Politechnika Śląska
Wydział Elektryczny
studia wieczorowe
Wyznaczanie charakterystyk
fotokomórki gazowanej
WSTĘP
Zjawisko fotoelektryczne zostało wykryte pod koniec ubiegłego wieku . Dokładne badania tego zjawiska w fotokomórkach pozwoliły sformułować następujące prawa:
1. Maksymalna prędkość początkowa fotoelektronów zależy od częstotliwości światła , a nie zależy od jego natężenia .
2. Dla każdego metalu istnieje długofalowa granica fotoelektryczna . Zjawisko fotoelektryczne zachodzi dla światła o częstotliwości większej od tej wartości granicznej.
Granica długofalowa zjawiska fotoelektrycznego zależy od składu chemicznego materiału katody i od stanu jej powierzchni .
3. Liczba emitowanych elektronów w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia światła. Natężenie nasyconego prądu fotokomórki jest proporcjonalne do oświetlenia powierzchni.
Problemy z interpretacją zjawiska fotoelektrycznego na drodze falowej spowodowały wysunięcie przez A. Eisteina teorii o kwantowym charakterze tego zjawiska. Według tej teorii światło w postaci porcji energii , zwanej fotonami , przekazywane jest elektronom.
Bardzo precyzyjne eksperymenty R. A. Millikana potwierdziły słuszność teorii Eisteina.
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne stosuje się w fotokomórkach .
W bańce szklanej znajdują się elektrody : katodę stanowi metal naparowany na wewnętrzną stronę bańki , a anodę drut w kształcie pętli.
Próżniowe fotokomórki charakteryzują się stanem nasycenia, a czułość prądu elektronowego osiąga wartość do 10-10 A/lx
Fotokomórki próżniowe wymagają stosowania wzmacniaczy . Większą czułość wykazują fotokomórki gazowane wypełnione najczęściej argonem. Fotoelektrony w przyśpieszającym polu elektrycznym anody uzyskują energię pozwalającą jonizować cząsteczki gazu , dzięki czemu uzyskuje się znaczny wzrost natężenia prądu , co przy nadmiernym zwiększaniu napięcia może doprowadzić do uszkodzenia lampy .
Fotokomórki znalazły zastosowanie w przekaźnikach fotoelektrycznych , urządzeniach liczących , w filmie dźwiękowym do odczytu ścieżki akustycznej. Obecnie jednak zostały wyparte przez elementy fotoelektryczne : fotorezystory , fotodiody i fototranzystory.
Do badania fotokomórki stosujemy w pracowni rurę fotometryczną . Wewnątrz niej znajdują się fotokomórka oraz żarówka z przesłoną . Drążek z naniesioną podziałką centymetrową umożliwia przesuw żarówki. Zaciski służą do podłączenia zasilania fotokomórki . Rura pokryta jest wewnątrz czarnym , matowym lakierem zmniejszającym niepożądane odbicia . Przesłona pozwala realizować założenie o punktowym źródle światła .
PRZEBIEG ĆWICZENIA
1. Łączymy obwód wg. schematu z instrukcji.
2. Przy ustalonym napięciu żarówki Uż = 220 V notujemy wskazania mikroamperomierza zmieniając napięcie fotokomórki Uf w zakresie 0 - 75 V co 5 V .
Nie wolno przekroczyć natężenia prądu Imax = 2A .
Tabela pomiarowa 1.
Moc P = 30 W
Odległość fotokomórki od żarówki d = 50 cm .
Lp. |
Napięcie Uf [ V ] |
Natężenie prądu I [A ] |
1 |
0 |
0 |
2 |
5 |
0,28 |
3 |
10 |
0,36 |
4 |
15 |
0,40 |
5 |
20 |
0,42 |
6 |
25 |
0,52 |
7 |
30 |
0,60 |
8 |
35 |
0,68 |
9 |
40 |
0,76 |
10 |
45 |
0,86 |
11 |
50 |
0,96 |
12 |
55 |
1,08 |
13 |
60 |
1,20 |
14 |
65 |
1,34 |
15 |
70 |
1,48 |
16 |
75 |
1,68 |
3. Przy ustalonym napięciu fotokomórki Uf = 60 V notujemy wskazania mierników zmieniając napięcie żarówki w zakresie 50 - 220 V co 10 V .
Tabela pomiarowa 2.
