光电效应的应用

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《近代物理实验》课程论文
光电效应的应用
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二〇一四年五月
光电效应的应用
1887年赫兹在做电磁波的发射与接收实验中，他发现当紫外光照射到接收电极的负极时，接收电极间更易于产生放电，即光生电。

1900年普朗克在研究黑体辐射问题时，将能量不连续观点应用于光辐射，提出了“光量子”假说，从而给予了光电效应正确的理论解释。

1905年爱因斯坦应用并发展了普朗克的量子理论，首次提出了“光量子”的概念，并成功地解释了光电效应的全部实验结果。

密立根经过十年左右艰苦的实验研究，于1916年发表论文证实了爱因斯坦方程的正确性，并精确地测定了普朗克常数。

光电效应实验和光量子理论在物理学的发展史中具有重大而深远的意义。

如今光电效应已经广泛地应用于现代科技及生产领域，利用光电效应制成的光电器件（如光电管、光电池、光电倍增管等）已广泛用于光电检测、光电控制、电视录像、信息采集和处理等多项现代技术中。

1.光控制电器
在工业制造上，大部分光电控制的设备都要用到光控制电器。

它包括电磁继电器、光电管、放大电路和电源等部件。

如下图所示，当有光照在光电管K上时，便产生了电流，经过放大器后，使电磁铁M磁化，从而把衔铁N吸住。

而当K上没光照射时，光电管电路就没有了电流，这时M和N便会自动离开。

在实际的应用中，为了使射出的光线是一束平行光，我们把光源装在平行光管内，这样的平行光管在工程上称为发射头。

光电管（多数情况下是用光敏二极管）也装在一个光管内（管末端装有聚光透镜），这种管在工程上称为接受头。

利用光电管制成的光控制电器，可以用于自动控制，如自动计数、自动报警、自动跟踪等等。

如记录生产线上的产品件数。

我们把产品放在传送带上，跟着传送带一起运动。

在传送带的两则分别装上发射头和接收头。

发射头所发射的平行光正好射入接收头。

这时从发射头发出的光线射入接收头时，电路中所产生的电流，经过放大器放大，使电磁铁M磁化，吸引衔铁N，这时计数器的齿轮被卡住，计数器不发生动作。

每逢产品把光线挡住的时候，电路中的电流就会消失，电磁铁自动放开衔铁，使计数器的齿轮转过一齿。

这样，计数就自
动地把产品的数目记录下来。

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2.光电倍增管在电视图像中应用
光电倍增管 PM T(photomultiplier tube)是一种建立在光电子发射效应、二次电子发射和电子光学理论基础上的 ,把微弱入射光转换成光电子并获倍增的重要的真空光电发射
器件。

]2[而我们普通生活中的电视电影的发射和图象传送也离不开光电倍增管。

众所周知，电视的传送对象是活动图像，而图像的传送是利用电信号通过导线或无线电来实现的。

用电的方法来传送图像，必须要完成两种转换：在发送端将光信号变为电信号，而在接收端则相反将电信号变为光信号。

所以我们通过广电器件先把活动图像变了电信号。

一幅整体的图像是由很多的明暗不用的像素构成的，像素越细、越多、图像就越逼真。

因此要实现图像的传送，必须能够传送一个个足够小的像素的亮度信息或其他相关特性的信息，而且，这种像素的数目越多，即用某种方法传送的独立信息量越大，传送的准确度越高。

由于独立传送信息的细节数有一个实际上的极限，而这个极限又与我们的视觉特性有关的，所以为了足够完善重显图像，我们采用一种特殊的传送方法，这种方法利用视觉的一种特性——视觉惰性现象为基础。

这种方法不是同时传送所有的像素的信号，而是以某一顺序和一定速度将这些信号一个接一个地传送出去。

这样就可以避免了发送和接受设备过于笨重，因为有可能只利用一个变换元件（光电器件）和一个信道来实现传送。

为了实现这个方法，必须在发送端按一定规律“分解”图像。

这时的基本要求是：在各瞬间形成电信号的像素序列，应当是连续不断的，也就是说，不断有漏掉的地方。

同时，在将整个图像传送一遍的期间内，也不应当有两次货多次形成信号的地方。

显然，为了重显图像，在接收端将信号变换为亮度
是，必须按照实现分解的同一顺序来进行，也就是说，必须和分解过程同步和同相。

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将光变为电信号的设备利用了光电效应，所以任何电视发送设备的主要构件都是光电管。

