Wyznaczanie charakterystyk fotokomórki.

Teresa Duda, Graegorz Kocur, wydział Mat - Fiz, sem. II sekcja 2.

Wprowadzenie.

W normalnych warunkach elektron nie może opuścić atomu. Konieczne jest dostarczenie mu energii potrzebnej do pokonania potencjału jonizującego. Energię tą trzeba dostarczyć z zewnątrz w postaci:

energii cieplnej (wysoka temperatura);

silnego pola elektrycznego;

bombardowania;

energii świetlnej.

Omówimy ten ostatni przypadek, zwany fotoemisją lub zjawiskiem fotoelektrycznym. Zjawisko fotoelektryczne dzielimy na zewnętrzne i wewnętrzne. Tematem tego ćwiczenia jest zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Polega ono na uwalnianiu elektronów z metalu pod wpływem światła. Uwolnione elektrony nazywamy fotoelektronami.

Zjawisko to ma następujące cechy:

1. Emisja fotoelektronów jest błyskawiczna. Elektrony pojawiają się po czasie ok.3 10-9s.

2. Gęstość prądu fotoelektrycznego tj. ilość emitowanych elektronów jest proporcjonalna do oświetlenia.

3. Energia fotoelektronów nie zależy od oświetlenia.

4. Energia fotoelekronów jest proporcjonalna do częstości  drgań fali świetlnej.

Powyższe prawa wyjaśnił dopiero A.Einstein w 1905 roku w oparciu o korpuskularną teorię światła. Według tej teorii światło składa się z cząstek zwanych kwantami posiadających ściśle określoną energię i nic więcej. Energia kwantu określona jest wzorem:

gdzie h=6,62 10-34- stała Plancka.

Kwant światła padając na metal oddaje swa energię jednemu elektronowi, który dzięki temu może pokonać barierę potencjału  oddzielającą go od otoczenia. Dodać należy, iż zjawiska tego nie można wyjaśnić w oparciu o falową teorię światła.

Zjawisko fotoelektryczne znalazło praktyczne zastosowanie przy budowie komórki fotoelektrycznej. W fotokomórce próżniowej prąd zależy wyłącznie od ilości fotoelektronów i jest proporcjonalny do oświetlenia. Natężenie prądu jest stosunkowo małe. Większe natężenie można uzyskać w fotokomórkach gazowanych wypełnionych niewielką ilością gazu szlachetnego. Ilość zjonizowanych atomów wzrasta wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia i w fotokomórce gazowanej nie uzyskuje się stanu nasycenia.Przebieg ćwiczenia.

1. Połączenie obwodu według schematu:

2. Przeprowadzenie zdjęcia charakterystyk:

a. Prądu fotokomórki w zależności od jej napięcia przy stałym napięciu żarówki i stałej odległości.

b. Prądu fotokomórki w zależności od napięcia żarówki oraz jej mocy przy stałym napięciu fotokomórki i stałej odległości.

c. Prądu fotokomórki w zależności od odległości przy stałych pozostałych wielkościach.

3. Wykonanie wykresów na podstawie uzyskanych wyników.

4. Wykonanie wykresu zależności natężenia prądu fotokomórki od odwrotności kwadratu odległości.

5. Przeprowadzenie graficznej analizy błędów.

Wyniki pomiarów.

Uzyskaliśmy następujące wyniki:

Napięcie żarówki Uż=200V

Odległość d=50 cm

Moc żarówki P=23W

Lp.	Napięcie Uf [V]	Nat. prądu I [A]
1	0	0.01
2	5	0.14
3	10	0.42
4	15	0.46
5	20	0.52
6	25	0.60
7	30	0.66
8	35	0.74
9	40	0.84
10	45	0.92
11	50	1.02
12	55	1.14
13	60	1.24
14	65	1.36
15	70	1.50
16	75	1.62

Napięcie fotokomórki Uf = 60V

Odległość od żarówki d = 50 cm

Lp.	Napięcie Uż [V]	Nat. prądu I [A]	Moc żarówki P [W]
1	52	0	2.5
2	62	0	3.5
3	72	0.02	4.5
4	82	0.04	5.5
5	92	0.08	6
6	102	0.12	8
7	112	0.16	9
8	122	0.22	10
9	132	0.32	12
10	142	0.40	13
11	152	0.50	15
12	162	0.62	16
13	172	0.74	18
14	182	0.94	21
15	192	1.08	22
16	202	1.28	23
17	212	1.50	25
18	222	1.66	27

Napięcie fotokomórki Uf = 60V

Moc żarówki P = 20 W

Napięcie żarówki Uż=180V

Lp.	Odległość d [cm]	Natężenie prądu I [A]
1	60	0.58
2	58	0.64
3	56	0.70
4	54	0.76
5	52	0.84
6	50	0.90
7	48	1.00
8	46	1.10
9	44	1.22
10	42	1.38
11	40	1.54
12	38	1.88

Obliczenia i błędy.

Z klas dokładności urządzeń pomiarowych wynikają następujące błędy systematyczne:

Błąd pomiaru odległości

Na tej podstawie dokonaliśmy graficznej analizy błędów pierwszych czterech wykresów. Błąd dla wykresu prądu fotokomórki w funkcji odwrotności kwadratu odległości obliczyliśmy osobno dla każdego pomiaru. Obliczenia te przeprowadziliśmy metodą różniczki zupełnej według wzoru:

Otrzymaliśmy następujące wyniki :

d[cm]	1/d2[m-2] 10-6	(1/d2) [m-2]10 -6
60	277,0	4,6
58	297,2	5,1
56	319,0	5,7
54	343,0	6,4
52	369,8	7,1
50	400,0	8,0
48	434,0	9,0
46	472,6	10,3
44	516,5	11,8
42	566,9	13,5
40	625,0	15,6
38	692,5	18,2

Wnioski.

Przeprowadzone doświadczenie umożliwiło nam poznanie działania fotokomórki jako urządzenia wykorzystującego zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne.

Z wykonanych wykresów wynika, iż istotnie prąd fotokomórki jest proporcjonalny do natężenia światła. Wynikają z tego zastosowania fotokomórki, takie, jak np.

zastosowanie w projektorach kinowych do odtwarzania dźwięku;

zastosowanie do pomiaru odległości.

Duży wpływ na dokładność otrzymanych wyników miały wahania napięcia sieci i związane z tym kłopoty z regulacją napięć.

---