido, gli elettroni esterni possono muover-i liberamente in qualunque direzione in seno al solido. Questi elettroni sono chiamati elettroni di conduzione. Se un fotone di luce viene assorbito da un elettrone di conduzione, l'energia che ne riceve può essere sufficiente ad allontanare l'elettrone dalla superficie del metallo. Quando gli elettroni vengono costantemente allontanati per mezzo della luce che urta la superficie del metallo, viene applicata, fra la superficie e un elettrodo una differenza di potenziale tale che l'elettrodo (anodo) cattura i fotoelettroni.
[modifica] Il circuito fotoelettrico
Una delle principali forme di cellula fotoelettrica consta di un catodo semicilindrico rivestito internamente da una lega sensibile di cesio e argento. L'anodo è un pezzo di filo sistemato in modo che possa raccogliere quegli elettroni che escono dal catodo e se ne allontanano.
Nell'uso normale, il catodo è collegato al polo negativo di un generatore di corrente continua di notevole forza elettromotrice, mentre l'anodo è collegato al polo positivo. Con uno degli elettrodi è collegata in serie anche una resistenza. Fintanto che la valvola elettrica rimane al buio, il circuito è aperto e nessuna corrente può attraversare gli elettrodi. Quando, però, un raggio di luce colpisce il catodo sensibile, i fotoni colpiscono gli elettroni e li allontanano dalla sua superficie. Questi elettroni, avendo carica negativa, vengono fortemente attratti dall'anodo, carico positivamente. Questi elettroni liberi formano così la corrente nell'intero circuito.
Finché la cellula fotoelettrica rimane al buio, nessuna corrente scorre nella bobina del magnete del relais. La molla tiene aperti i contatti di soccorrimento (ossia del relais), ma, non appena la luce colpisce la cellula, questa è percorsa da una corrente che passa poi alla resistenza. La caduta di tensione lungo la resistenza fa sì che l'estremità superiore di questa diventi positiva rispetto all'estremità inferiore. Questo potenziale positivo supera l'effetto opposto della batteria. In questo modo, la griglia del triodo diventa positiva e per-mette agli elettroni di passare dal catodo alla placca e attorno a questa, attraverso la bobina di soccorrimento. Questa corrente magnetizza il nucleo della bobina e chiude i contatti, azionando qualsiasi apparecchio collegato ai morsetti mobili. Questo apparecchio può essere un motore elettrico o qualunque parte di una macchina elettrica.
Quando la luce viene a mancare, la cellula fotoelettrica cessa di condurre. La griglia del triodo torna ad essere negativa, la corrente si ferma e la bobina del magnete libera i contatti.
[modifica] Applicazioni pratiche
In questi ultimi anni, gli scienziati hanno scoperto anche che i fotoni di luce possono cambiare la conduttività elettrica di una serie semiconduttrice. I semiconduttori sono materiali, come il silicio ed il germanio, usati nei transistor. Con un adeguato trattamento chimico durante la lavorazione, il silicio può prendere due forme distinte: N e P. Un singolo cristallo di silicio viene trattato in entrambi i modi, così da creare una linea di separazione tra le due forme. Questa delimitazione è detta serie semiconduttrice P-N. Quando una tale serie P-N viene collegata, può essere attraversata, al buio, solo da una leggera corrente, perché la batteria agisce in modo da impedire agli elettroni liberi della sezione N di dirigersi verso la sezione P. Ma quando i fotoni di luce colpiscono la serie, dànno ad alcuni elettroni sufficiente energia addizionale per vincere l'ostacolo e attraversarlo. Perciò la corrente nel semiconduttore tende ad aumentare in proporzione all'intensità della luce che lo colpisce. Questo è il principio del fototransistor e di altri dispositivi semiconduttori sensibili alla luce.
Il transistor a raccordo « N-P-N » in un soccorritore (o relais) di un fotoelettrico a semiconduttore è normalmente in stato coibente (non conduttore), come in un transistor al buio. I fotoni di luce che colpiscono le serie P-N del fototransistor fanno sì che la corrente passi attraverso la base della serie N-P-N, che in tal caso assumerà conduttività sufficiente per magnetizzare la bobina di soccorrimento che chiude i contatti.
In aggiunta all'operazione alternativa di accensione e di spegnimento di un interruttore, il dispositivo fotoelettrico è in grado di misurare la luce di intensità gradualmente variabile. Il fotometro (o esposimetro) di un fotografo impiega la coppia rame-ossido di rame o una simile cellula fotovoltaica. Qui i fotoni dànno la loro energia agli elettroni a legame debole e sviluppano un potenziale elettrico proporzionale, proprio come una batteria fra uno lamina di rame ed un sottile strato sovrapposto di ossido di rame. Questo potenziale, proporzionale all'intensità della luce aziona un sensibilissimo millivoltmetro tarato in intensità luminosa.
Una cellula fotoelettrica con amplificatrice, simile a quella descritta, è usata da gli astronomi per misurare la luce delle stelle lontane.
Per interessanti che sembrino queste applicazioni della fotoelettricità, queste ramo della scienza è andato ben più oltre nello studio della natura della luce e del la materia di quanto non fosse stato possibile un tempo a causa delle scarse conoscenze e dell'inadeguata attrezzatura.
