Piotr Czapiewski

Wydział Elektryczny

Elektronika i Telekomunikacja

grupa I rok II

zespół 11

414. Badanie fotokomórki gazowanej

Wstęp teoretyczny

Wszystkie zjawiska, w których kosztem energii świetlnej zachodzą zmiany prądowe w obwodach elektrycznych, nazywamy zjawiskami fotoelektrycznymi. Wyróżniamy kilka rodzajów zjawisk fotoelektrycznych:

• zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne (fotoefekt zewnętrzny),

• zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne (fotoefekt wewnętrzny),

• zjawisko fotoelektryczne w warstwach zaporowych.

Bliżej omówimy pierwsze z tych zjawisk.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na emisji elektronów z powierzchni ciał stałych napromieniowanych światłem. Schemat układu do obserwacji fotoefektu zewnętrznego przedstawia rysunek:

Między zatopionymi w naczyniu próżniowym elektrodami A i K wytworzono różnicę potencjałów. Duży odstęp między nimi oraz niewielka wartość napięcia uniemożliwiają popłynięcie prądu. Jeżeli jednak elektroda K zostanie oświetlona, to w obwodzie popłynie fotoprąd - elektrony emitowane przez elektrodę K zbierane są przez elektrodę A. Jeśli natomiast do elektrody K przyłożymy potencjał większy niż do A, wówczas prąd popłynie tylko dla napięcia mniejszego od pewnej wartości progowej U_h. Pole elektryczne między elektrodami będzie przeciwdziałać ruchowi elektronów i do elektrody A docierać będą tylko najszybsze z nich - natężenie prądu będzie tym mniejsze, im bardziej napięcie zbliżać się będzie do U_h. U_h nie zależy od natężenia światła, a jedynie od jego częstotliwości. Poniżej częstotliwości progowej ₀ zjawisko fotoelektryczne nie występuje, powyżej - występuje niezależnie od natężenia światła. Własności fotoefektu były sprzeczne z falową teorią światła i stały się możliwe do wytłumaczenia dopiero na podstawie teorii kwantowej światła. Zgodnie z tą teorią energia fotonu padającego na powierzchnię metalu zostaje pochłonięta przez elektron. Część tej energii zostaje zużyta na oderwanie się elektronu od powierzchni metalu - jest to tzw. praca wyjścia A. Pozostała część energii fotonu zamieniana jest na energię kinetyczną elektronu. Zgodnie z zasadą zachowania energii mamy:

gdzie h - stała Plancka,  - częstotliwość promieniowania, A - praca wyjścia, E_kmax - energia kinetyczna najszybszych elektronów. Częstotliwości progrowej ₀ odpowiada E_kmax=0, więc

Częstotliwość progowa jest ściśle określona dla danego ciała stałego i zależna od pracy wyjścia elektronów. Inną wielkością charakterystyczną dla poszczególnych ciał stałych jest tzw. czułość kwantowa. Określa ona, jaki procent kwantów promieniowania padających na powierzchnię ciała wywołuje fotoemisję. Czyste metale mają wydajność kwantową rzędu 1‰. Półprzewodnikowe materiały wytwarzane na bazie metali alkalicznych osiągają maksymalną wydajność rzędu 20%.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne wykorzystane zostało do konstrukcji fotokomórek. Fotokomórka próżniowa zbudowana jest z odpompowanej z powietrza bańki szklanej lub kwarcowej zawierającej dwie elektrody: światłoczułą katodę wykonaną z materiału o małej pracy wyjścia oraz anodę. W fotokomórce gazowej bańka wypełniona jest gazem szlachetnym - nośnikami prądu są wówczas oprócz elektronów jony gazu.

Doświadczenie

Celem doświadczenia jest wyznaczenie zależności prądu fotoelektrycznego fotokomórki od napięcia między jej elektrodami oraz od natężenia oświetlenia katody.

Układ pomiarowy składa się z fotokomórki włączonej do obwodu prądu stałego z galwanometrem i woltomierzem. Napięcie w obwodzie można regulować za pomocą potencjometru. Źródłem światła jest żarówka umieszczona w obudowie na jednym z końców ławy optycznej.

Doświadczenie przeprowadzamy w sposób następujący:

• ustawiamy fotokomórkę w odległości 50cm od źródła światła;

• przy zaciemnionej fotokomórce włączamy zasilanie, ustalamy napięcie na 70V; sprawdzamy wskazania zerowe galwanometru, w razie potrzeby zerujemy go;

• zmniejszamy napięcie do zera i włączamy żarówkę; odsłaniamy fotokomórkę;

• zmieniając napięcie od 0 do 80V odczytujemy wskazania galwanometru; wyniki pomiarów wpisujemy do tabeli;

• wykreślamy charakterystykę napięciową fotokomórki;

• charakterystykę oświetleniową sporządzamy w następujący sposób: dla ustalonego napięcia badamy natężenie prądu, zmieniając odległość fotokomórki od źródła światła.

Tabela pomiarów:

Nr pomiaru	U [V]	I1 [A]	I2 [A]	I3 [A]

Nr pomiaru	r [cm]	I1 [A]	I2 [A]	I3 [A]

G

A

K

+

-

---