Описание установки

Установка для изучения основных характеристик фотоэлемента (рис.1) состоит из оптического рельса, на котором размещаются исследуемый фотоэлемент и источник света. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой щелочного металла, служащий катодом. Анод изготовлен в виде металлического кольца. Для питания лампы и фотоэлемента применяют источники постоянного тока. Сила фототока измеряется с помощью чувствительного микроамперметра, напряжение – с помощью вольтметра постоянного тока.

Помимо вакуумных фотоэлементов, чувствительность которых сравнительно невелика (не превышает нескольких микроампер на люмен), применяются газонаполненные фотоэлементы.

В этом случае в колбу вводится какой-либо нейтральный газ (неон, аргон, гелий) при давлении в сотые доли миллиметров ртутного столбика (мм. рт. ст.). При достаточных напряжениях между анодом и катодом электроны, вырываемые светом, под действием электрического поля приобретают такую скорость, что оказываются в состоянии ионизировать частицы газа, наполняющего фотоэлемент (ударная ионизация). Ионы, образовавшиеся таким образом, в свою очередь приходят в движение и ионизируют нейтральные частицы газа. В результате, к аноду устремляется все возрастающая лавина электронов, от чего сила фототока значительно увеличивается, чувствительность фотоэлемента все растет.

В таком фотоэлементе ток насыщения отсутствует, кривая зависимости тока от напряжения довольно круто поднимается вверх. При некотором напряжении, равном потенциалу энергии газа, внутри фотоэлемента образуется самостоятельный разряд (фотоэлемент начинает светиться), при котором фототок уже не будет управляться световым потоком, а начнет самостоятельно и неограниченно возрастать, ионы устремляются при этом к катоду и могут его разрушить. Недостатком газонаполненных фотоэлементов является отсутствие строгой пропорциональности между освещенностью катода и силой фототока, а также относительно большая инертность.

Выполнение работы

1. Снятие световой характеристики

Для снятия световой характеристики на оптическую скамью помещают эталонную лампу 21 свечи. Эталонную лампу включают через трансформатор на 6 вольт. Фотоэлемент устанавливается на оптической скамье прозрачной стороной к лампе. Его включают по схеме, где – потенциометр, с помощью которого можно менять напряжение на клеммах фотоэлемента; – вольтметра, измеряющий напряжение; – микроамперметр для измерения фототока (рис.1).

Световой поток, падающий на фотоэлемент, рассчитывается из следующих соображений

где – сила света лампы = 21кд, – телесный угол, внутри которого распространяется световой поток, падающий на светочувствительный слой фотоэлемента (рис.2).

Телесный угол, выраженный в стерадианах, равен отношению площади входного отверстия (круг), диаметр которого равен к квадрату расстояния до источника света. Учитывая все это, световой поток равен

Снятие световой характеристики производим в следующей последовательности:

1. Включаем лампу на 6 вольт и фотоэлемент по схеме, располагая их центры на одной горизонтали.

2. Устанавливают фотоэлемент на расстоянии 10см от лампы и дают на него напряжение ; открывают колпачок, которым обычно закрыт фотоэлемент.

3. Записывают показания микроамперметра в делениях шкалы в таблицу. Зная цену деления микроамперметра, рассчитывают силу фототока в микроамперметрах и заносят в таблицу.

4. Поддерживая на фотоэлементе постоянное напряжение (70В), передвигают его на расстояние 15, 20, 25 и т.д., смотрят и производят не менее пяти измерений фототока.

5. Рассчитывают для каждого расстояния световой поток по формуле: