Качественное исследование видимой части спектра Элементы земного магнетизма Законы сохранения в механике Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Полярные и неполярные диэлектрики

Физика лабораторные работы

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 9

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

Цель работы: снять вольт-амперную и люкс-амперную характеристики вакуумного фотоэлемента и фотосопротивления.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, фотосопротивление, вольтметр, миллиамперметр, выпрямитель, источник света.

Сведения из теории

Действие фотоэлементов основано на явлениях внешнего и внутреннего фотоэффектов.

Внешним фотоэффектом называется явление испускания электронов металлами под действием света. Для внешнего фотоэффекта характерны следующие закономерности.

1. Число электронов, испускаемых веществом в единицу времени, пропорционально интенсивности падающего света.

2. Начальная скорость вылетевших электронов определяется частотой света и не зависит от его интенсивности. С увеличением частоты падающего света скорость электронов увеличивается.

3. Для каждого вещества существует так называемая красная граница фотоэффекта, т.е. минимальная частота света n0, при которой еще имеет место фотоэффект. Величина n0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности.

4. Фотоэффект практически безынерционен, т.е. между началом освещения и возникновения фотоэффекта нет заметного промежутка времени.

Закономерности фотоэффекта не укладываются в рамки классической электромагнитной теории света.

Эйнштейн показал, что все основные закономерности фотоэлектрического эффекта непосредственно объясняются, если предположить, что свет поглощается такими же порциями энергии, какими он, по предположению Планка, испускается. В самом деле, при вырывании электрона из металла энергия кванта света идет на работу выхода А электрона из металла и на сообщение электрону кинетической энергии 

Так как порция световой энергии, поглощенной электроном при его вырывании, равна hn, то по закону сохранения энергии

.

Это равенство называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Из этого уравнения следует, что минимальная порция энергии, необходимая для вырывания, должна быть равна работе выхода А. Следовательно, частота n0, соответствующая красной границе фотоэффекта,  n0 = A / h.

Внутренним фотоэффектом называется появление под действием света внутри диэлектрика или полупроводника добавочных свободных электронов.

Поглощая фотоны, связанные электроны вещества получают энергию, но не вылетают за пределы вещества, а становятся свободными, оставаясь внутри вещества и увеличивая его проводимость (явление фотопроводимости).

Механизм внутреннего фотоэффекта вскрывается зонной теорией твердых тел, согласно которой электроны, поглощая кванты света, переходят из валентной зоны в зону проводимости.

Законы внутреннего фотоэффекта эквивалентны законам внешнего фотоэффекта.

На основании внешнего и внутреннего фотоэффектов строится большое число приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных  общим названием – фотоэлементы.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом

 

Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта тонким слоем светочувствительного металла, играющего роль фотокатода. Анод А находится в центре баллона (рис. 9.1). При освещении фото­эле­мента из катода вылетают электроны и под действием  электрического поля попадают на анод. По цепи идет ток.

Рис. 9.1

Газонаполненный фото­эле­мент содержит какой-либо инертный газ под небольшим давлением. Первичные фотоэлектроны иони­зируют атомы газа, что приводит к увеличению тока, проходящего через элемент.

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом

(полупроводниковые фотоэлементы)

Фотосопротивление. Действие его основано на явлении фотопроводимости. На рис.9.2 показано включение фотосо­противления в электрическую цепь. Без освещения фотосопротивления ток в цепи практи­чески отсутствует, при освещении ток возрастает в тысячи раз.

Рис. 9.2

Фотосопротивления обладают чув­ствительностью в сотни и тысячи раз большей, чем фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Кроме того, они имеют широкий диапазон спектральной чув­стви­тельности: от инфракрасных до рент­ге­нов­ских и g - лучей. Недостатками их являются значительная инер­ционность и зависимость свойств от температуры.

Вентильные фотоэлементы (фотоэлементы с запирающим слоем).

В вентильных фотоэлементах используется фотогальванический эффект (разновидность внутреннего фотоэффекта). В отличие от других фотоэлементов, вентильные фотоэлементы не требуют при работе источника тока, так как сами являются таким источником.

Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики фотоэлементов

 


Вольт-амперной характеристикой фотоэлемента называется кривая, выражающая зависимость фототока от напряжения. На рис. 9.3 показана вольт - амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Она отличается двумя особенностями:

а) при увеличении напряжения U между анодом и катодом фототок IФ достигает насыщения (с увеличением освещенности ток насыщения возрастает);

б) существует такое зна­чение задерживающей разности потенциалов Uз ,  при котором фототок прекращается. Электроны перестают достигать анода, когда работа задерживающего электрического поля становится равной их начальной кинетической энергии: ,

где е, m и v - это заряд, масса и скорость электрона соответственно.

Вольт - амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер.

Люкс-амперной (или световой) характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от освещенности катода при постоянном напряжении. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейна, так как число выбитых электронов в единицу времени n пропорционально освещенности (Iн = е n ~ E).

Световая характеристика фотосопротивлений имеет нелинейный характер.

Применение фотоэлементов

Фотоэлементы используются в технике и в научных исследованиях. Например, они применяются в звуковом кино для воспроизведения звука, для сигнализации, в телевидении, автоматике и телемеханике. Фотоэлементы позволяют управлять на расстоянии процессами производства. При нарушениях хода процесса изменяется поток света, попадающего на фотоэлемент, и создается ток, выключающий весь процесс. С помощью фотоэлементов измеряются весьма слабые световые потоки (например, в биологии, астрофизике), регистрируются инфракрасные спектры, осуществляется фотографирование в темноте и т.д.

Вентильные фотоэлементы используются для изготовления “солнечных” батарей, преобразующих энергию Солнца в электрическую. Кремневые “солнечные” батареи применяются, например, для питания аппаратуры на искусственных спутниках Земли и автоматических межпланетных станциях.

Фотоэлементы могут быть использованы для измерения освещенности рабочих мест. Приборы, служащие для измерения освещенности, называются люксметрами.

Выполнение работы

1. Ознакомиться с имеющимися на лабораторном столе приборами.

2. Снять вольт-амперную характеристику вакуумного фотоэлемента (СЦВ-4):

2.1. Поместив фотоэлемент СЦВ-4 на оптическую скамью, собрать электрическую цепь по рис.9.4.

2.2. Подать напряжение сети на выпрямитель и источник света.

 

 Рис. 9.4

Изменяя напряжение U, подаваемое на фотоэлемент, от 0 до 120-150 В, снять зависимость (7-10 точек) силы фототока Iф от напряжения для двух расстояний r1 и r2 фотоэлемента от источника света. Результаты измерений занести в табл. 1.

П р и м е ч а н и е. Расстояния r1 и r2 необходимо подбирать такими, чтобы шкала миллиамперметра использовалась как можно полнее. Фототок можно измерять в относительных единицах (в делениях шкалы прибора).

Таблица 1

Номер

U, В

Iф, А

измерения

r1 =

r2 =

1

.

.

7

2.3. По измеренным данным построить графики Iф = f (U).

3. Снять люкс-амперную характеристику:

3.1. При постоянном напряжении (U = cоnst) снять зависимость силы фототока Iф от освещенности Е фотоэлемента. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния r , то изменять ее можно путем изменения r. Результаты измерений занести в табл. 2.

П р и м е ч а н и е. U = сonst должно быть подобрано так, чтобы r можно было менять в широком пределе.

3.2. По данным табл. 2 построить график Iф = f (E) = f (1 / r2).

4. Снять характеристики фотосопротивления:

Таблица 2

Номер

U, B =

измере-ния

r

Iф, А

E = 1/r2

1

.

.

.

7

4.1. Выключить выпрямитель. На место фотоэлемента подключить в цепь фотосопротивление, установив его на оптическую скамью. По аналогии с пп. 2,3 снять одну вольт-амперную и одну люкс-амперную кривые для фотосопротивления. Результаты занести в таблицы, аналогичные табл. 1 и 2.

4.2. По измеренным данным построить графики Iф= f (U), Iф =f (E).

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Понятие о квантовых свойствах света. Энергия кванта света.

2. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности.

3. Внутренний фотоэффект и его объяснение на основе зонной теории строения вещества.

4. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, его физический смысл.

5. “Красная граница” фотоэффекта.

6. Объяснение закономерностей фотоэффекта на основе квантовой природы света

7. Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

8. Зависимость тока насыщения фотоэлементов от освещенности.

9. Задерживающая разность потенциалов и ее связь с кинетической энергией электрона, вылетевшего из катода в результате фотоэффекта.

10. Зависимость проводимости фотосопротивления от освещенности.

11. Вольт-амперная и люкс-амперная характеристики фотосопротивления.


Изучение цепи переменного тока