POLITECHNIKA ŚLĄSKA
W GLIWICACH
WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY
WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK
FOTOKOMÓRKI GAZOWANEJ .
Wprowadzenie .
Zjawisko fotoelektryczne zostało wykryte pod koniec ubiegłego wieku . Dokładne badania tego zjawiska w fotokomórkach pozwoliły sformułować następujące prawa zjawiska fotoelektrycznego :
1. Maksymalna prędkość początkowa fotoelektronów zależy od częstotliwości światła , a nie zależy od jego natężenia .
2. Dla każdego metalu istnieje długofalowa granica fotoelektryczna . Zjawisko fotoelektryczne zachodzi dla światła o częstotliwości większej od tej wartości granicznej .
Granica długofalowa zjawiska fotoelektrycznego zależy od składu chemicznego materiału katody i od stanu jej powierzchni .
3. Liczba emitowanych elektronów w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia światła .
Problemy z interpretacją zjawiska fotoelektrycznego jako na drodze falowej spowodowało wysunięcie przez A. Einsteina teorii o kwantowym charakterze tego zjawiska. Według tej teorii światło w postaci porcji energii , zwanej fotonami , przekazywane jest elektronom.
Elektrony te mogą opuścić powierzchnie metalu , jeśli ich energia będzie większa od pewnej minimalnej wartości W , zwanej pracą wyjścia . Jest to warunek konieczny aby ujemny elektron mógł oddalić się od dodatniej powierzchni metalu. Zgodnie z zasadą zachowania energii mamy więc tzw. wzór Einsteina :
Bardzo precyzyjne eksperymenty R. A. Millikana potwierdziły słuszność teorii Einsteina.
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne stosuje się w fotokomórkach .
W bańce szklanej znajdują się elektrody : katodę stanowi metal naparowany na wewnętrzną stronę bańki , a anodę drut w kształcie pętli.
Fotokomórki próżniowe wymagają stosowania wzmacniaczy . Większą czułość wykazują fotokomórki gazowane wypełnione najczęściej argonem. Fotoelektrony w przyśpieszającym polu elektrycznym anody uzyskują energię pozwalającą jonizować cząsteczki gazu , dzięki czemu uzyskuje się znaczny wzrost natężenia prądu , co przy nadmiernym zwiększaniu napięcia może doprowadzić do uszkodzenia lampy .
Fotokomórki znalazły zastosowanie w przekaźnikach fotoelektrycznych , urządzeniach liczących , w filmie dźwiękowym do odczytu ścieżki akustycznej. Obecnie jednak zostały wyparte przez elementy fotoelektryczne : fotorezystory , fotodiody i fototranzystory .
Do badania fotokomórki stosujemy w pracowni rurę fotometryczną . Wewnątrz niej znajdują się fotokomórka oraz żarówka z przesłoną . Drążek z naniesioną podziałką centymetrową umożliwia przesuw żarówki. Zaciski służą do podłączenia zasilania fotokomórki . Rura pokryta jest wewnątrz czarnym , matowym lakierem zmniejszającym niepożądane odbicia . Przesłona pozwala realizować założenie o punktowym źródle światła .
Do ćwiczenia łączymy obwód wg schematu ;
Tabela pomiarowa 1.
Moc P = 26 W
Odległość fotokomórki od żarówki d = 50 cm .
Lp. |
Napięcie Uf [ V ] |
Natężenie prądu If [A ] |
1 |
5 |
0,31 |
2 |
10 |
0,40 |
3 |
15 |
0,44 |
4 |
20 |
0,48 |
5 |
25 |
0,57 |
6 |
30 |
0,66 |
7 |
35 |
0,75 |
8 |
40 |
0,84 |
9 |
45 |
0,94 |
10 |
50 |
1,04 |
11 |
55 |
1,16 |
12 |
60 |
1,29 |
13 |
65 |
1,46 |
14 |
70 |
1,63 |
15 |
75 |
1,81 |
Tabela pomiarowa 2.
Napięcie fotokomórki Uf = 60 V
Odległość fotokomórki od żarówki d = 50 cm
Lp. |
Napięcie Uż [ V ] |
Natężęnie prądu If [A] |
Moc żarówki P [W] |
1 |
50 |
0 |
3,0 |
2 |
60 |
0 |
4,0 |
3 |
70 |
0,02 |
5,0 |
4 |
80 |
0,03 |
6,2 |
5 |
90 |
0,05 |
7,5 |
6 |
100 |
0,08 |
8,2 |
7 |
110 |
0,12 |
10,0 |
8 |
120 |
0,17 |
11,7 |
9 |
130 |
0,23 |
13,0 |
10 |
140 |
0,30 |
14,5 |
11 |
150 |
0,38 |
16,5 |
12 |
160 |
0,47 |
18,5 |
13 |
170 |
0,58 |
20,0 |
14 |
180 |
0,70 |
22,0 |
15 |
190 |
0,83 |
24,0 |
16 |
200 |
0,95 |
26,0 |
17 |
210 |
1,10 |
28,0 |
18 |
220 |
1,27 |
30,0 |
Tabela pomiarowa 3.
Moc Żarówki P = 19 W
Napięcie fotokomórki Uf = 60 V
Napięcie żarówki Uż = 180 V
Lp. |
Odległość d [ cm] |
Natężenie prądu If [A] |
1 |
60 |
0,50 |
2 |
55 |
0,58 |
3 |
50 |
0,69 |
4 |
45 |
0,84 |
5 |
40 |
1,01 |
6 |
35 |
1,30 |
7 |
30 |
1,72 |
8 |
25 |
2,42 |
Analiza błędów.
W przypadku stosowania mierników elektrycznych np. woltomierzy , amperomierzy , watomierzy , metoda określania błędu pomiarowego zależy od zastosowanego rodzaju wskazywania wartości .
Klasa mierników analogowych określa błąd procentowy odpowiadający maksymalnemu wychyleniu ( wartości stosowanego zakresu ) .
Błąd bezwzględny takim miernikiem określa wzór :
Błąd bezwzględny nie zależy od wartości wielkości mierzonej . Natomiast błąd względny zgodnie z wzorem
będzie zwiększał się przy spadku wielkości mierzonej :
Błąd dla watomierza wynosi :
zakres - 50
skala - 100
klasa - 0.5
Błąd dla woltomierza :
zakres - 300
klasa - 0.5
skala - 75
Błąd dla mikroamperomierza :
zakres - 2
klasa - 1
skala - 100
Błąd pomiaru odległości wynosi 0.5 cm .