Лабораторна робота № 6-5

Лабораторна робота № 6–5

ДОСЛІДЖЕННЯ ВЛАСТИВОСТЕЙ ФОТОЕЛЕМЕНТУ

Мета роботи: експериментальне дослідження основних властивостей фотоелементу.

Обладнання: вакуумний або газонаповнений фотоелемент, електрична лампочка, оптична лавка.

Теоретичні відомості

Явище фотоелектричного ефекту полягає у тому, що при освітлені (під дією світла) з деяких речовин можливий вихід електронів. Явище фотоефекту в сучасній фізиці пояснюється квантовою теорією. Падаючий на речовину квант світла, має енергію , де – стала Планка, – циклічна частота падаючого світла. Якщо енергія кванта достатня, щоб подолати енергію зв’язку електрона в кристалі ( робота виходу електрона), то електрон виходить з речовини назовні. Якщо енергія кванта більша за роботу виходу електрона, то електрон буде до того ж мати кінетичну енергією, тобто після виходу буде рухатися з деякою ненульовою швидкістю . Рівняння фотоефекту за Ейнштейном має вигляд:

Ефективність фотоефекту зростає зі зменшенням довжини хвилі. Найбільша довжина хвилі світла , або найменша частота, при якій фотоефект ще можливий, називається «червоною межею» фотоефекту. Для більшості катодів «червона межа» фотоефекту лежить в ультрафіолетовій частині спектра і лише для лужних металів, які мають малі енергії зв’язку електронів у атомі, «червона межа» фотоефекту лежить у видимому та інфрачервоному діапазонах.

Деякі речовини (наприклад, селен), є у темряві практично ізоляторами, а при освітленні починають проводити електричний струм. Тае явище називають внутрішнім фотоефектом. Принципова різниця даного випадку від описаного вище зовнішнього фотоефекту, полягає в тому, що електрон, поглинаючи квант світла, не виходить з селену, а завдяки здобутій енергії переходить з валентної зони у зону провідності. отже, може рухатись по кристалу.

Прилади, в яких відбувається технічне застосування фотоефекту, називаються фотоелементами. Фотоелементи із зовнішнім фотоефектом звичайно бувають вакуумні, або газонаповнені. Вакуумний фотоелемент має порожній, прозорий для світла скляний або кварцевий балон, в якому на підкладці з магнію або срібла нанесений шар світлочутливого металу. Цей шар (фотокатод) випромінює електрони, при освітленні його світлом досить коротких довжин хвилі. До випромінюючого шару приєднується мінус батареї (катод). В середині фотоелементу розміщений електрод (звичайно, у вигляді кільця), до якого приєднується плюс батареї (анод). Електричне поле між анодом та катодом спрямовує електрони, що вилетіли з фотокатоду, зумовлюючи струм в колі.

Величина струму фотоелементу пропорційна світловому потоку, що падає на фотокатод, а також напрузі поміж анодом та катодом (анодна напруга). Величина струму віднесена до одного люмену світлового потоку, називається чутливістю фотоелементу. Вона збільшується із зростанням анодної напруги при сталому світловому потоці. Залежність струму від анодної напруги називається вольтамперною характеристикою фотоелементу. У вакуумних фотоелементів, починаючи з деякого значення анодної напруги припиняється подальше зростання струму. Виникає стан насичення, при якому всі фотоелектрони, що вилітають з фотокатоду повністю потрапляють на анод.

Газонаповнений елемент конструктивно відрізняється від вакуумного тим, що він наповнений інертним газом (Аr, або Нe) з тиском у соті частини мм.рт.ст.(1 Па). Електрон, який вийшов з фотокатоду, на своєму шляху до аноду прискорюється полем та іонізує молекули газу. Утворені внаслідок іонізації вторинні електрони, прискорюючись електричним полем, своєю чергою іонізують молекули газу. Завдяки цьому до аноду рухаються все більш стримко зростаючі „електронні лавини”. Цей процес дає можливість значно збільшити чутливість фотоелементу, а фотострум струм теоретично може бути як завгодно великим. Все ж, практично величина анодної напруги газонаповненого фотоелементу не повинна перевищувати деякої граничної величини. Якщо електричне поле стане надто великим, то виникне об’ємна іонізація газу, яка спричиняє різке збільшення струму, котре вже є незалежним від освітлення, а фотоелемент може бути зіпсованим.

В роботі досліджуються такі основні властивості фотоелементу:

• залежність фотоструму i_ф від анодної напруги, при сталому світловому потоці (вольтамперна характеристика),

• чутливість фотоелементу   i_ф/Ф,

• залежність фотоструму i_ф від величини світлового потоку, що падає на фотоелемент, при даній напрузі на аноді (світлова характеристика).

Опис експериментальної установки

На рис.1 зображено схему зняття вольтамперної характеристики фотоелементу. Електричнна лампа освітлює фотоелемент, в анодний ланцюг якого включений міліамперметр та вольтметр. Анодна напруга регулюється потнеціометром , і подається від джерела постійного струму через ключ.

Ланцюг живлення електричної лампи містить вольтметр та потенціоментр , і живиться від джерела змінного струму.

Проведення експерименту

1. Зібрати схему, як показано на рис. 1.

2. Зняти вольтамперну характеристику, шляхом вимірювання напруги та струму у фотоелементі (світловий потік треба підтримувати сталим на протязі всього експерименту). Змінюючи анодну напругу від 0 до 30 В через кожні 2 В знімають показники фотоструму з міліамперметру.

3. Зняти світлову характеристику, для цього встановити анодну напругу 30 В і змінювати відстань поміж джерелом світла то фотоелементом від 2 до 16 см через 1 см. Для кожної відстані виміряти фотострум міліамперметром.

Обробка результатів

1. Розрахувати величину світлового потоку за формулою де S – площа фотокатоду, J – сила світла еталонної лампочки.

2. Побудувати вольтамперну характеристику фотоелементу.

3. Побудувати світлову характеристику фотоелементу.

4. Обчислити чутливість фотоелементів для всіх значень анодного струму.

5. Зняті та розраховані значення занести в таблицю № 1.

Таблиця № 1.

№	Вольтамперна характеристика ,		Світлова характеристика S5,21 см2		Визначення чутливості
1.	0		2
2.
3.
…	…		…
N	25		14

Контрольні питання

1. У чому полягає явище фотоефекту?

2. Записати рівняння Ейнштейна.

3. Принцип дії фотоелементу. Види фотоелементів.

4. Що називається чутливістю фотоелементу?

Література

1. И.В.Савельев. Курс общей физики, т.3. – М.: Наука, 1989.

2. Г.А.Зисман, О.М.Тодес, Курс общей физики, т.3. – М.: Наука, 1987.

© 2004

стор. 3 з 3