Politechnika Śląska

Wydział AEiI

Kierunek AiR

Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki :

Wyznaczanie charakterystyk fotokomórki gazowanej.

Grupa V, sekcja 5

Katarzyna Żydek Przemysław Ciurla

Tomasz Kozieł

Gliwice 14.03.1997

1.Opis teoretyczny

Zjawisko fotoelektryczne zostało wykryte przez G. Hertz'a w roku 1887. Kilka lat później wysunięto hipotezę, że pod wpływem światła wybijane są z metalu cząstki ujemnie naładowane, co potwierdziły doświadczenia z odchylaniem tych cząstek w polu magnetycznym i wykazały, że są to elektrony. Efekt nazywamy zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym.

Dokładne badania tego zjawiska pozwoliły sformułować następujące prawa:

1) Maksymalna prędkość początkowa fotoelektronów zależy od częstotliwości światła, a nie od jego natężenia;

2) Dla każdego metalu istnieje długofalowa granica fotoelektryczna. Zjawisko fotoelektryczne zachodzi dla światła o częstotliwości większej od tej wartości granicznej

3) Liczba emitowanych elektronów w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia światła.

Należy podkreślić, że zjawisko to praktycznie nie wykazuje bezwładności, tzn. prąd fotoelektryczny pojawia się natychmiast po oświetleniu katody, jeśli tylko spełniony jest warunek

Zjawiska tego nie dało się wytłumaczyć w oparciu o falową naturę światła. Albert Einstein rozwiną hipotezę M. Plancka o kwantowym charakterze promieniowania termicznego i przyjął, że również pochłanianie światła ma charakter kwantowy. Za to w roku 1905 otrzymał on nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki.

Takie porcje energii zwane fotonami, są przekazywane elektronom. Elektrony te mogą opuścić pow. metalu, jeśli ich energia będzie większa od pewnej minimalnej wartości W, zwanej pracą wyjścia. Jest to warunek konieczny, aby ujemny elektron, mógł oddalić się od dodatniej powierzchni metalu.

Zgodnie z zasadą zachowania energii mamy więc tzw. wzór Einsteina:

Praca wyjścia związana jest z częstością graniczną:

Fotokomórka to najczęściej szklana bańka w której znajdują się dwie elektrody: fotokatoda i anoda. Fotokatoda jest pokryta materiałem o małej pracy wyjścia. To na nią jest kierowany strumień światła, aby wybijać elektrony. Elektrody fotokomórki są podłączone do źródła napięcia - najczęściej tak aby pole elektryczne ułatwiało ruch elektronów w kierunku anody (fotokomórka spolaryzowana w kierunku przewodzenia). Napięcie może być przyłożone też w kierunku zaporowym - pole utrudnia wówczas przewodzenie fotokomórki.

2.Opis ćwiczenia

Do badania fotokomórki używaliśmy rury fotometrycznej, wewnątrz której znajduje się żarówka z przesłoną. Drążek z naniesioną podziałką centymetrową umożliwia przesuw żarówki i odczyt odległości żarówki od fotokomórki. Rura pokryta jest wewnątrz czarnym matowym lakierem zmniejszającym niepożądane odbicia. Przesłona pozwala realizować założenia o punktowym źródle światła.

schemat układu

W ćwiczeniu badano zależność prądu płynącego przez fotokomórkę od następujących wielkości:

1. napięcia przyłożonego do fotokomórki.

2. napięcia żarówki oświetlającej fotokomórkę.

3. odległości źródła światła od fotokomórki.

ad.1) przy ustalonym napięciu żarówki notowaliśmy wskazania mikroamperomierza

zmieniając napięcie fotokomórki

ad.2) przy ustalonym napięciu fotokomórki notujemy wskazania mikroamperomierza

i watomierza zmieniając napięcie żarówki

ad.3) przy ustalonych napięciach fotokomórki i żarówki notujemy wskazania mikroamperomierza zmieniając odległość żarówki od fotokomórki

3) Tabela pomiarowa.

Przyrządy pomiarowe użyte w ćwiczeniu:

Woltomierz V_ż klasa 0.5

zakres 300 [V]

Woltomierz V_f klasa 0.5

zakres 75 [V]

Mikroamperomierz μA klasa 1

zakres 2 [μA]

Watomierz W klasa 0.5

zakres 100 [W]

Wyniki pomiarów jak i charakterystyki dołączono do sprawozdania.

4.Opracowanie wyników pomiarów.

Błędy pomiarowe

Woltomierz V_ż

Woltomierz V_f

Mikroamperomierz μA:

Watomierz W

Błąd odczytu odległości d: można przyjąć Δd=0,2 cm.

Błąd wielkości d-2 należy policzyć za pomocą różniczki zupełnej:
.

5. Podsumowanie

Wszystkich pomiarów dokonano tak, aby nie uszkodzić fotokomórki - prąd If fotokomórki był mniejszy od 2 µA. Ten fakt spowodował , że prąd If nie osiągnął wartości nasycenia, tz że można obserwować przebieg charakterystyk w zawężonym przedziale.

Charakterystyka I - Charakterystyka prądowo-napięciowa fotokomórki badanej wykazała, że jest to fotokomórka gazowana, gdyż wraz ze wzrostem napięcia między elektrodami następował stale wzrost prądu. Dla napięcia 0[V] stwierdzono, że If=0.06 µA. Prąd ten jest wynikiem tego, że fotokomórka była przez cały czas oświetlona i niektórym wybitym elektronom z fotokatody udało się dotrzeć do anody. Aby zlikwidować to zjawisko należałoby przyłożyć napięcie hamowania.

Charakterystyka II i III- Zależność natężenia prądu fotokomórki od napięcia zasilania żarówki i od mocy zasilającej jest nieliniowa i wraz ze wzrostem napięcia i mocy prąd fotokomórki rośnie. Obie zależności są podobne.

Charakterystyka IV - krzywa natężenia prądu If od odległości d między żarówką a fotokomórką to hiperbola.

Charakterystyka V - przedstawiając dane o odległości żarówki od fotokomórki w postaci d-2 doprowadzono do transformacji charakterystyki IV w linię prostą. Zauważyliśmy, że natężenie prądu fotokomórki jest wprost proporcjonalny do odwrotności kwadratu odległości fotokomórki od żarówki , czyli natężenie prądu fotokomórki jest proporcjonalne do natężenia światła.

---