Piotr Molenda 7.I.2006r.

I TD

Ćwiczenie nr 40

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.

I. Zagadnienia do samodzielnego opracowania

1. Zjawisko fotoelektryczne jako wynik oddziaływania światła z materią.

2. Prawa zjawiska elektrycznego

3. Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne.

II. Część teoretyczna

W normalnych warunkach elektron nie może opuścić metalu. Musi on pokonać potencjał jonizacyjny. Energię potrzebną do pokonania tego potencjału otrzymać musi z zewnątrz w postaci np.: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego, energii świetlnej. Emisja pod wpływem światła nosi nazwę fotoemisji lub zjawiska fotoelektrycznego. Zjawisko fotoelektryczne dzielimy na zewnętrzne i wewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia. Uwolnione elektrony nazywamy fotoelektronami a związany z nimi prąd elektryczny - fotoprądem.

W wyniku długotrwałych badań ustalono następujące prawidłowości rządzące tym zjawiskiem:

1. Elektrony pojawiają się natychmiast po oświetleniu metalu (po czasie 3 × 10 ^-9 sek.).

2. Gęstość prądu fotoelektrycznego, czyli ilość emitowanych fotoelektronów jest proporcjonalna do oświetlenia.

3. Energia fotoelektronów nie zależy od natężenia światła.

4. Energia najszybszych fotoelektronów jest proporcjonalna do częstości ν drgań fali świetlnej.

Nadmiar energii elektron otrzymuje w postaci energii kinetycznej (nabywa prędkości).

Tak więc równanie Einsteina przyjmuje postać:

Dodać należy, że zjawiska fotoelektrycznego nie można wyjaśnić w oparciu o falową teorię światła.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na zmianie właściwego przewodnictwa elektrycznego ciał stałych pod wpływem energii promieniowania świetlnego. Kwanty światła przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wskutek czego wzrasta przewodnictwo właściwe. Zjawisko to wystąpi tylko dla częstości wyższych od pewnej granicznej
, dla której energia kwantu jest równa szerokości pasma wzbronionego
.

Celem zwiększenia efektu należy do maksimum zwiększyć powierzchnię próbki, nadając jej kształt cienkiej blaszki. Ponieważ opór elektryczny próbki zależy od nośników, opór próbki oświetlonej jest mniejszy od oporu próbki nieoświetlonej. Zjawisko to znalazło zastosowanie praktyczne w fotooporniku.

III. Wykonanie ćwiczenia.

1. 
   Połączyłem obwód według schematu:

2. Ustawiłem źródło światła w odległości około 0,2 m od fotooporu i sprawdziłem czy fotoopór reaguje na oświetlenie.

3. Przy stałej wartości napięcia zasilającego przeprowadziłem pomiar zależności natężenia prądu od odległości fotooporu od źródła światła: I = I(r). W tym celu zmieniałem położenie fotooporu od około 0,15 m do źródła światła aż do takiego położenia, przy którym nie zaobserwowałem przepływu prądu w obwodzie (I = 0).

4. Oszacowałem błędy pomiarów Δr i ΔI.

5. Wyniki umieściłem w tabelce.

6. Wykonałem na papierze milimetrowym wykres zależności prądu od kwadratu odwrotności odległości źródła od fotooporu I ( I / r ² ). Na wykresie zaznaczyłem błędy ΔI oraz Δ ( I / r ² ).

IV. Tabela.

U	r	I	ΔU	ΔI
[V]	[cm]	[mA]	[V]	[mA]	[cm]
20	0,20	1,725	0,1	0,015	0,001250
20	0,25	0,975	0,1	0,015	0,000640
20	0,30	0,600	0,1	0,015	0,000370
20	0,35	0,400	0,1	0,015	0,000230
20	0,40	0,260	0,1	0,015	0,000160
20	0,45	0,200	0,1	0,015	0,000110
20	0,50	0,150	0,1	0,015	0,000080
20	0,55	0,100	0,1	0,015	0,000060
20	0,60	0,100	0,1	0,015	0,000046
20	0,65	0,060	0,1	0,015	0,000036
20	0,70	0,050	0,1	0,015	0,000029
20	0,75	0,050	0,1	0,015	0,000024
20	0,80	0,050	0,1	0,015	0,000019
20	0,85	0,040	0,1	0,015	0,000016
20	0,90	0,035	0,1	0,015	0,000012
20	0,95	0,025	0,1	0,015	0,000012
20	1,00	0,025	0,1	0,015	0,000010

Błędy mierników :

bezwzględny :

gdzie k - klasa dokładności miernika

ZP - zakres pomiarowy miernika

Błąd pomiaru napięcia :

Błąd pomiaru prądu :

IV. Wnioski

Prąd przepływający przez fotorezystor jest ściśle powiązany z odległością źródła światła oświetlającego go. Na błąd pomiary prądu płynącego w obwodzie fotorezystora mają wpływ wąchania natężenia światła w zależności od odległości źródła światła od fotorezystora. Błędy te powodują, że wykres zależności natężenia fotoprądu od odległości nie będzie zgodny z krzywą teoretyczną tj. I = (const/r²). Bardzo ważną rzeczą jest przy pomiarach fotoprądu dobre ustawienie źródła światła, wiązka padająca powinna maksymalnie oświetlać fotoopór przy maksymalnej odległości. Obok wymienionych, na błędy pomiarów natężenia prądu ΔI, napięcia ΔU wpłynie także klasa przyrządów.

ZASILACZ

+

-

V

mA

FR

ŚWIATŁO

220V∼

DZIELNIK

NAPIĘCIA

---