Napięcie fotokomórki Uf = 60 V
Odległość fotokomórki od żarówki d = 50 cm
Lp. |
Napięcie Uż [ V ] |
Natężenie prądu [A] |
Moc żarówki P [W] |
1 |
50 |
0 |
3,0 |
2 |
60 |
0 |
4,0 |
3 |
70 |
0,01 |
5,0 |
4 |
80 |
0,03 |
6,5 |
5 |
90 |
0,05 |
7,5 |
6 |
100 |
0,08 |
9,0 |
7 |
110 |
0,12 |
10 |
8 |
120 |
0,17 |
12 |
9 |
130 |
0,22 |
13 |
10 |
140 |
0,28 |
15 |
11 |
150 |
0,36 |
16,5 |
12 |
160 |
0,47 |
18,5 |
13 |
170 |
0,56 |
20 |
14 |
180 |
0,70 |
22 |
15 |
190 |
0,81 |
24 |
16 |
200 |
0,94 |
26 |
17 |
210 |
1,10 |
28.5 |
18 |
220 |
1,26 |
30 |
4. Przy ustalonych wartościach napięcia fotokomórki Uf = 60 V i żarówki Uż = 180 V zmieniamy odległość żarówki od fotokomórki d od 60 cm do odległości minimalnej , przy której If < 2 A .
Tabela pomiarowa 3.
Moc Żarówki P = 22 W
Napięcie fotokomórki Uf = 60 V
Napięcie żarówki Uż = 180 V
Lp. |
Odległość d [ cm] |
Natężenie prądu [A] |
1 |
60 |
0,46 |
2 |
57.5 |
0.51 |
3 |
55 |
0,56 |
4 |
52.5 |
0.61 |
5 |
50 |
0,66 |
6 |
47.5 |
0.72 |
7 |
45 |
0,80 |
8 |
42.5 |
0.87 |
9 |
40 |
0.96 |
10 |
37.5 |
1.12 |
11 |
35 |
1,26 |
12 |
32.5 |
1.42 |
13 |
30 |
1,64 |
14 |
27 |
1.98 |
5. Rysujemy wykresy zależności natężenia prądu fotokomórki od :
a) napięcia fotokomórki,
b) napięcia żarówki,
c) mocy żarówki,
d) odległości d,
e) kwadratu odwrotności odległości
RACHUNEK BŁĘDÓW
1. Obliczenie błędów pomiarowych.
Mierniki |
Klasa [%] |
Zakres |
Dokła. odczytu |
Woltomierz Uż |
0.5 |
300 |
2 V |
Woltomierz Uf |
0.5 |
75 |
0.3 V |
Watomierz |
0.5 |
50 |
0.25 W |
Mikroamperomierz |
1 |
2 |
0.02 μA |
Błąd odczytu na podziałce drążka służącego do przesuwania żarówki wewnątrz rury wynosi:
2. Wartość błędu bezwzględnego jest stała i zależy od: klasy, zakresu miernika i dokładności odczytu, a nie zależy od wartości wielkości mierzonej. Dlatego błędy zaznaczone na wykresach w postaci prostokątów błędów, dla danej wielkości mierzonej są stałe i równe 2 × ΔX poszczególnych mierników.
3. Obliczamy rozmiary prostokątów błędów na wykresach:
a) dla wykresu I = f(Uf)
Oś Uf [V] : 1 podziałka = 1V ; 2×ΔXUf = 1.4V , więc 2×ΔXUf = 1.4 podziałki
Oś I [μA] : 1 podziałka = 0.02μA ; 2×ΔXI = 0.08μA , więc 2×ΔXI = 4 podziałki
b) dla wykresu I = f(Uż)
Oś Uż [V] : 2×ΔXUż = 3.5 podziałki
Oś I [μA] : 2×ΔXI = 4 podziałki
c) dla wykresu I = f(P)
Oś P [W] : 2×ΔXP = 2 podziałki
Oś I [μA] : 2×ΔXI = 4 podziałki
d) dla wykresu I = f(d)
Oś d [cm] : 2×ΔXd = 1 podziałki
Oś I [μA] : 2×ΔXI = 4 podziałki
Nanosimy prostokąty błędu na poszczególne wykresy.
4. Dla wykresu I = f(1/d2) analizę błędu prowadzimy w następujący sposób:
a) obliczamy wysokość słupka błędu dla osi I [μA] : 2×ΔXI = 4 podziałki
b) nanosimy obliczony słupek błędu na wykres (środek słupka leży na prostej)
c) rysujemy dwie proste (przerywane) przechodzące przez końce słupka błędu i równoległe do prostej.
Proste przerywane są obwiednią błędu.
Błąd kwadratu odwrotności odczytujemy w następujący sposób:
a) prowadzimy prostą o wartości Ix
b) rzutujemy punkty przecięć prostej Ix z obwiednią błędu na oś 1/d2
Wartość błędu jest równa połowie wartości z wyznaczonej tj. ΔX1/d = 0.28 1/m2
WNIOSKI
Wykresy I=f(P), I=f(Uż), I=f(Uf) oraz I=f(d) odpowiadają funkcją potęgowym. Trzy pierwsze o dodatnim współczynniku stojącym przy najwyższej potędze, a czwarty - o współczynniku ujemnym. Natężenie potęgowo rośnie wraz ze wzrostem P, Uż i Uf, a maleje ze zwiększeniem odległości.
Zależność I=f(1/d2) jest wykresem liniowym o równaniu I = 0.1391(1/d2) + 0.0626. Równanie to może posłużyć do wyznaczenia prądu fotokomórki znająć jej odległość od źródła światła