(Физика)Лабораторная работа №5

Мордовский государственный университет

им. Н.П. Огарева

Факультет электронной техники

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

«Проверка закона обратных квадратов и определение чувствительности фотоэлемента»

Выполнил:

Парамонов М.С

Проверил:

Неверов В.А.

Саранск 2011

Теория работы

В чем заключается явление фотоэффекта. Если на отрицательно заряженное металлическое тело подействовать светом, то можно заметить уменьшение заряда. Явление потери металлическими телами отрицательного электрического заряда при освещении лучами света получило название фотоэффекта, открытого Г.Герцем в

1887 г.

Явление фотоэффекта объясняется с квантовой точки зрения. Кванты света, падающие на поверхность металла, могут вырывать из него электроны. Энергия кванта расходуется на работу выхода электрона из металла через потенциальный барьер и на сообщение электрону кинетической энергии.

По закону сохранения и превращения энергии, как показал Эйнштейн, в этом случае имеем:

р

Где h – постоянная Планка, υ – частота падающего света, A – работа выхода,

m – масса электрона, v – его скорость.

Законы фотоэффекта установлены опытным путем А.Г.Столетовым.

Фотоэффект для каждого металла начинается при облучении определенной частотой υ₀, которая характеризует порог или красную границу фотоэффекта. hυ₀=A при v=0.

Сила фотопотока возрастает прямопропорционально интенсивности внешнего облучения (число выбитых электронов прямо пропорционально числу поглощенных квантов энергии). Явление фотоэффекта используется в устройстве фотоэлементов. Фотоэлементы делятся на два основных типа:

а) фотоэлементы с внешним фотоэффектом – вакуумные и газонаполненные;

б) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом – твердые меднозакисные селеновые фотоэлементы.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой стеклянный баллон, в центре которого в виде небольшого кольца устанавливается положительный электрод, а катодом служит тонкий слой какого-либо материала, нанесенный на часть внутренней стенки баллона против кольцевого анода. Если баллон заполнен газом, то имеем газонаполненный фотоэлемент. Наличие газа ведет к увеличению чувствительности фотоэлемента, так как при достаточной разности потенциалов между катодом и анодом фотоэлектрон может ионизировать атомы газа и . следовательно, создавать лишние электроны.

Фотоэлемент с внешним фотоэффектом дает фототок только под напряжением от внешнего источника тока.

Из фотометрии известно, что освещенность

где Φ – световой поток, т.е. количество световой энергии, переносимое через некоторую поверхность за единицу времени.

Освещенность поверхности обратно пропорциональна квадрату расстояния от нее до точечного источника света. С другой стороны, сила фотопотока прямо пропорциональна освещенности поверхности электрода. Стало быть, для двух положений фотометра имеем:

следовательно,

.

Величина фототока в цепи зависит от приложенного напряжения. Кривая, изображающая зависимость фототока от напряжения носит название вольт-амперной характеристики фотоэлемента.

Вольт-амперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов различны. Вакуумный фотоэлемент имеет вольт –амперную характеристику, содержащую ток насыщения. Ток насыщения наступает при такой разности потенциалов на фотоэлементе, когда все электроны, вышедшие из катода, достигают анода. Ток насыщения не зависит от изменения напряжения на электродах фотоэлемента. У газонаполненных фотоэлементов ток насыщения отсутствует, в этом случае ток всюду растет с увеличением напряжения. Происходит это вследствие ударной ионизации, которая усиливается с ростом напряжения.

Измеритель расстояния и определение расстояния с помощью его

Измеритель расстояния предназначается для установки приборов на скамье для точного и простого определения необходимых для дальнейших расчетов расстояний.

Измеритель расстояния – это стержень, на одном конце которого симметрично по отношению к оси стержня укреплена металлическая дуга. Для определения расстояния между различными деталями собранной установки (например, между поверхностью тела накала лампы и наружной поверхностью приемной пластины фотометрической головки, или поверхностью фотоэлемента) используют измеритель расстояния (рис.1).

