Zagadnienia teoretyczne

Celem niniejszego ćwiczenia jest wyznaczenie zależności prądu fotoelektrycznego fotokomórki od napięcia wytworzonego między jej elektrodami oraz od natężenie oświetlenia katody badanej fotokomórki gazowanej. Działanie każdej fotokomórki oparte jest na wykorzystaniu efektu fotoelektrycznego.

Zjawiskami fotoelektrycznymi nazywamy wszystkie zjawiska, w których kosztem energii świetlnej zachodzą zmiany prądowe w obwodach elektrycznych. Wyróżniamy zjawiska fotoelektryczne zewnętrzne i wewnętrzne.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne ( fotoefekt zewnętrzny ) polega na emisji elektronów z powierzchni ciał stałych napromieniowanych światłem. Światło monochromatyczne padające na np. metalową płytkę wyzwala elektrony, które na skutek istnienia różnicy potencjałów, zostają przyciągnięte do anody i w ten sposób powodują przepływ prądu, który będzie zależny od natężenia światła i przyłożonej różnicy potencjałów. Ten rodzaj emisji elektronów swobodnych nazywamy fotoemisją. Emitowane elektrony nazywamy fotoelektronami, zaś związany z nimi prąd elektryczny - fotoprądem.

Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne (fotoefekt wewnętrzny) polega na zmianie przewodnictwa elektrycznego ciał stałych pod wpływem oświetlenia. Wzrost przewodnictwa wywołany jest kosztem dostarczonej z zewnątrz energii świetlnej, pod wpływem której elektrony przechodzą z pasma podstawowego do pasma przewodzenia tworząc pary nośników prądu: elektron-dziura.

W toku badania fotoefektu stwierdzono że :

• natężenie prądu jest proporcjonalne do natężenia oświetlenia fotokatody ,

• energia emitowanych z fotokatody elektronów jest proporcjonalna do częstotliwości drgań użytej fali elektromagnetycznej ,

• dla każdego materiału katody istnieje pewna progowa długość fali . Jest to graniczna (maksymalna) długość fali zdolnej jeszcze do wywołania fotoefektu zewnętrznego ,

• fotoefekt nie objawia praktycznie bezwładności , emisja zachodzi praktycznie w czasie 10e-10 s po naświetleniu katody.

Przedstawione powyżej fakty stoją w sprzeczności z falową naturą światła. Są jednakże w pełni zgodne z korpuskularnym modelem światła.

Do konstrukcji fotokomórek wykorzystane zostało zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne. Schematycznie fotokomórkę przedstawia poniższy rysunek:

Bańka szklana lub kwarcowa (kwarc przepuszcza ultrafiolet) odpompowana z powietrza zawiera dwie elektrody: światłoczułą katodę K oraz anodę A, najczęściej w postaci pętelki z drutu. Katodę wykonuje się z materiału o małej pracy wyjścia, czyli z takiego aby jak najmniejsza część energii promieniowania świetlnego była przeznaczana na wywołanie emisji elektronów.

Prócz przedstawionych powyżej fotokomórek próżniowych stosuje się często fotokomórki gazowe wypełnione gazem szlachetnym. W tym typie fotokomórek nośnikami prądu, prócz fotoelektronów, są powstałe przez zderzenia elektronów z atomami gazu, jony. Stąd też zależności są tam nieco inne niż dla komórki próżniowej.

Wykaz przyrządów:

• fotokomórka próżniowa

• ława optyczna ze źródłem światła

• układ pomiarowy (zasilacz regulowany napięcia stałego, galwanometr, lampa oświetleniowa)

1 - fotokomórka

2 - żarówka oświetleniowa

3 - zasilacz

4 - galwanometr

5 - opornica (zastosowana jako potencjometr)

6 - woltomierz napięcia stałego

Potencjometr w obwodzie pozwala dowolnie regulować napięcie przyłożone do fotokomórki. Wartość tego napięcia odczytuje się za pomocą woltomierza. Źródłem światła jest żarówka umieszczona w obudowie na jednym z końców ławy optycznej.

Kolejność czynności:

Charakterystyka napięcowa fotokomórki

• zmieniając napięcie na fotokomórce od 0 do 75 V (co 5 V), odczytać wskazania galwanometru. Pomiary wykonać dla trzech różnych odległości fotokomórki od źródła światła .

• wyniki wpisywać do tabelki.

• wykreślić charakterystyki napięciowe I=f(U).

Charakterystyka oświetleniowa fotokomórki

• przesuwając fotokomórkę od 125 cm do 50 cm odczytywać (co 5 cm) natężanie prądu płynącego przez galwanometr. Pomiary wykonać przy trzech różnych napięciach na fotokomórce.

• wyniki wpisywać do tabelki.

• wykreślić zależność
  .

Ocena metody pomiarowej:

Źródło błędów tkwi między innymi w tym, że wykorzystana zależność słuszna jest dla punktowego źródła światła i prostopadłych promieni, co ściśle nie jest spełnione. W związku z tym, pomiary wykonane z większej odległości obarczone są mniejszym błędem niż pomiary wykonane z bezpośredniej bliskości.

Ponadto ćwiczenie winno być wykonywane przy braku jakiegokolwiek oświetlenia zewnętrznego, co także nie w pełni zostało spełnione.

Wnioski.

Wykresy zależności natężenia prądu od napięcia przyłożonego przy danym natężeniu światła, charakteryzują się tym, że podczas zwiększania napięcia między katodą i anodą prąd zaczyna gwałtownie rosnąć, do pewnej wartości, po czym następuje nasycenie, gdyż przy danym natężeniu oświetlenia, może być emitowana jedynie określona ilość elektronów i nie może się ona zwiększać nieskończenie. Ponieważ jednak jest to fotokomórka gazowana, przy dalszym wzroście napięcia, elektrony przyśpieszane coraz większą rocznicą potencjałów, maja coraz większa energię kinetyczną i zderzając się z atomami gazu jonizują go, co odzwierciedla dalszy, mniej gwałtowny wzrost płynącego przez fotokomórkę prądu.

Do wyznaczenia charakterystyk oświetleniowych wykorzystujemy zależność, która mówi, że intensywność zjawiska fotoelektrycznego jest proporcjonalna do natężenia źródła światła i odwrotnie proporcjonalne do kwadratu odległości źródła od oświetlanej powierzchni (przy założeniu, że światło pada na powierzchnię prostopadle). Ponieważ natężenie prądu jest proporcjonalny do liczby fotonów padających na element fotoelektryczny, zatem w naszym przypadku gdy nie regulujemy natężenia źródła światła prąd jest odwrotnie proporcjonalny do kwadratu odległości i zależność ta jest liniowa, co pokazało nasze ćwiczenie.

---