Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej		Zespół: 3	Data:
Grupa 18	Zastosowanie fotokomórki do pomiarów fotometrycznych	Nr. Ćw.: 21	Ocena:

I. WPROWADZENIE

1. Rodzaje zjawisk fotoelektrycznych:

• Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, które polega na emisji elektronów pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Zjawiska zachodzące podczas oświetlenia ciała stałego lub ciekłego nazywamy fotoemisją lub fotoefektem zewnętrznym, natomiast zjawisko fotoelektryczne obserwowane w gazach (na oddzielnych atomach i cząsteczkach) nosi nazwę fotojonizacji.

• Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na wzroście przewodnictwa elektrycznego półprzewodników i dielektryków pod wpływem oświetlenia.

• Zjawisko fotoelektryczne zaporowe polegające na tym, że na złączu półprzewodnika i metalu (lub dwóch półprzewodników różnego typu) podczas absorpcji kwantów promieniowania elektromagnetycznego, powstaje siła elektromotoryczna.

Pierwszy ze zjawisk fotoelektrycznych jest zjawiskiem kwantowym, gdzie wybijane zostają elektrony z powierzchni naświetlonego promieniowaniem elektromagnetycznym metalu. Taki foton (czyli kwant promieniowania) o energii h_٧, gdy pada na metal, to oddaje swoją energię pojedynczemu elektorowi (a ta z kolei zostaje zużyta, aby pokonać barierę potencjału metal - powietrze i uwolnić elektron z metalu). Minimalna energia potrzebna elektronom na opuszczenie powierzchni metalu nazywamy pracą wyjścia (W).

Einstein podał równanie, które jest bilansem energii fotonu oddziałującego z elektronem i wygląda następująco:

gdzie:

W - praca wyjścia

= Ek - maksymalna energia kinetyczna fotoelektronów (może się wahać w granicach od

0 do h_v - W).

Zjawisko fotoelektryczne może zachodzić tylko, gdy energia fotonu > W. Jeżeli energia kwantu jest równa pracy wyjścia, to otrzymujemy warunek na częstotliwość progową, poniżej której zjawisko to nie występuje.

h_vp = W

gdzie:

_vp - częstotliwość progowa (odpowiadająca jej progowa długość fali świetlnej λp = hc/W).

Dla większości metali _vp leży w nadfiolecie i w świetle widzialnym zjawisko to nie występuje.

Aby zbadać prawa, które rządzą zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym używa sie fotokomórki próżniowej (szklanej bańki, w której wewnętrzna ściana pokryta jest warstwą takiego metalu alkalicznego, że emisja elektronów następuje z niego przy stosunkowo niskiej częstotliwości światła - jest on katodą lampy. Występuje tu także okienko kwantowe, które umożliwia promieniowania do środka. Anoda ma kształt pętli, spirali lub siatki i zbiera ona fotoelektrony wybijane z katody przez strumień światła).

Oświetlenie fotokatody wywołuje emisję elektronów, które dobiegając do anody zamykają obwód i powodują przepływ prądu.

W takiej fotokomórce uzyskiwane pomiary prądu są niewielkie (rzędu 1 µA), ponieważ panują tam warunki, odpowiadające wysokiej próżni.

Takie natężenie prądu płynącego w obwodzie fotokomórki zależy od:

• wartości strumienia promieniowania (Φ) padającego na katodę

• napięcia pomiędzy anodą i katodą

• częstotliwości V promieniowania

Jeżeli na taką katodę w fotokomórce próżniowej, pada promieniowanie, które ma określoną częstotliwość to dla określonego strumienia Φ z katody wyzwala się w jednostce czasu stała liczba elektronów.

Fotokomórka to urządzenie, którego zasadniczą częścią jest fotoelement (czyli element elektroniczny, którego właściwości elektryczne zmieniają się na skutek promieniowania elektromagnetycznego). Prąd płynący przez fotokomórkę zależy od ilości promieniowania elektromagnetycznego (np. światła) padającego na fotokatodę.

1. Wygląd zewnętrzny fotokomórki

2. Symbol fotokomórki

3. Zasada działania fotokomórki

Fotokomórka , lampa próżniowa, która ma dwie elektrody; jedną elektrodą jest zwykle warstwa metalu, naparowana na wewnętrzną stronę szklanej bańki próżniowej - katoda, drugą elektrodą jest wygięty pręt metalowy znajdujący się wewnątrz lampy - anoda. Nieoświetlona fotokomórka nie przewodzi prądu, prąd może się jednak pojawić jeżeli katoda zostanie oświetlona.

Fotokomórka gazowa (wypełniona małą ilością gazu szlachetnego). Tutaj elektrony przyśpieszane są polem elektrycznym pomiędzy anodą i katodą i otrzymują energię dostateczną do jonizacji atomów gazu w wyniku zderzeń. To z kolei prowadzi do wystąpienia jonizacji wtórnej (co w konsekwencji prowadzi do wzrostu natężenia prądu, spowodowany zwiększeniem ilości nośników prądu).

