Визначення чутливості фотоелемента. Зняття вольт-амперної характеристики газонаповненого фотоелемента (Лаб).
Мета: Ознайомитись з будовою і принципом дії фотоелементів, дослідно-розрахунковим шляхом визначити чутливість фотоелементу.
Студент повинен знати та вміти: явище фотоефекту, поняття про фотоелементи, основи теорії похибок, вміти оцінювати похибки прямих та непрямих вимірювань.
Прилади та обладнання: селеновий фотоелемент з ковпачком і діафрагмою, G — дзеркальний гальванометр, L — освітлювач з лампочкою розжарювання, V — вольтметр, R — потенціометр, S — джерело струму.
Короткі теоретичні відомості.
Кванти світла при взаємодії їх з деякими речовинами можуть вирвати з атомів цих речовин електрони, які стануть таким чином вільними. Ці електрони отримали назву фотоелектронів, а саме явище — фотоелектричного ефекту.
Основне рівняння фотоефекту являє собою закон збереження енергії. Це рівняння встановлює зв’язок між енергією кванта світла (, що спричиняє фотоефект, роботою, що витрачається на вихід електрона з металу (А) і кінетичною енергією вилітаючого електрона
.
Рівняння має вигляд:
(1)
Прилади, будова яких заснована на явищі фотоефекту, називаються фотоелементами. Розрізняють фотоелементи з зовнішнім фотоефектом (вакуумні або газонаповнені) і фотоелементи, засновані на фотоефекті в запираючому шарі. В даній роботі використовують селеновий фотоелемент із запираючим шаром і газонаповнений фотоелемент.
Селеновий фотоелемент складається із залізної пластинки М, вкритої шаром селену А, на який нанесений зверху напівпрозорий шар золота або іншого металу. На границі між селеном і золотим шаром утворюється запираючий шар В. Якщо освітлювати селен, то гальванометр покаже наявність струму І в колі. Електрони можуть переходити лише в одному напрямку від селена до золота; зворотній перехід для них закритий. В такому фотоелементі лучиста енергія падаючого світла безпосередньо буде переходити в енергію електричного струму.
Чутливістю фотоелементу називається відношення величини струму
, що дає фотоелемент, до величини падаючого на нього світлового потока Ф:
(2)
Чутливість виражають . Перетворимо формулу (2), замінивши Ф = ES, а
:
(3)
— освітленість поверхні фотоелементу при нормальному падінні світла
на поверхню.
І — сила світла лампочки розжарювання.
— відстань між джерелом світла і фотоелементом.
S — площа світлочутливого шару фотоелементу, на яку падає світловий потік,
рівна площі діафрагми фотоелементу.
Якщо d — діаметр діафрагми, то:
(4)
Підставивши (4) в (3), отримаємо остаточну формулу для визначення чутливості фотоелементу:
(5)
Послідовність виконання роботи
Зібрати схему згідно з рис.1,
де ВА — оптична лава; Ф — селеновий фотоелемент; G — дзеркальний гальванометр;
L — освітлювач; V — вольтметр; R — потенціометр; S — джерело струму.
Рис. 1
2. Не вмикаючи лампочки, визначити нульову точку гальванометра (при відкритому фотоелементі), попередньо встановивши ціну поділки шкали гальванометра.
3. Встановити напругу на лампочці 127 В, і підтримувати її весь час реостатом R (сила світла лампочки при напрузі 127 В дорівнює 10 кд.).
4. Фотоелемент і джерело світла встановлюють один від одного на такій відстані, щоб гальванометр давав відхилення більш ніж на половину шкали.
5. Відкривши ковпачок фотоелементу визначають по гальванометру величину фотоструму і та відстань від фотоелемента до лампочки. Сила фотоструму, створювана світлом самої лампи:
6. Виміряти діаметр D діафрагми фотоелементу.
7. Дослід повторити три рази, змінюючи потроху .
8. Підставляючи в формулу (5) значення ,
з трьох дослідів, визначають три значення для
.
9. Результати вимірювань занести до таблиці.
№ Досліду |
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
||||||||
2 |
||||||||
3 |
||||||||
Ср. |
ІІ. Зняття вольт-амперної характеристики газонаповненого
Фотоелемента.
Дія фотоелементів з зовнішнім фотоефектом заснована на втраті від’ємного заряду катодом фотоелемента при освітленості його поверхні. На рис. 2 В — газонаповнений фотоелемент, який являє собою скляний сферичний балон, наповнений інертним газом при тиску 1-0,005 мм. рт. ст. К — фотокатод,
А — анод фотоелемента.
Рис. 2
Якщо на фотокатод подіяти світлом з довжинами хвиль, які здатні вирвати електрони, то в колі піде струм, величина якого залежить від освітленості фотокатода світлом та від спектрального складу джерела світла. Найбільша довжина хвилі або відповідна їй найменша частота
, при якій починається фотоефект, називається порогом фотоефекта, або червоною границею.
Для порога фотоефекту
, бо
.
Для більшості речовин поріг фотоефекту лежить в ультрафіолетовій частині спектра, і тільки у лужних металів спостерігається помітний фотоефект при видимому світлі, тому частіше за все їх використовують для виготовлення фотокатоду.
Електрони, вирвані світлом з катода К, летять на анод А, прискорені електричним полем, прикладеним між катодом і анодам. Фотострум, що тече в колі фотоелемента, вимірюється гальванометром q.
Залежність сили фотоструму і в фотоелементі від величини прикладеної до нього напруги (при незмінній освітленості фотокатода) називається вольт-амперною характеристикою фотоелемента.
Послідовність виконання роботи.
1. Зібрати схему включення газонаповненого фотоелемента (рис.2).
2. Газонаповнений фотоелемент розташовують на оптичній лаві.
3. Лампочку освітлювача в 20-50 кд ставлять на відстані =30; 40; 50 см від фотоелемента і для кожного положення лампочки вимірюють: силу фотоструму і в гальванометрі через кожні 10 В, починаючи від нуля до повного виключення потенциометру Р, затим зменшують напругу через кожні 10 В до нуля.
4. Результати вимірів представляють у вигляді трьох графіків .
Значення фотоструму (по осі у) беруть середніми із значень, отриманих при збільшенні і зменшенні напруги. По осі х відкладають значення напруги .
5. Результати вимірів занести до таблиці.
№ N/n |
|
При збільшенні |
При зменшенні |
При |
При |
Середнє |
1 |
0 |
0 |
||||
2 |
10 |
10 |
||||
3 |
20 |
20 |
||||
4 |
30 |
30 |
||||
5 |
40 |
40 |
||||
6 |
… |
… |
Контрольні запитання
1. В чому полягає явище фотоефекту?
2. Що називається зовнішнім фотоефектом? Внутрішнім?
3. Закони фотоефекту.
4. Формула Ейнштейна для фотоефекта.
5. Червона границя фотоефекту.
6. Будова і принцип дії вакуумного фотоелемента.
7. Будова і принцип дії напівпровідникового фотоелемента.
8. Застосування фотоелементів.
Реферати
- переработка животных виды
- переработка животных виды
- технологическая схема производства алкогольных напитков ариант
- вино органолептичний аналіз
- определение общей (титруемой) кислотности
- классификация основных процессов пищевых производств.