Technologia chemiczna
1CC-DI 2013/2014
Laboratorium z fizyki
Ćwiczenie nr. 40
Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne. Wyznaczanie charakterystyki fotooporu.
Sabina Woźna
L-10
WSTĘP TEORETYCZNY.
W normalnych warunkach elektron nie może opuścić metalu, musi on pokonać potencjał jonizacyjny. Energię potrzebną do pokonania tego potencjału otrzymuje z zewnątrz w postaci np.: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego lub energii świetlnej. Emisja elektronów pod wpływem światła nosi nazwę fotoemisji lub zjawiska fotoelektrycznego.
Zjawisko fotoelektryczne dzielimy na zewnętrzne i wewnętrzne.
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia. Uwolnione elektrony nazywamy fotoelektronami a związany z nimi prąd elektryczny- fotoprądem.
W wyniku długotrwałych badań ustalono następujące prawidłowości rządzące tym zjawiskiem:
1. Elektrony pojawiają się natychmiast po oświetleniu metalu (po czasie 3 ´ 10–9 sek.).
2. Gęstość prądu fotoelektrycznego, czyli ilość emitowanych fotoelektronów jest proporcjonalna do oświetlenia.
3. Energia fotoelektronów nie zależy od natężenia światła.
4. Energia najszybszych fotoelektronów jest proporcjonalna do częstości n drgań fali świetlnej.
Nadmiar energii elektron otrzymuje w postaci energii kinetycznej (nabywa prędkości).
Tak więc równanie Einsteina przyjmuje postać
Dodać należy, że zjawiska fotoelektrycznego nie można wyjaśnić w oparciu o falową teorię światła. Zgodnie z teorią falową równanie fali wyraża się wzorem:
Zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polega na zmianie właściwego przewodnictwa elektrycznego ciał stałych pod wpływem energii promieniowania świetlnego. Kwanty światła przenoszą elektrony z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, wskutek czego wzrasta przewodnictwo właściwe. Zjawisko to wystąpi tylko dla częstości wyższych od pewnej granicznej , dla której energia kwantu jest równa szerokości pasma wzbronionego .
Celem zwiększenia efektu należy do maksimum zwiększyć powierzchnię próbki, nadając jej kształt cienkiej blaszki. Ponieważ opór elektryczny próbki zależy od nośników, opór próbki oświetlonej jest mniejszy od oporu próbki nieoświetlonej. Zjawisko to znalazło zastosowanie praktyczne w fotooporniku.
Fotoopornik jest to element półprzewodnikowy o zmiennej pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (zwykle optycznego) rezystancji(oporu). Zasada działania fotorezystora oparta jest na wewnętrznym zjawisku fotoelekrycznym.
Światłoczułą część fotorezystora stanowi zwykle cienka warstwa półprzewodnika umieszczona na podłożu izolacyjnym razem z elektrodami metalowymi; w obudowie fotorezystora znajduje się otwór do przepuszczania promieniowania. Podstawowe parametry fotorezystora to: czułość widmowa, rezystancja ciemna i jasna, napięcie robocze i moc strat.
Fotometria jest to dział optyki zajmujący się pomiarem światła tak jak jest ono postrzegane przez ludzkie oko i tym różni się od radiometrii, która mierzy obiektywną wartość fal elektromagnetycznych. Fotometria jest zainteresowana wrażeniem jakie jest percypowane przez ludzkie oko na skutek stymulacji falą elektromagnetyczną. Punktem wyjścia fotometrii jest więc charakter oka jako wybiórczego detektora widma elektromagnetycznego.
METODOLOGIA:
Połączyć obwód.
Ustawić źródło światła w odległości r= 20cm od fotooporu. Sprawdzić czy reaguje na oświetlenie.
Zmierzyć natężenie prądu w funkcji przyłożonego napięcia.
Pomiary powtórzyć dla dwóch innych odległości.
Ustawić wartość napięcia.
Zmieniać odległość fotooporu od źródła światła co r=5cm. Odczytać dla każdej odległości natężenie.
Pomiary powtórzyć dla dwóch innych wartości napięcia.
Wyniki pomiarów umieścić w tabeli.
Wnioski
Prąd przepływający przez fotorezystor jest ściśle powiązany z odległością źródła światła oświetlającego go. Na błąd pomiary prądu płynącego w obwodzie fotorezystora mają wpływ wahania natężenia światła w zależności od odległości źródła światła od fotorezystora. Bardzo ważną rzeczą przy pomiarach fotoprądu jest dobre ustawienie źródła światła, wiązka padająca powinna maksymalnie oświetlać fotoopór przy maksymalnej odległości. Na błędy pomiarów natężenia prądu i napięcia wpłynie także klasa przyrządów.