Лампу накаливания вводят между ветвями дуги измерителя и устанавливают так, чтобы плоскость, от которой измеряется расстояние, совпала с плоскостью, проходящей через вертикальные штрихи визирных сеток измерителя. С другой стороны измерителя к концу его стержня подводится до соприкосновения плоскость второго объекта. При этой предварительной установке действительное расстояние между объектами будет равно указанному в паспорте измерителя расстоянию L₀=473,9 мм. Пусть отчеты, прочитанные по шкале скамьи по указателям кареток будут n₁′ и n₂′, причем всегда n₂′>n₁′.

Действительно расстояние L₀ может отличаться от расстояния между указателями кареток (n₂′-n₁′) на некоторую величину Δ (положительную или отрицательную).

Δ= L₀-(n₂′-n₁′)

При дальнейшей работе обе каретки могут быть перемещены по скамье и отсчеты по шкале скамьи будут n₁ и n₂. Полагая при этом n₂>n₁, легко определить действительное расстояние между объектами

L=( n₂-n₁)+ Δ.

На концах скамьи размещаются концевые экраны, в середине скамьи размещаются промежуточные экраны с отверстиями. Если поверхность второго объекта не плоская (в случае фотоэлемента), то совмещаются концы выступов измерителя с поверхностью баллона фотоэлемента.

Измеритель расстояния

Половина сферической поверхности фотоэлемента покрыта слоем металла. Для измерения расстояния нужно брать середину этого слоя. От начала баллона середина отстоит на ¾ диаметра баллона D. В этом случае

Δ= L₀-(n₂′-n₁′)+3/4D,

где D - диаметр баллона, измеренный штангенциркулем.

(схема установки)

В настоящее время кроме описанного в первой части внешнего фотоэффекта широко используется так называемый внутренний фотоэффект. Этот фотоэффект сводится к высвобождению под влиянием света электронов внутри тела и повышению его электропроводности. Особый интерес представляют твердые фотоэлементы с запирающим слоем, которые не нуждаются в источнике внешнего напряжения. Наиболее распространенными фотоэлементами этого типа являются железо-селеновые. Такой фотоэлемент состоит из железного диска (C), покрытого тонким слоем селена (B). Поверх слоя селена наносится тонкая полупрозрачная пленка (A) другого металла (чаще всего свинца, серебра и платины). Эта пластинка служит коллектором электронов (анодом), в то время как железный диск является катодом. Поверхность между железом и селеном, обладающая односторонней проводностью, образует детектирующий слой (запирающий) и является активной поверхностью фотоэлемента. Если осветить эту поверхность через прозрачный анод, то между катодом и анодом возникает разность потенциалов, которая может быть обнаружена с помощью гальванометра или миллиамперметра. Эта разность потенциалов пропорциональна интенсивности падающего света.

Итак, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом являются преобразованиями световой энергии в электрическую.

Таблица 5.1

№	r(m)	i(mkA) ↓	i(mkA) ↑	Icp ( mkA)	2 -2 1/r (m)
1	0.3	88	88	88	11,1
2	0.4	57	54	55.5	6,25
3	0.5	41	36	38.5	4
4	0.6	31	26	28.5	2,8
5	0.7	22	19	20,5	2,04
6	0.8	17	14	15,5	1,5
7	0.9	13	12	12,5	1,2
8	1	11	11	11	1

Таблица 5.2

№	r(m)	i(mkA)	Ф(лм)	Δi(mkA)	Ф(лм)	γ (мкА / лм)
1	0.3	88	5,8	33.75	1.9	17.7
2	0.4	57	3,3
3	0.5	41	2,1
4	0.6	31	1,4
5	0.7	22	1,1
6	0.8	17	0,8
7	0.9	13	0,6
8	1	11	0,53

2

График зависимости i=f(1/r ) График зависимости i=f(Ф)