Z teorii Einsteina można wyjaśnić proporcjonalną zależność natężenia prądu do wartości strumienia promieniowania padającego na fotokatodę. Liczba fotoelektronów emitowanych w ciągu jednostki czasu jest wprost proporcjonalna do liczby fotonów padających w tym samym czasie na powierzchnię fotokatody, co pokazuje wzór: ne = j * nf

gdzie:

ne - liczna fotoelektronów

nf - fotony

j - współczynnik proporcjonalności (wydajność kwantowa)

Związek strumienia promieniowania ze strumieniem fotonów (gdzie każdy foton posiada energię hv) możemy zapisać wzorem: Φ = nfh_v

Jeżeli uwzględnimy dwa parzyste wzory, to otrzymamy wzór: if ~ ne = j/hv * Φ

Z powyższego wzoru możemy odczytać, że liczba elektronów opuszczających fotokatodę (w jednostce czasu) jest wprost proporcjonalna do wartości strumienia promieniowania padającego na fotokatodę. Jeżeli taki strumień świetlny równomiernie oświetla całą powierzchnię, to związek Φ z wielkością natężenia oświetlenia E powierzchni fotokomórki możemy pokazać za pomocą zależności: E=Φ/s

Gdzie: s=0,0009 m²-powierzchnia warstwy światłoczułej fotokomórki prostopadła do źródła światła;
Φ= strumień światła padającego na fotokomórkę.

Gdy mamy do czynienia z sytuacją, że rozmiary światła są małe w porównaniu z jego odległością od oświetlonej powierzchni (tzn. w przypadku punktowego źródła światła), natężenie oświetlenia zapisuje się wzorem: E = I/r²

gdzie:

I - światłość światła

Z tego wynika, że całkowity strumień promieniowania zmniejsza się wraz ze wzrostem odległości, zgodnie z prawem: Φ = ES = I/ r² * S

Definicje wielkości fotometrycznych i ich jednostki:
Kandela [1cd]- jednostka światłości źródła światła, zatem jest to światłość, z jaką świeci w określonym kierunku źródło emitujące promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 5,4·10¹⁴ Hz i wydajności energetycznej w tym kierunku równej (1/683) W/sr (steradian).

Lumen [1 lm] - jednostka miary strumienia świetlnego, zatem jest to strumień świetlny wysłany w jednostkowy kąt bryłowy (steradian) przez izotropowe punktowe źródło światła o światłości jednej kandeli umieszczone w wierzchołku tego kąta, czyli 1 lm = 1 cd·sr

Luks [1lx] - jednostka natężenia oświetlenia E, zatem określany jest jako oświetlenie wywołane przez równomiernie rozłożony strumień świetlny o wartości równej 1 lumen (lm) padający na powierzchnię 1m². 1 lx = 1 cd·sr / m²

II. METODA POMIARU

Zadanie 1. Wyznaczenie charakterystyki prądowo - napięciowej fotokomórki.

Fotokomórkę zasilaną napięciem stałym oświetlamy żarówką wolframową o mocy ok. 30 W. Źródło światła ustawiamy w takiej odległości od fotokomórki, aby przy maksymalnym dopuszczalnym napięciu na fotokomórce wychylenie wskaźnika mikroamperomierza również było bliskie maksymalnemu. Włączamy, zaczynając od zera, napięcie i zmieniając go co kilka woltów odczytujemy odpowiadające mu wychylenie wskaźnika mikroamperomierza. Wyniki pomiarów zapisujemy w tabeli.

Zadanie 2. Wyznaczanie charakterystyki oświetleniowej komórki.

Osłaniamy fotokomórkę nieprzezroczystą osłoną i notujemy natężenie prądu i0. Naprzeciw komórki ustawiamy punktowe źródło światła. Zmieniamy odległość r od fotokomórki i notujemy odpowiadające mu natężenie prądu.

III. OPRACOWANIE WYNIKÓW

Zadanie 1.

Lp.	U[V]	if[μA]	Lp.	U[V]	if[μA]	Lp.	U[V]	if[μA]
1.	4,1	4	9.	36,1	43	17.	70,3	74
2.	8,1	13	10.	40,1	46	18.	74,3	75
3.	12,0	23	11.	44,0	47	19.	78,2	78
4.	16,1	31	12.	48,0	50	20.	82,2	82
5.	20,2	34	13.	54,3	54	21.	86,3	85
6.	24,2	37	14.	58,2	56	22.	90,2	89
7.	28,1	39	15.	62,2	57	23.	94,2	90
8.	32,1	42	16.	66,3	72	24	98,2	92
Cf=100 μA/m ; s=9,00cm^2; if=0,05 μA V=0,5 V						25.	100,2	94

Zadanie 2.

Lp.	r[m]	r^2[m^2]		i[μA]	E=[lx]	Niepewność
1.	0,42	0,18	5,56	87	966,67	±0,6[lx]
2.	0,52	0,27	3,70	61	677,78	±0,6[lx]
3.	0,62	0,38	2,63	46	511,11	±0,6[lx]
4.	0,72	0,52	1,92	36	400,00	±0,6[lx]
5.	0,82	0,67	1,49	28	311,11	±0,6[lx]
6.	0,92	0,85	1,18	23	255,56	±0,6[lx]
7.	1,02	1,04	0,96	18	200,00	±0,6[lx]
8.	1,12	1,25	0,80	15	166,67	±0,6[lx]
9.	1,22	1,49	0,67	13	144,44	±0,6[lx]

Oświetlenie E powierzchni ustawionej w odległości r od źródła światła wyraża się wzorem:

Oświetlenie zdefiniowane jest następująco:

gdzie: - powierzchnia warstwy światłoczułej fotokomórki prostopadła do źródła światła

- strumień światła padającego na fotokomórkę

Strumień światła padającego na fotokomórkę zdefiniowany jest następująco:

gdzie: - czułość fotokomórki

Zatem:

Jednostka dla oświetlenia:

Wnioski: Z wykresu charakterystyki fotokomórki wynika że była to fotokomórka gazowa.

---