Фотоэлемент. Вольтамперная характеристика фотоэлемента

Приборы, в которых фотоэффект используется для превращения энергии света в электрическую энергию, называются фотоэлементами. В данной работе применяется сурьмяно - цезиевый фотоэлемент типа Ф-4. Он выполнен в виде стеклянного баллона, из которого откачан воздух до давления 10^-6 -10^-7 мм. рт. ст. (на рис. 12.1 он обозначен ФЭ). На внутреннюю поверхность баллона на подкладочный слой магния нанесен тонкий слой сурьмы, а затем тонкий слой цезия. Образующееся при этом соединение Cs₃Sb служит катодом К. Такой катод обладает малой работой выхода, а следовательно, "красная" граница фотоэффекта для данного фотоэлемента находится в видимой части спектра. Металлический анод А в виде шарика расположен в центре баллона. Если подействовать на катод светом определенной частоты и создать между катодом и анодом разность потенциалов U, то вылетающие из катода электроны, ускоряемые электрическим полем, летят к аноду и создают фототок. Вольтамперной характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока I от напряжения, подаваемого на фотоэлемент, т.е. I = f(U). Вид ее представлен на рис. 12.2.

Микро-

А амперметр

Фототок, текущий по цепи фотоэлемента, растет с увеличением напряжения между электродами до определенной величины, называемой фототоком насыщения (горизонтальный участок на вольтамперной характеристике). Фототок насыщения показывает, что все электроны, вылетевшие из катода, попали на анод.

Существование фототока в области отрицательных напряжений (участок от 0 до - Uз) объясняется тем, что электроны выбитые из катода, могут обладать отличной от нуля кинетической энергией, за счет уменьшения которой они совершают работу против сил задерживающего электрического поля и достигают анода. Электроны перестанут дост игать анода (фототока не будет) при условии равенства тормозящего напряжения величине Uз. При этом

mv²_max/2 = е Uз.

Описание экспериментальной установки

Для исследования фотоэлемента применяют схему, приведенную на рис 12.1. Источником света И служит электрическая лампочка. Фотоэлемент ФЭ помещен в металлическую трубу, укрепленную на штативе, надежно защищен от постороннего света и может перемещаться по оптической скамье. Фототок в цепи фотоэлемента измеряют микроамперметром, напряжение между электродами, подаваемое от батареи Б измеряют вольтметром V. Потенциометр R ступенчато регулирует подаваемое напряжение. Область отрицательных напряжений в данной работе не исследуется.

Порядок выполнения работы

З А Д А Н И Е 1. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента

1. Установить источник света на расстоянии r₁ от фотоэлемента.

2. Включить установку. Тумблером "ВКЛ" включить источник света.

3. Изменяя регулятором напряжение между электродами, снять показания микроамперметра, заполняя таблицу 12.1. Значения фототока снимать до тех пор, пока он не перестанет увеличиваться, т.е. до достижения тока насыщения.

4. Установить источник света на расстоянии r₂ от фотоэлемента, на 10 ÷ 20 см отличающимся от r₁. Повторить измерения согласно п.3.

5. Пользуясь данными таблицы 12.1, построить для расстояний r₁ и r₂ два графика I = f(U) на одной системе координат.

Таблица 12.1

r1 = …
U,В
I,мкА
r2 = …
U,В
I,мкА

З А Д А Н И Е 2. Снятие световой характеристики и определение интегральной чувствительности фотоэлемента

Световой характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от светового потока, падающего на фотоэлемент. Световая характеристика устанавливает прямо пропорциональную зависимость между фототоком и световым потоком при неизменном напряжении между катодом и анодом

I = γ Ф. (12.4)

Коэффициент пропорциональности γ, различный у каждого фотоэлемента, называется интегральной чувствительностью фотоэлемента, которая численно равна величине фототока, которая возникает при освещении катода световым потоком один люмен:

γ = I /Ф. (12.5)

Из уравнения (12.5) видно, что величину γ можно определить как отношение ординаты к соответствующей абсциссе графика световой характеристики фотоэлемента I = f( Ф).

1. Достигнув тока насыщения при определенном значении расстояния r от источника света до фотоэлемента, оставить неизменным положение регулятора напряжения.

2. Изменяя расстояние r через равные промежутки (~ 2-5 см), снять 5 - 7 показаний микроамперметра, заполняя таблицу 12.2.

3. Произвести расчет светового потока Ф источника света по формуле

J

Ф = ------- S , (12.6)

r²

где J - сила света источника; - площадь светочувствительного слоя фотоэлемента. Для нашей установки принять S = 4·10^-4 м²; J = 20 Кд (Кд - кандела - единица измерения силы света в системе СИ). Световой поток Ф измеряется в системе СИ в люменах (Лм). Занести полученные данные в таблицу 12.2.

4. Выбирая оптимальный масштаб, построить график световой характеристики фотоэлемента, т. е. зависимость силы фототока от падающего на фотоэлемент светового потока I = f (Ф ) .

5. На прямолинейной части этого графика взять 3-5 точек и для каждой определить величину γ. Единицы измерения интегральной чувствительности студент определяет самостоятельно.

6. Вычислить среднее значение < γ >, абсолютную Δγ и относительную погрешности ε_γ и записать окончательный результат в виде

γ = < γ > ± Δγ.

7. Выяснить у преподавателя паспортные данные изучаемого фотоэлемента и сравнить с результатом эксперимента.

ТАБЛИЦА 12.2

U = const
r, см
I, мкА
Ф, Лм

З А Д А Н И Е 3. Оценка квантового выхода фотоэффекта

Квантовым выходом фотоэффекта β называется отношение числа фотоэлектронов, достигающих анода в единицу времени, к числу фотонов, попадающих на катод за это же время. Оценка квантового выхода произвести для средней части видимого спектра (λ= 550 нм) по формуле

I·h·ν

β = ------------ , (12.7)

В·е·Ф

где I - фототок; е = 1,6·10^-19 Кл - заряд электрона; Ф - световой поток; В = 0,0016 Вт/ Лм - коэффициент перевода фотометрических единиц в энергетические. При расчете воспользоваться данными таблицы 12.2.

Закончив работу, выключить все элементы установки.