Лабораторные Работы / Лабораторная работа №22а

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Федеральное государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова»

Кафедра общей физики

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №22

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Выполнил:

Студент группы ЭЭ – 32 - 05

Иваничев Алексей Владимирович

Проверил:

Митрюхин Л.К.

Чебоксары 2006

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, фотоэлемент, эталонная лампа накаливания, вольтметр, гальванометр, выпрямители.

Теоретическое введение. Фотоэлементами называются приборы, в которых осуществляется техническое применение фотоэффекта. Явлением внешнего фотоэффекта называют испускание электронов веществом под действием падающего на него светового потока.

В настоящей работе исследуется фотоэлементы с внешним фотоэффектом, природа которого впервые была использована профессором А.Г.Столетовым.

Вакуумный фотоэлемент, в котором используется внешний фотоэффект, представляет собой стеклянный баллон, из которого выкачан воздух и часть внутренней поверхности которого покрыта слоем вещества, испускающего электроны под действием света. Этот слой вещества играет роль катода. Анодом фотоэлемента является металлический электрод (кольцо или шарик), впаянный в баллон и помещенный обычно в его центре.

Наибольшее распространение приобрели так называемые "сложные катоды". В фотоэлементах со сложными катодами на внутреннюю поверхность колбы наносится тонкий металлический слой – подкладка, который затем покрывают слоем щелочного металла или его соединений.

При облучении "сложного" катода наблюдается так называемый "селективный фотоэффект". Это означает, что сила фототока, текущего в цепи фотоэлемента, не меняется монотонно с частотой, а приобретает максимальное значение при некоторой определенной частоте падающего на фотоэлемент излучения.

Для щелочных металлов и их соединений этот "селективный" максимум лежит в видимой части спектра, что обусловило большую практическую применимость "сложных катодов".

Схематическое изображение фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, дано на рис.1. Здесь – Ф_э – фотоэлемент, К – катод, А – анод. Под действием падающего света с поверхности катода вырываются электроны, и в цепи появляется фототок. Сила этого фототока i_ф при прочих равных условиях пропорциональна световому потоку Ф, падающему на катод фотоэлемента. Чувствительностью фотоэлемента γ называют фототок в микроамперах, проходящий на I люмен светового потока. Следовательно,

Чувствительность вакуумного фотоэлемента зависит от спектрального состава падающего на катод света и от напряжения, приложенного к фотоэлементу. Однако, начиная с некоторого определенного напряжения, чувствительность вакуумного фотоэлемента становится постоянной (фототок насыщения).

Чувствительность вакуумных фотоэлементов сравнительно мала и не превышает нескольких десятков микроампер на люмен. Она может быть повышена, если наполнить баллон каким-нибудь инертным газом (аргон, гелий, неон) при давлении порядка сотых долей миллиметра ртутного столба.

В газонаполненном элементе фототок при этом же световом потоке сильно возрастает в результате ионизации газа, вылетающими из катода электронами. Процесс ионизации носит лавинный характер. Это означает, что электроны, вылетающие из катода под действием света, благодаря приложенному напряжению приобретают энергию, достаточную для ионизации газа, выбитые электроны в свою очередь, ускоряются и тоже ионизируют нейтральные атомы и т.д.

Таким образом, общий ток i_ф проходящий через фотоэлемент при данном падающем на него световом потоке, резко возрастает и следовательно, чувствительность γ тоже возрастает.

Газонаполненные фотоэлементы имеют следующие особенности:

1. Чувствительность их всегда зависит от напряжения на фотоэлементе (фототок насыщения не наступает).

2. Напряжение на фотоэлементе не может превышать напряжения зажигания газа, наполняющего фотоэлемент. В противном случае возникает самостоятельный газовый разряд, и сила фототока уже не будет определяться световым потоком, падающим на катод.

Целью настоящей работы является исследование следующих основных свойств фотоэлементов:

1. Зависимости фототока i_ф от напряжения на фотоэлементе при постоянном световом потоке Ф (вольт-амперная характеристика).

2. Чувствительность фотоэлемента γ.

3. Зависимость фототока i_ф от величины светового потока Ф при постоянном напряжении на аноде U (световая характеристика).

Описание аппаратуры и метода измерений.

Для снятия характеристик фотоэлемента применяется установка, состоящая из оптической скамьи, на которой располагаются исследуемый фотоэлемент и эталонный источник света, электрическая схема изображена на рис.1.

Цепь I служит для снятия характеристик. Потенциометр П служит для изменения напряжения на аноде фотоэлемента от 0 до максимального значения, измерение напряжения производится вольтметром. Фототок, соответствующий данному напряжению измеряется микроамперметром.

Цепь II служит для питания эталонной лампы накаливания.

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомившись со схемой, включают напряжение.

2. Для снятия вольт-амперной характеристики устанавливают фотоэлемент на расстоянии l=30-50 см от эталонной лампы, зажигают последнюю и, изменяя напряжение на фотоэлементе от 10 до 220 вольт, измеряют фототок, соответствующий каждой установленной величине напряжения.

3. Измеряют расстояние l между фотокатодом и пампой.

ПРИМЕЧАНИЕ: При исследовании вакуумного фотоэлемента измерения следует производить для двух световых потоков (при двух значениях l).

4. Для снятия световой характеристики устанавливают указанное на установке напряжение на аноде (100 В) фотоэлемента и, изменяя расстояние между фотокатодом и лампой от 30-50 до 60-100 см через 5 см, для каждого положения лампы измеряют силу фототока.

Обработка результатов измерений.

1. Полученные величины фототока заносят в таблицу. При помощи полученных данных строят график i_ф=f(U).

2. Зная расстояние l между фотокатодом и лампой, J силу света лампы, можно найти освещенность E поверхности фотокатода.

; J=25 кд (кандела).

С другой стороны, определяя освещенность как световой поток, приходящийся на единицу площади S фотокатода, получим

; S=7 см²

Отсюда будем иметь

(1)

По этой формуле будем вычислять величину светового потока Ф для каждого положения фотоэлемента (п.4) и строят график i_ф=f(U).

3. Вычисляют чувствительность фотоэлемента при различных напряжениях на нем

Рис. 1. График зависимости фототока I от напряжения U при l=13 см.

Рис.2. График зависимости фототока I от напряжения U при l=15 см.

Рис.3. График зависимости фототока I от расстояния l при U=30 B.

Рис.4. График зависимости фототока I от расстояния l при U=50 B.