Экспериментальная часть

Старая установка

Приборы и обо­ру­до­ва­ние: фо­то­эле­мент, ос­ве­ти­тель, вы­пря­ми­тель, галь­ва­но­метр, из­ме­ри­тель­ная ли­ней­ка.

Методика измерений

На яв­ле­нии фо­то­эф­фе­к­та ос­но­ва­но дей­ст­вие фо­то­эле­мен­тов – прибо­ров, на­хо­дя­щих ши­ро­кое при­ме­не­ние в на­у­ке, тех­ни­ке, на­род­ном хо­зяйстве. Ка­ж­дый фо­то­эле­мент ха­ра­к­те­ри­зу­ет­ся ря­дом па­ра­ме­т­ров, оп­ре­де­ля­ю­щих не толь­ко его свой­ст­ва, но и пре­де­лы при­ме­ни­мо­сти.

Ва­ж­ней­ши­ми па­ра­метра­ми фо­то­эле­мен­тов яв­ля­ют­ся: ин­те­граль­ная и спек­т­раль­ная чув­ст­ви­тельно­с­ти, вольт-­ам­пер­ная характеристика, ра­бо­чее на­пряже­ние и др. Под ин­те­граль­ной чув­ст­ви­тель­но­стью  понимают величину фототока, ко­то­рый те­чет в ко­рот­ко­замк­ну­той це­пи фо­то­эле­мен­та при па­де­нии на не­го еди­ни­чного по­то­ка лу­чи­стой энер­гии, со­сто­я­щей из волн раз­ли­ч­ной дли­ны. Та­ким об­ра­зом,

, (7.6)

где I – ток в цепи фотоэлемента, Ф – падающий на фотоэлемент световой поток. Ко­г­да при­хо­дит­ся иметь де­ло с ви­ди­мой об­ла­стью спек­т­ра, ве­ли­чи­ну све­то­во­го по­то­ка вы­ра­жа­ют в лю­ме­нах, и в этом случае []=А/лм.

Освещённость Е поверхности фотоэлемента площадью S равна

. (7.7)

Освещённость, создаваемая точечным изотропным источником света на расстоянии r от него при нормальном падении света:

, (7.8)

где I_св. – сила све­та то­че­ч­но­го ис­то­ч­ни­ка. Тогда чувствительность

. (7.9)

Дру­гой ва­ж­ной ха­ра­к­те­ри­сти­кой фо­то­эле­мен­та яв­ля­ет­ся све­то­вая ха­ра­к­те­ри­сти­ка. Она по­ка­зы­ва­ет, как из­ме­ня­ет­ся фо­то­ток I при из­мене­нии ос­ве­щен­но­сти фо­то­эле­мен­та Е. Гра­фик за­ви­си­мо­сти I=f(Е) позво­ля­ет су­дить об об­ла­с­ти при­ме­ни­мо­сти то­го или ино­го фо­то­при­ем­ни­ка. Све­то­вая ха­ра­к­те­ри­сти­ка фо­то­эле­мен­та, дей­ст­вие ко­то­ро­го ос­но­ва­но на внеш­нем фо­то­эф­фе­к­те, по­з­во­ля­ет убе­дить­ся в од­ном из за­ко­нов фо­то­эффе­к­та: ко­ли­че­ст­во вы­ле­та­ю­щих элек­т­ро­нов про­пор­ци­о­наль­но ко­ли­че­ст­ву па­да­ю­щих на ве­ще­ст­во фо­то­нов; ка­ж­дый фо­тон вза­и­мо­дей­ст­ву­ет с од­ним элек­т­ро­ном.

Вольт­ам­пер­ные ха­ра­к­те­ри­сти­ки от­ра­жа­ют за­ви­си­мость фо­то­то­ка от при­ло­жен­но­го к фо­то­эле­мен­ту на­пря­же­ния при не­из­мен­ном све­то­вом по­то­ке. Эта ха­ра­к­те­ри­сти­ка по­з­во­ля­ет пра­виль­но вы­брать ра­бо­чее на­пря­же­ние фото­э­ле­мен­та. Се­мей­ст­во кри­вых I=f(U), сня­тых при раз­ли­ч­ных уров­нях ос­ве­щен­но­сти, хо­ро­шо ил­лю­ст­ри­ру­ют те­о­рию фо­то­эф­фе­к­та Эйн­штей­на.

Экспериментальная ус­та­нов­ка

Схе­ма экс­пе­ри­мен­таль­ной ус­та­нов­ки при­ве­де­на на рис.7.3. В ра­бо­те ис­поль­зу­ет­ся ва­ку­ум­ный фо­то­эле­мент СЦВ-3 (1). Для за­щи­ты от по­сто­ронне­го све­та он смон­ти­ро­ван в ко­жу­хе. Фо­то­эле­мент пред­ста­в­ля­ет со­бой сте­к­лян­ный бал­лон, из ко­то­ро­го до оп­ре­де­лен­но­го да­в­ле­ния от­ка­чан воз­дух. На по­ло­ви­ну вну­т­рен­ней по­верх­но­сти бал­ло­на на­пы­ле­ни­ем на­но­сит­ся слой ме­тал­ла (в СЦВ-3 – це­зий), яв­ля­ю­щий­ся фото­ка­то­дом. Анод име­ет фор­му ме­тал­ли­че­с­кой сфе­ры и рас­по­ло­жен в централь­ной ча­с­ти бал­ло­на. Элек­т­ри­че­с­кие ча­с­ти ка­то­да и ано­да впа­я­ны в ни­ж­нюю часть бал­ло­на и вмон­ти­ро­ва­ны в цо­коль фо­то­эле­мен­та.

Фо­то­эле­мент и ос­ве­ти­тель (2) рас­по­ло­же­ны на рель­сах так, что рас­сто­я­ние ме­ж­ду ни­ми мо­ж­но ме­нять. При ос­ве­ще­нии фо­то­ка­то­да в це­пи фо­то­эле­мен­та воз­ни­ка­ет ток, из­ме­ря­е­мый галь­ва­но­мет­ром (3). На­пря­же­ние по­да­ет­ся от вы­пря­ми­те­ля (4), смон­ти­ро­ван­но­го с вольт­мет­ром (5) в од­ном кор­пу­се. Вы­пря­ми­тель вклю­ча­ет­ся в сеть пе­ре­мен­но­го то­ка про­во­дом (6) и тумб­ле­ром SA1. Ве­ли­чи­ну на­пря­же­ния мо­ж­но из­ме­нять по­тен­цио­мет­ром R и из­ме­рять вольт­мет­ром.

С по­мо­щью дан­ной ус­та­нов­ки мо­ж­но снять вольт­ам­пер­ную ха­ра­к­тери­с­ти­ку фо­то­эле­мен­та (за­ви­си­мость си­лы фо­то­то­ка от на­пря­же­ния при по­сто­ян­ном рас­сто­я­нии ме­ж­ду ос­ве­ти­те­лем и фо­то­эле­мен­том: I=f(U)) и све­то­вую ха­ра­к­те­ри­сти­ку (за­ви­си­мость фо­то­то­ка на­сы­ще­ния от ос­ве­щен­но­сти: I=f(Е)).

Пе­ред на­ча­лом из­ме­ре­ний сле­ду­ет ус­та­но­вить пре­де­лы из­ме­ре­ний ам­пер­мет­ра и вольт­мет­ра и оп­ре­де­лить це­ну их де­ле­ний.