由以上可见，光电效应在电视原理中所起的重要作用。

有了光电倍增管后，电视图像才能发送出去。

3.光电效应在农业病虫害防治方面的应用
众多种类的农业昆虫形成了农业生产中复杂的生态系统。

益生昆虫作为传粉媒介, 对农业生产有促进作用; 害虫的存在则成为影响农作物生产的重要因素之一。

由于农业害虫种类繁多、数量大, 且具有突发性、易迁移性, 所以常常造成农作物的灾难性毁坏, 严重导致作物生产的产量降低、品质下降。

农业害虫的治理, 在一定程度上控制了虫害的发生和危害, 但是除了生态农业区域和农业实验区外, 大多数农业生产的害虫防治仍以化学农药灭杀为主要手段。

长期大量化学杀虫剂喷施进入农业生态系统, 不但污染土壤、水质和大气, 还残留粮棉和蔬果, 给人类的生存安全造成了威胁; 同时长期施药不但损害了农业害虫的天敌和益生昆虫的生存, 还导致了虫抗药性的产生和害虫种质的变异, 引起部分害虫的再次猖獗发生。

因此, 对农业害虫的防治, 需要一个与环境适应的、生态兼容的治理理念, 采用无毒化的灾害昆虫治理技术体系和关键技术, 从全面的生态系统工程的角度出发, 在实现害虫无害化治理的同时, 还要获得灾害昆虫种质的资源化利用。

对农业害虫趋光性行为以及物理波谱诱导捕集技术进行分析, 我们提出了农业害虫的生物光电效应的趋光聚集诱导行为本质以及其在虫害治理中的应用, 以期能够对灾害性昆虫的无害化治理和资源化利用提供理论基础和技术参考。

昆虫趋光行为过程中的生物光电效应作用本质, 导致了光波光强对昆虫的趋性导向控制和刺激致晕扑灯, 实现了趋光昆虫的捕集和灭杀。

利用这一原理, 人们已经提出并且实践了许多种农业害虫的趋光诱杀方法。

其中最佳代表性的就是河南汤阴佳多科工贸公司物理治虫研究所研发的佳多频振式杀虫灯]4[。

它采用 320—400nm波段范围内的多个光波复合的高效荧光灯管引诱害虫, 不但
提高了诱虫效果达到最佳状态, 而且减少了对天敌的诱杀危害, 并配合有安全保护装置的频振电网杀虫技术以及网下的集中收集装置 , 将诱虫、杀虫和集虫有机地结合在一起。

同时, 佳多频振式杀虫灯外壳设计为黄色, 充分利用了昼光下或灯管发光后反射的黄光成份对喜黄光昆虫的诱导捕杀作用,提高了捕虫效果; 进一步, 佳多频振式杀虫灯诱集到集虫袋内的昆虫, 不断散发着性信息气味素, 并与光诱导作用一起引诱和促使着异性昆虫扑向灯
源, 实现捕杀效果的进一步提高。

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总之, 光电效应现象已经广泛运用于我们的生活中. 现代社会的生产建设、国防建设、科学研究、学校教育和家庭生活都离不开各种它的应用. 因此, 对于光电效应的了解、研究和应用就显得十分重要. 只有这样, 才能更好的理解、运用我们所学的知识, 也只有这样, 才能更好的改善我们的生活, 是我们的生活越来越方便、快捷。

[1]甘景慧. 光电效应及其应用[M]. 福建：福建教育出版社，1983.
[2]江月松, 阎平, 刘振玉. 光电技术与实验[ M ]. 北京: 北京理工大学出版社, 2000.
[3]甘景慧. 光电效应及其应用[M]. 福建：福建教育出版社，1983.
[4]赵树英, 李福印, 蒋福平, 等. 频振式杀虫灯[ P] . 中国专利:CN2190405Y ,1995-03-01.
[5]周强, 徐瑞, 程小桐，等. 昆虫的生物光电效应与虫害治理应用[J]. 现代生物医学进展, 2006,10:70-72。