Ćwiczenie nr 6	Badanie fotokomórki gazowanej	Data: 29.03.2010r.
I INF L8

Wstęp

A. Einstein wyjaśnił mechanizm zjawiska fotoelektrycznego założył on (za Planckiem), że światło ma budowę ziarnisto-kwantową a energia jednego kwanta wynosi hν- gdzie h- jest stałą Plancka() a ν- częstotliwością drgań fali elektromagnetycznej padającej na dany metal. W myśl tych założeń strumień promieniowania składa się z pojedynczych kwantów posiadających określoną energię. Energia kwantu promieniowania czyli fotonu, padającego na powierzchnię metalu jest oddana całkowicie jednemu z elektronów metalu(przy czym kwant przestaje istnieć). Wymiana energii między elektronem a fotonem odbywa się w czasie około

Energia fotonu przekazana elektronowi może ulec podziałowi na pracę wyjścia i energię kinetyczną elektronu lub tylko na pracę wyjścia. Warunek wymiany energii możemy zapisać w postaci:

W- praca wyjścia

h- stała Planca

hv- energia elektronu

Praca wyjścia W nazywa się minimalną pracą konieczną do wyrzucenia elektronu o energii odpowiadającej energii na poziomie Feriniego z ciała stałego do otaczającej to ciało próżni. Podstawiając za pracę gdzie :

e-jest to ładunek elektronu

- jest różnicą potencjałów przez jaką musi przejść elektron przy wychodzeniu na zewnątrz

W granicznym przypadku gdy cała energia pochłoniętego fotonu zostaje zużyta na pokonanie bariery potencjału a prędkość fotoelektronów jest równa 0,to:

, gdzie:

- graniczna częstość (przy której elektrony opuszczają powierzchnię metalu z prędkością 0) albo progowa częstotliwość promieniowania padającego. Ze wzrostem dodatniego potencjału anody przyspieszającego elektrony, natężenie fotoprądu rośnie osiągając wartość stałą (prąd nasycenia - wszystkie elektrony emitowane z powierzchni katody docierają do anody).

Fotokomórki wykorzystujące zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne dzielimy na próżniowe i gazowe. Są to bańki szklane z dwiema elektrodami. W fotokomórce próżniowej panuje ciśnienie rzędu 10⁻⁶Pa. W gazowanej znajduje się gaz obojętny.

Cel ćwiczenia

W ćwiczeniu wykonujemy dwie charakterystyki : prądowo - napięciową i świetlną.

Przy wyznaczaniu charakterystyki prądowo - napięciowej umieszczamy żarówkę w trzech stałych odległościach od fotokomórki (6cm, 12cm, 20cm)

i odczytujemy wartość natężenia prądu przy napięciu zmienianym w zakresie

0 - 100 V co10V.

Do wyznaczenia drugiej charakterystyki (świetlnej) ustawiamy stałe napięcia (100V, 90V, 80V), a następnie w przedziale od 9cm do 20cm co 1cm mierzymy wartość fotoprądu.

Wykresy

Charakterystyka prądowo-napięciowa I=f(U)

Charakterystyka świetlna I=f(1/d²)

Szacowanie niepewności

Woltomierz Mikroamperomierz

Klasa 0,5 klasa 1,5

1dz = 1V 1dz = 1µA

Zakres= 300V Zakres=100 µA

1)

$X = \frac{Zakres*klasa}{100} + \frac{1}{2}dzialki$ $u\left( X \right) = \frac{X}{\sqrt{3}}$

u(I)=1,154µA u(U)=1,154V

2) , liczymy pochodną $X^{'} = \frac{2}{d^{3}}$

d = 1mm (niepewność wzorcowania dla pomiaru długości ).

$$\frac{X}{X} = 2*\frac{d}{d}$$

$$X = \frac{2*d*X}{d} = \frac{2d}{d^{3}}$$

$$X = \frac{0.2}{d^{3}}$$

$$u\left( X \right) = \frac{X}{\sqrt{3}}$$

d=9 ΔX=0,000274 u(1/d²)=0,000158

d=10 ΔX=0,0002 u(1/d²)=0,000115

d=11 ΔX=0,00015 u(1/d²)=0,0000866

d=12 ΔX=0,00012 u(1/d²)=0,0000693

d=13 ΔX=0,00009 u(1/d²)=0,000052

d=14 ΔX=0,00007 u(1/d²)=0,0000404

d=15 ΔX=0,000059 u(1/d²)=0,000034

d=16 ΔX=0,000049 u(1/d²)=0,0000282

d=17 ΔX=0,000041 u(1/d²)=0,0000237

d=18 ΔX=0,000034 u(1/d²)=0,0000196

d=19 ΔX=0,000029 u(1/d²)=0,0000167

d=20 ΔX=0,000025 u(1/d²)=0,0000144

IV. Wyjaśnienia z prawa Lamberta (odwrotnych kwadratów)

E = I cosθ/R²       Jeśli promienie padają prostopadle do powierzchni  oświetlanej, zależność ta przyjmuje uproszczoną postać: E = I/R² 

Wnioski

Z charakterystyki prądowo-napięciowej wynika, że przy stałej odległości (6cm, 12cm, 20cm) zwiększając napięcie co 10V wartość fotoprądu rośnie.

Z charakterystyki świetlnej wynika, że wraz ze zwiększeniem odległości światła wartość fotoprądu maleje. Oddalając żarówkę od fotokomórki zmniejszamy strumień światła padający na fotokomórkę, dlatego wytraca się coraz mniej elektronów z katody,. Wynikiem tego jest zmniejszenie wartości fotoprądu.

Błędne pomiary mogą być skutkiem nie punktowości ustawienia źródła światła, błąd mierników oraz błąd eksperymentatora.