Визначення чутливості фотоелемента. Зняття…

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.