Elektromagnetizm_Optika_2006
.pdf
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 36 Снятие вольтамперных характеристик фотоэлемента и определение его
чувствительности
Цель работы: экспериментальная проверка первого закона фотоэффекта: число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени пропорционально интенсивности света.
Методика эксперимента
ФЭ
А К |
А |
V |
- |
+ |
ШРис.36
Эта установка состоит из источника света – электролампы Л, и фотоэлемента ФЭ, который представляет собой прозрачный для света баллон с вакуумом порядка 10-5 – 10-6 мм рт. ст. На одну половину внутренней поверхности баллона наносится светочувствительный слой из щелочных металлов, который выполнят роль катода К; в центре располагается металлический анод А. При освещении катод испускает электроны. Изменяя с помощью потенциометра П напряжение между катодом и анодом, получают семейство вольтамперных характеристик фотоэлемента, соответствующих различным световым потокам(рис. 36.2). Каждая характеристика снимается при постоянном световом потоке, то есть при неизменном расстоянии между осветителем и фотоэлементом.
I
|
|
Ф3>Ф2 |
|
|
Ф2>Ф1 |
|
|
Ф1 |
Uз 0 |
Рис.36.2 |
U |
Для всех характеристик ток равен нулю при одном и том же значении задерживающего напряжения Uз. Это значит, что максимальная кинетическая энергия электронов расходуется на работу против запирающего электрического поля, т.е.
|
|
mV |
2 |
|
eU ç |
max |
(1) |
||
2 |
|
|||
|
|
|
|
|
Одинаковое значение задерживающего напряжения при различных световых потоках показывает на основании (1), что максимальная скорость вылетающих из катода электронов от светового потока не зависит, что подтверждает второй закон фотоэффекта.
Фотоэлектроны образуют вблизи катода электронное облако. С ростом напряжения между катодом и анодом электронное облако рассасывается, ток при небольших напряжениях растет, затем перестаѐт изменяться. Установившийся ток называется током насыщения. При этом все электроны, вылетающие из катода за 1 секунду, достигают анода т.е ток насыщения пропорционален количеству фотоэлектронов.
При нормальном попадании световых лучей на катод световой поток определяется формулой
Ф |
I |
S , |
(2) |
|
R2 |
||||
|
|
|
где I – сила света осветителя (лампы), S – площадь окошка фотоэлемента, R – расстояние от осветителя до фотоэлемента, которое можно менять, перемещая источник света.
Определив значение тока насыщения Iнас по графикам рис.2 и рассчитав световой поток для различных R по формуле (2), можно построить график зависимости Iнас от светового потока (рис.36.3).
Iнас, μА
I
Ф |
Ф, лм |
Рис.36.3
Линейный характер графика (рис.36.3) подтверждает пропорциональность числа фотоэлектронов световому потоку, т.е. является подтверждением первого закона фотоэффекта.
Порядок выполнения работы
Задание 1.
Снятие вольтамперных характеристик.
1. |
Включите осветитель и |
установите |
его |
на расстоянии |
8-13 см. от фотоэлемента (по заданию преподавателя). |
|
|||
2. |
Изменяя напряжение между |
катодом и |
анодом |
фотоэлемента с |
помощью потенциометра П, определите максимальное значение фототока -
Iнас.
3.Меняя напряжение в сторону его уменьшения, получите несколько значений фототока и его значение при Uа=0.
4.Измерения произведите для нескольких значений R (n=3,4) и результаты измерений запишите в таблицу 1 рабочей тетради.
5.Для каждого значения R рассчитайте величину светового потока Ô
по формуле (2).
6. Постройте семейство вольтамперных характеристик фотоэлемента, т.е. зависимость I f (Ua ) для различных значений светового потока Ф.
7.Укажите на графиках Iнас.
Задание 2.
Определение чувствительности фотоэлемента.
1.Занесите в таблицу 2 рабочей тетради значения Iнас и соответствующие им значения светового потока Ф.
2.Постройте график зависимости силы тока насыщения Iнас от величины светового потока Ф.
3.Выберите на графике Iíàñ f (Ô) две точки и определите чувствительность фотоэлемента по формуле
Iнас
Ф
4.Сделайте выводы по результатам работы.