Fotozelle

aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie

Eine Fotozelle bzw. Photozelle ist ein Strahlungsdetektor. Sie zählt insofern zu den Elektronenröhren, als sich auch bei ihr in einem evakuierten Glasgefäß eine Anode und eine Kathode (Fotokathode) befinden.

Die Fotokathode besteht aus einem Metall (z.B. Caesium mit besonders geringer Austrittsarbeit), aus dem durch Licht Elektronen freigesetzt werden können (Äußerer Fotoelektrischer Effekt).

Fotozelle, Länge ca. 90 mm; die Anode ist ein Drahtbügel, die Foto-Kathode wird durch den rückseitig innen mit Metall beschichteten Glaskolben gebildet

Ist zwischen Anode und Kathode eine Spannung angelegt, wobei der positive Pol der externen Spannungsquelle an die Anode und der negative Pol an die Kathode angeschlossen wird, so werden die vom Licht freigesetzten Elektronen zur Anode hin beschleunigt, ein elektrischer Strom (Fotostrom) kann gemessen werden. Ist die angelegte Spannung klein, so ist der Fotostrom proportional zur angelegten Spannung, der Proportionalitätsfaktor hängt von der Belichtungsintensität ab. Dieser Fotostrom geht bei höheren Spannungen in eine Sättigung über, d.h. der Strom steigt bei weiterer Erhöhung der angelegten Spannung nicht weiter an. Dies liegt daran, dass bei geringen Spannungen die elektrische Feldstärke nicht ausreicht, um alle durch den Fotoeffekt an der Kathode austretenden Elektronen in Richtung Anode zu beschleunigen und damit zum Fotostrom beitragen zu lassen.

Allerdings können natürlich nicht mehr Elektronen zwischen Kathode und Anode fließen als durch das Licht freigesetzt werden, weshalb die Sättigung auftritt. Auch wenn keine Spannungsquelle mit der Fotozelle verbunden ist, bildet sich zwischen Anode und Kathode bei Belichtung eine Spannung aus - Da die Fotozelle als Spannungsquelle arbeitet lädt sich die Anode negativ auf, die Kathode positiv. Diese Spannung ist proportional zur Frequenz des eingestrahlten Lichts und kann zur Ermittlung des Planckschen Wirkungsquantums genutzt werden.

Die Spannung bildet sich aus, weil das Licht (genügend hohe Frequenz und damit Energie vorausgesetzt) Elektronen aus der Fotokathode herausschlägt. Diese Elektronen besitzen eine Energie, die der Differenz zwischen Quantenergie des Lichtes und Austrittsarbeit des Elektrons aus dem Kathoden-Metall entspricht. Die freien Elektronen treffen (teilweise) auch auf die Anode und laden diese negativ auf. Dadurch bildet sich eine elektrische Spannung zwischen den Elektroden aus. Weitere Elektronen müssen nun das sich ausbildende elektrische Feld durchlaufen, um auf die Anode aufzutreffen, wozu sie Energie benötigen. Schließlich ist die Spannung so groß, dass die Energie der neu herausgelösten Elektronen nicht mehr ausreicht, die Platte zu erreichen - die Spannung bleibt konstant.

Abgrenzung: aus Halbleitern aufgebaute Fotoempfänger zählen zu den Halbleiterdetektoren, es sind z.B. Fotodioden, Fotowiderstände oder Solarzellen – diese werden nicht als Fotozellen bezeichnet.

[Bearbeiten] Anwendung

Fotozellen werden heute nur noch in modifizierter Form bzw. als Bestandteil des Photomultiplier oder von Restlichtverstärkern eingesetzt. Bei Lichtschranken, der Abtastung des Lichttons auf Kinofilmen und Lichtsensoren sind sie weitgehend von Fotodioden und Fototransistoren abgelöst worden.

Nach dem Prinzip der Fotozellen (d.h. mit Fotokathoden) arbeitende Fernsehkameras (siehe Vidicon) sind bis auf Ausnahmefälle (Einsatz unter radioaktiver Strahlung) durch CCD- und CMOS-Bildsensoren abgelöst worden.

[Bearbeiten] Geschichte

Die Fotozelle wurde 1893 von Hans Geitel und Julius Elster erfunden.

[Bearbeiten] Weblinks

• Berechnung der Gegenspannung einer Natriumfotozelle