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2025-01-15T19:17:17Z

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[[Datei:fotozelle.jpg|mini|Photozelle, Länge ca. 90 mm; die Anode ist ein Drahtbügel, die Photokathode wird durch den rückseitig innen mit Metall beschichteten Glaskolben gebildet]]
Mit einer '''Photozelle''' oder '''Fotozelle''' kann die [[Intensität (Physik)|Intensität]] von [[Licht]] mit geeigneter [[Wellenlänge]] gemessen werden. Sie besteht aus zwei Elektroden in einem [[evakuiert]]en Glaskolben und wird in weiterem Sinn zu den [[Elektronenröhre]]n gezählt. Durch das einfallende Licht werden aufgrund des [[Photoelektrischer Effekt#Äußerer photoelektrischer Effekt|äußeren photoelektrischen Effekts]] Elektronen aus der [[Photokathode]] herausbeschleunigt. Falls diese Elektronen die Anode treffen, werden sie abgeleitet und sind als Photostrom messbar. Andernfalls werden sie von der Kathode wieder angezogen.

== Geschichte ==
Im Jahr 1886 hatte [[Heinrich Hertz]] den äußeren [[Photoeffekt]] entdeckt. [[Wilhelm Hallwachs (Physiker)|Wilhelm Hallwachs]] setzte die Untersuchungen von Hertz 1887 fort. Aufgrund seiner Ergebnisse war der äußere Photoeffekt lange Zeit als [[Hallwachs-Effekt]] benannt.

Die Photozelle wurde 1893 von [[Hans Friedrich Geitel|Hans Geitel]] und [[Julius Elster]] erfunden.<ref name="jaeg1" /> Sie wurde weitgehend durch optische Halbleitersensoren abgelöst. Für die Messung sehr geringer [[Lichtstärke (Photometrie)|Lichtstärken]] wurde die Photozelle durch Integration eines [[Sekundärelektronenvervielfacher]]s zum [[Photomultiplier]] (PMT) weiterentwickelt.

''Abgrenzung'': aus [[Halbleiter]]n aufgebaute Photoempfänger zählen zu den [[Halbleiterdetektor]]en, es sind z. B. [[Photodiode]]n, [[Fotowiderstand|Photowiderstände]] oder [[Solarzelle]]n – diese werden nicht als Photozellen bezeichnet.

== Aufbau ==
[[Datei:44 Vakuum Fotozelle.svg|mini|hochkant|Schaltbild einer Photozelle]]
Eine Photozelle besteht aus zwei Elektroden in einem meist luftleeren Glasgehäuse. Die beiden Elektroden unterscheiden sich in Aufbau und Anordnung:
* Die [[Kathode]] besteht aus einem Metall, aus dem durch [[Licht]] [[Elektron]]en freigesetzt werden können, falls die Energie des Lichtes ausreichend groß ist (Äußerer [[Photoelektrischer Effekt]]). Aus diesem Grund heißt sie auch [[Photokathode]]. Die [[Austrittsarbeit]] kann z. B. durch Beschichtung mit [[Caesium]], oder einer Caesium-Verbindung reduziert werden, um die Photozelle auch für längere Wellenlängen des sichtbaren Spektrums empfindlich zu machen.<ref>{{Literatur | Autor=[[Dieter Meschede]] | Titel=Optik, Licht und Laser | Verlag=Vieweg+Teubner | ISBN=978-3-8351-0143-2 | Jahr=2008 |Seiten=392|Online = {{Google Buch|BuchID=Ov07momdy8YC|Seite=392}}}}</ref>
* Die [[Anode]] ist meist ein Drahtring, der nicht vom Licht getroffen werden soll. Die Anode soll die aus der Kathode ausgelösten Elektronen aufsammeln. Damit diese den Drahtring nicht mehr verlassen können, falls er doch vom Licht getroffen wird, besteht er aus einem Metall mit besonders hoher Austrittsarbeit wie [[Kupfer]].
* Wenn es auf hohen Strom ankommt, kann das Glasgefäß mit verdünntem Gas gefüllt werden. Dann kann es durch [[Stoßionisation]] zu einem Lawineneffekt kommen, wodurch der messbare Strom merklich ansteigt.<ref>[https://books.google.de/books?id=aYijftDr70oC&pg=PA257&dq=photozelle&hl=de&sa=X&ei=MjkRT9ObLMHZsgb5o8wJ#v=onepage&q=photozelle&f=false Dieter Geschke, Physikalisches Praktikum, Vieweg + Teubner, S. 257.]</ref>

