Maciej Kuliński	I Informatyka 2014/2015 W1 C1 L2
15. Badanie fotokomórki gazowanej	21.03.2015r.

Uwagi:

Zjawisko fotoelektryczne zostało odkryte przez H. Hertza pod koniec XIX wieku. Polega ono na emisji elektronów z powierzchni metali pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Stwierdzono, że wybijane fotoelektrony posiadają energię kinetyczną, której wartość zależy od częstotliwości a nie natężenia padającego światła. Einsteinowi udało się wyjaśnić tą zależność, dzięki założeniu że światło ma budowę kwantową. Energia fotonu padającego na powierzchnię metalu jest oddawana jednemu z elektronów a sam foton przestaje istnieć. Jeśli przekazana energia jest co najmniej równa pracy wyjścia elektronu (minimalnej energii koniecznej do przejścia elektronu z poziomu Fermiego z ciała stałego do otaczającej próżni) to może zajść zjawisko fotoelektryczne.

Fotokomórka gazowana służy do wykrywania i pomiaru natężenia światła. Składa się ona z bańki w której umieszczone są: światłoczuła katoda oraz anoda i gaz pod niewielkim ciśnieniem. Dzięki zjawisku fotoelektrycznemu światło padające na katodę wybija z niej elektrony które przyciągane są przez anodę. Elektrony te zderzają się z atomami gazu przez co je jonizują. W wyniku procesu jonizacji powstają kolejne swobodne elektrony które mogą jonizować kolejne atomy. Dzięki temu zjawisku następuje wzmocnienie prądu przepływającego przez fotokomórkę.

Przebieg Ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zbadania fotokomórki gazowanej oraz wyznaczenie charakterystyki prądowo–napięciowej oraz świetlnej. Po podłączeniu układu według schematu z rys.1 wykonałem pomiary do charakterystyki prądowo–napięciowej zmieniając napięcie przyłożone do fotokomórki w przedziale 0-100 V co 10 V. Następnie odczytywałem wartość natężenia prądu dla odległości 10, 12 i 14 cm fotokomórki od źródła światła.

Następnie dla charakterystyki świetlnej przy ustalonej wartości napięcia przyłożonego do fotokomórki (80V, 90V, 100V) przeprowadziłem pomiary zależności natężenia fotoprądu w fotokomórce od jej odległości, od źródła światła. Żarówka ustawiona była od fotokomórki w odległości od 9 do 17 centymetrów (pomiar co 1 cm).

rys. - Schemat układu pomiarowego fotokomórki gazowanej

Tabele pomiarowe
tab. 1 – pomiary dla charakterystyki prądowo-napięciowej

d = 10 [cm]	d = 12 [cm]	d = 14 [cm]
U [V]	I = [µA]	U [V]
0	0	0
10	8	10
20	10	20
30	13	30
40	15	40
50	16	50
60	17	60
70	29	70
80	34	80
90	38	90
100	40	100

tab 2. – pomiary dla charakterystyki świetlnej

U = 80 [V]	U = 90 [V]	U = 100 [V]
d [cm]	I = [µA]	d [cm]	I = [µA]	d [cm]
9	38	9	40	9
10	31	10	34	10
11	26	11	28	11
12	22	12	24	12
13	19	13	20	13
14	16	14	18	14
15	14	15	15	15
16	13	16	14	16
17	11	17	12	17

Obliczenia

Stosunek $\frac{1}{d^{2}}$ dla charakterystyki świetlnej np. d = 9 [cm]:

$$\frac{1}{d^{2}} = \ \frac{1}{9^{2}} = 0,0123456\left\lbrack \frac{1}{\text{cm}^{2}} \right\rbrack$$

Niepewności pomiarowe:

$$U = \ \frac{klasa\ \times zakres}{100} + 1\ dzialka\backslash n$$

$$I = \ \frac{klasa\ \times zakres}{100} + 1\ dzialka\backslash n$$

• Pod uwagÄ™ trzeba wziąć również niepewność eksperymentatora oraz to, że fotokomórka oraz źródÅ‚o Å›wiatÅ‚a nie sÄ… punktami a obiektami. Niepewność wzorcowania odlegÅ‚oÅ›ci pomiÄ™dzy fotokomórkÄ… a żarówkÄ… przyjmujemy zatem 1[cm]

$$u\left( d \right) = \ \left| - \frac{2}{d^{3}} \right| = \ \left| - \frac{2}{9^{3}} \right| = \ 0,002743\backslash n$$

Wnioski

W charakterystyce prądowo-napięciowej można zauważyć, że wraz ze wzrostem napięcia na fotokomórce fotoprąd rośnie nieliniowo.

W charakterystyce świetlnej fotoprąd maleje liniowo wraz ze wzrostem odległości pomiędzy fotokomórką a źródłem światła. Dzieje się tak dlatego, że zwiększając odległość pomiędzy tymi dwoma obiektami, zmniejszamy strumień światła padający na fotokomórkę przez co zmniejsza się ilość elektronów wybijanych z katody. Wartość fotoprądu była także zależna od napięcia na fotokomórce – im było ono większe tym wartości fotorpądu również rosły.

Prawo Lamberta mówi, że wielkość absorpcji światła jest wprost proporcjonalna do grubości ośrodka przez które to promieniowanie przechodzi.