Zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycznych, Laboratorium z fizyki - cwiczenia


Wydział:

WIL

Imię i Nazwisko:

Marcin Miś

Nr. Zespołu

5

Ocena Ostateczna

Grupa:

Trzecia

Tytuł ćwiczenia:

Zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycznych

Nr. Ćwiczenia

22

Data Wykonania:

  1. Wprowadzenie

0x08 graphic
Fotoogniwo jest elementem, w którym wykorzystuje się zjawisko fotoelektryczne zaporowe (fotowoltaiczne). Zjawisko to polega na powstawaniu siły elektromotorycznej na styku dwu półprzewodników o różnym typie przewod­nictwa (n i p) lub półprzewodnika i metalu (jeśli praca wyjścia elektronów z metalu jest większa od pracy wyjścia elektronów z półprzewodnika) pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego z zakresu częstości optycz­nych. Wartość powstającej siły elektromotorycznej zależy od rodzaju materiału użytego do konstrukcji fotoogniwa oraz natężenia oświetlenia jego powierzch­ni. Największe znaczenie praktyczne mają obecnie fotoogniwa ze złączem p-n. Typowe fotoogniwo ze złączem p-n składa się z elektrody bazowej wykonanej z metalu, na której znaj­duje się warstwa półprzewodnika. Warstwa ta pokryta jest półprzeźro­czystą dla światła cienką powłoką złota lub platyny stanowiącą drugą elektrodę. Między elektrodami oświetlonego fotoogniwa wytwarza się różnica potencjałów, która powoduje przepływ prądu w obwodzie zewnętrznym. Wartość tego prądu jest, w przypadku małego oporu w obwodzie zewnętrznym, w szerokim zakresie oświetleń liniową funk­cją natężenia oświetlenia E. Ta własność ułatwia zastosowanie fotoogniwa do pomiarów fotometrycznych takich, jak np. pomiary natężenia oświetlenia, światłości, strumienia świetlnego, współczynnika absorpcji światła, itp.

Efekt fotowoltaiczny związany jest z powstawaniem swobodnych nośników ładunku wewnątrz półprzewodnika, na który pada promieniowanie elektroma­gnetyczne, czyli ze zjawiskiem fotoelektrycznym. O ile w złączach p-n nie spolaryzowanych zewnętrznym napięciem elektrycznym zjawisko fotoelektryczne prowadzi do pojawienia się na złączu stałej różnicy potencjałów, to w przypadku wstępnego spolaryzowania złącza w kierunku zaporowym, zjawisko fotoelektryczne spowoduje zmianę oporu złącza, jak to ma miejsce w fotodiodach.

Charakterystyka oświetleniowa przedstawia zależność natężenia fotoprądu if od natężenia oświetlenia E powierzchni fotoogniwa. Natężenie oświetlenia charakteryzuje powierzchniową gęstość strumienia promieniowania i definio­wane jest równaniem: E = dΦ/dS, gdzie dΦ jest strumieniem świetlnym pada­jącym na element powierzchni dS. Jednostką natężenia oświetlenia w układzie SI jest l lux.

Gdy rozmiary źródła światła są małe w porównaniu z jego odległością r od oświetlanej powierzchni, natęże­nie oświetlenia znajduje się z wzoru:

0x01 graphic

Wykorzystując charakterystykę oświetleniową można obliczyć czułość oświetleniową fotoogniwa:

0x01 graphic

i wyznaczyć nieznane oświetlenie dzieląc odpowiadająca mu wartość fotoprądu if przez c.

Prawo absorpcji mówi, że jeżeli przez jednorodny, bezbarwny i przeźro­czysty ośrodek biegnie równoległa wiązka promieni świetlnych prostopadle do powierzchni ośrodka, to ulega ona wówczas osłabieniu zgodnie z równaniem:

J = Joe-μd

Wiązka światła białego jest mieszaniną fal o różnych długościach λ i róż­nych współczynnikach absorpcji. Występujący w tym wzorze współczynnik μ jest wobec tego średnim współczynnikiem absorpcji dla promieniowania wi­dzialnego. Należy jednak podkreślić, że dla przeźroczystych, bezbarwnych ośrodków zależność μ od λ jest niewielka, o czym świadczy fakt, że wiązka światła białego po przejściu przez taki ośrodek pozostaje nadal bezbarwna.

Z prawa absorpcji wynika, że aby wyznaczyć współczynnik μ. należy doko­nać pomiarów natężenia światła. Do tego celu można wykorzystać fotoogniwo. Ponieważ natężenie fotoprądu jest wprost proporcjonalne do / możemy napi­sać:

If = kJ = kJoe-μd = ifoe-μd

gdzie: k to współczynnik proporcjonalności, ifo - natężenie fotoprądu zarejes­trowane przed przejściem światła przez ośrodek if natę­żenie fotoprądu zarejestrowane po przejściu światła przez ośrodek o grubości d. Stąd:

0x01 graphic

a po przekształceniu dostajemy:

lnif = lnifo - μd

gdzie if, ifo są liczbami niemianowanymi.

Jak widać lnif jest liniową funkcją grubości warstwy absorpcyjnej. Z tego równania wyznaczymy współczynnik absorpcji /zmierzać natężenie fotoprądu w funkcji grubości tej warstwy.

  1. Tabele Pomiarowe

Tabela 1

Lp

r

m

r2

m2

r-2

m-2

if

μA

1

0,40

0,16

6,25

1,46

2

0,45

0,20

5,00

1,18

3

0,50

0,25

4,00

0,98

4

0,55

0,30

3,33

0,82

5

0,60

0,36

2,78

0,70

6

0,65

0,42

2,38

0,61

7

0,70

0,49

2,04

0,53

8

0,75

0,56

1,79

0,47

9

0,80

0,64

1,56

0,46

10

0,85

0,72

1,39

0,43

11

0,90

0,81

1,23

0,40

12

0,95

0,90

1,11

0,35

13

1,00

1,00

1,00

0,32


Tabela 2

Lp

d

cm

if

μA

1

0

8,25

2

1,05

6,25

3

2,10

5,20

4

3,15

4,25

5

4,20

3,55

6

5,25

3,00

7

6,30

2,60

8

7,35

2,15

9

8,40

1,80

Światło źródła = 1,55 [cd]

Ćwiczenie 1

Na podstawie Tabeli 1 rysuje wykres charakterystyki oświetleniowej fotoogniwa korzystając z metody regresji liniowej:

0x01 graphic

Wykres został wykonany przy pomocy programu udostępnionego w laboratorium który jednocześnie wyliczył prostą z regresji liniowej.

y=Ax + B gdzie A = 0.214 ± 0.003, a B = 0.111 ± 0.008

Następnie korzystając z wykresu obliczam czułość oświetleniową fotoogniwa. Jest ona dla badanego zakresu oświetleń stała.

0x01 graphic

Z zależności E = if/c obliczam oświetlenie panujące w laboratorium:

0x01 graphic

Ćwiczenie 2

Sporządzam wykres zależności fotoprądu od grubości płyt absorpcyjnych

0x01 graphic

otrzymałem wykres :

y = 8e-0,175x

zgodnie z własnością logarytmu obliczam współczynnik absorpcji:

lnCe-ax = lnC - ax

μ = -a [cm-1]

Zatem szukany współczynnik to:

μ = 17,5 * 10-2 [cm-2]

3



Wyszukiwarka