== Betrieb mit Saugspannung ==
[[Datei:Strom-Spannungs-Kennlinie Vakuum.svg|mini|Abb. 3: [[Strom-Spannungs-Kennlinie]] einer Photozelle. Gestrichelt: Sättigungsströme für 3 verschiedene Licht-Intensitäten]]

Wird 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 und es kann ein [[elektrischer Strom]] (Photostrom) von einigen Mikroampere gemessen werden.
* Bei kleiner Spannung von wenigen Volt ist der Photostrom etwa [[proportional]] zur angelegten Spannung. Bei geringen Spannungen reicht die elektrische [[Elektrische Feldstärke|Feldstärke]] zwischen Kathode und Anode nicht aus, um alle aus der Kathode austretenden Elektronen durch die Anode abzusaugen und damit zum Photostrom beitragen zu lassen. Die anderen „fallen“ wieder zurück auf die Kathode. Ursache: Wenn ein Elektron die Kathode verlässt, wird die Kathode dadurch positiv geladen. Entgegengesetzte Elektrische Ladung ziehen sich an.
* Bei höheren Spannungen steigt der Photostrom bis zu einem Grenzwert an, man spricht von [[Sättigung (Physik)|Sättigung]]. Dann werden alle Elektronen von der Anode abgesaugt, die durch das Licht aus der Photokathode freigesetzt werden. Bei weiterer Erhöhung der angelegten Spannung über etwa 100 V steigt der Strom nicht weiter an. Diese Einstellung wird beispielsweise beim [[Photomultiplier]] gewählt, wenn man extrem geringe Lichtintensitäten nachweisen will und kein Elektron verloren gehen darf.

== Betrieb mit Gegenspannung ==
: ''siehe Hauptartikel'' [[Photoelektrischer Effekt#Äußerer photoelektrischer Effekt]]

Wenn keine Spannungsquelle mit der Photozelle verbunden ist und diese mit Licht genügend hoher [[Frequenz]] (und damit Energie) beleuchtet wird, bildet sich zwischen Anode und Kathode bei Belichtung eine geringe, kaum belastbare Spannung von etwa einem Volt aus. Die Photozelle arbeitet als Stromquelle, weil manche der aus der Photokathode ausgelösten Elektronen auf der Anode landen und nicht mehr zur Kathode zurückkehren können. Deshalb lädt sich die Anode negativ auf, die Kathode positiv. Diese Photospannung steigt mit der Frequenz des einfallenden Lichts an.

Diese Betriebsart wird nur dann gewählt, wenn der ''Äußere'' Photoelektrische Effekt vorgeführt werden soll, für dessen Erklärung [[Albert Einstein]] den Nobelpreis erhielt.

== Quellen ==
<references>
<ref name="jaeg1">{{Literatur | Autor = Kurt Jäger, Friedrich Heilbronner | Titel = Lexikon der Elektrotechniker | Verlag = VDE-Verlag | Auflage = 2. | Jahr=2010 |ISBN = 978-3-8007-2903-6 | Seiten = 117 }}</ref>
</references>

== Weblinks ==
{{Commonscat|Phototubes}}

{{Normdaten|TYP=s|GND=4128761-7}}

[[Kategorie:Elektronenröhre]]
[[Kategorie:Sensor]]

Photozelle - Versionsgeschichte

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