Ćwiczenie nr 91
- Badanie zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego
I. Cel ćwiczenia
Wyznaczenie średniej wartości natężenia prądu fotoelektrycznego dla różnych wartości strumienia promieniowania φ, wyznaczenie charakterystyki prądowo-napięciowej fotokomórki (zależność natężenia prądu fotoelektrycznego i od przyłożonego do niej napięcia), wyznaczenie wartości prądu nasycenia.
II. Wprowadzenie
W tym punkcie zostaną omówione zjawiska oraz zagadnienia mające miejsce podczas wykonywania tego doświadczenia.
- Zjawisko fotoelektryczne jest to efekt elektryczny występujący w ciałach pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego np. światła czy promieniowania ultrafioletowego. Pod wpływem tego promieniowania możemy zaobserwować emisję elektronów z powierzchni katody, którą jest warstwa materiału naniesiona bezpośrednio na wewnętrzną stronę bańki szlanej stanowiącej obudowę. Elektrony wybijane z katody są zbierane przez anodę o kształcie spirali tworząc obwód elektryczny. Natężenie prądu fotoelektrycznego zależy od wartości strumienia promieniowania φ, a zarazem od odległości źródła tego promieniwania r oraz także od napięcia pomiędzy katodą, a anodą.
III. Wyznaczanie wartości natężenia prądu fotoelektrycznego w zależności od strumienia promieniowania.
Tabela 1
i | Δi | r | 1/r2 | i | Δi | r | 1/r2 |
---|---|---|---|---|---|---|---|
μA | μA | m | 1/m2 | μA | μA | m | 1/m2 |
5,375 | 0,075 | 0,20 | 25,00 | 0,450 | 0,075 | 0,65 | 2,37 |
3,375 | 0,075 | 0,25 | 16,00 | 0,400 | 0,075 | 0,70 | 2,04 |
2,100 | 0,075 | 0,30 | 11,11 | 0,330 | 0,075 | 0,75 | 1,78 |
1,450 | 0,075 | 0,35 | 8,16 | 0,300 | 0,075 | 0,80 | 1,56 |
1,050 | 0,075 | 0,40 | 6,25 | 0,270 | 0,075 | 0,85 | 1,38 |
0,900 | 0,075 | 0,45 | 4,94 | 0,240 | 0,075 | 0,90 | 1,23 |
0,750 | 0,075 | 0,50 | 4,00 | 0,220 | 0,075 | 0,95 | 1,11 |
0,600 | 0,075 | 0,55 | 3,31 | 0,210 | 0,075 | 1,00 | 1,00 |
U = ±0, 3 % rdg + 1 dgt
$$i = \frac{klasa*zakres}{100}$$
Δr = 0,01m
Δr2=0,02m
Powyższe wyniki zaprezentowane są graficznie na wykresie 1
Wykres 1
Wykres kształtuje się w prawie prostą linię. Oznacza to, że natężenie prądu jest proporcjonalne do kwadratu odległości źródła światła od fotokomórki. Dla punktów z zaznaczonymi słupkami niepewności widoczne jest, iż niepewność pomiaru rośnie wraz z dystansem r.
IV. Wyznaczanie charakterystyki prądowo-napięciowej.
Tabela 2
U | ΔU | i | Δi | U | ΔU | i | Δi |
---|---|---|---|---|---|---|---|
V | V | μA | μA | V | V | μA | μA |
1,0 | 1,0 | 0,500 | 0,075 | 35,0 | 1,1 | 4,500 | 0,075 |
2,0 | 1,0 | 1,000 | 0,075 | 40,0 | 1,1 | 4,600 | 0,075 |
3,0 | 1,0 | 1,400 | 0,075 | 45,0 | 1,1 | 4,650 | 0,075 |
4,0 | 1,0 | 1,750 | 0,075 | 50,0 | 1,2 | 4,660 | 0,075 |
5,0 | 1,0 | 2,060 | 0,075 | 55,0 | 1,2 | 4,700 | 0,075 |
6,0 | 1,0 | 2,450 | 0,075 | 60,0 | 1,2 | 4,750 | 0,075 |
7,0 | 1,0 | 2,700 | 0,075 | 65,0 | 1,2 | 4,800 | 0,075 |
8,0 | 1,0 | 3,000 | 0,075 | 70,0 | 1,2 | 4,800 | 0,075 |
9,0 | 1,0 | 3,200 | 0,075 | 75,0 | 1,2 | 4,820 | 0,075 |
10,0 | 1,0 | 3,450 | 0,075 | 80,0 | 1,2 | 4,830 | 0,075 |
15,0 | 1,0 | 4,050 | 0,075 | 85,0 | 1,3 | 4,850 | 0,075 |
20,0 | 1,1 | 4,300 | 0,075 | 90,0 | 1,3 | 4,900 | 0,075 |
25,0 | 1,1 | 4,400 | 0,075 | 95,0 | 1,3 | 4,950 | 0,075 |
30,0 | 1,1 | 4,450 | 0,075 | 100,0 | 1,3 | 4,970 | 0,075 |
Wyniki powyższych pomiarów przedstawione są poniżej na wykresie 2
Wykres 2
`
Uzyskany wykres wyraźnie dzieli się na dwie części. W pierwszej (od 1 do ok 15 V) widać szybki przyrost natężenia wraz z przyrostem napięcia prądu. Natomiast w drugiej części przyrost również istnieje, jednak nachylenie tej części grafu jest znacznie łagodniejsze, niż poprzedniej. Spowodowane jest to osiągnięciem przez anodę maksymalnego natężenia prądu. Potem anoda nadal przyjmuje elektrony z katody, jednak w znacznie niższym stopniu.
Błędy pomiarowe napięcia prądu nie zmieniają się z jego przyrostem, jednak błąd pomiaru natężenia znacznie wzrasta wraz ze wzrostem natężenia prądu.
Granicznym punktem, a zarazem wartością nasycenia prądu is, do którego również wykres zbliża się asymptotycznie jest punkt „28”:
U=15,0V
ΔU=1,30V
I=4,970μA
Δi=0,075μA
V. Obserwacje i Wnioski
WNIOSKI DOPISZE PO ZRIOBIENIU RYCH WYKRESOW ITP.
V. Opracowanie wyników:
1. Dla danego r obliczyć wartość średnią natężenia prądu fotoelektrycznego i z obu
serii pomiarów oraz jej niepewność. Przedstawić graficznie zależność
2. Dla wybranych punktów z początkowego, środkowego i końcowego przedziału
odległości zaznaczyć pola niepewności. Omówić wynik graficzny.
3. Dla danego U obliczyć wartość średnią natężenia prądu fotoelektrycznego
oraz jej niepewność.
4. Przedstawić charakterystykę prądowo-napięciową badanej fotokomórki
próżniowej (iśr=f(U)).
5. Dla wybranych punktów z początkowego, środkowego i końcowego zakresu
napięcia zaznaczyć pola niepewności. Wynik graficzny omówić.
6. Wyznaczyć wartości prądu nasycenia is
i ich niepewności. Uzyskane wyniki
omówić.