Sprawozdanie z ćwiczenia nr 91A
Temat: Badanie zewnętrznego zjawiska fotoelektrycznego.
1. Wstęp teoretyczny:
Mianem zjawiska fotoelektrycznego określa się pewne efekty elektryczne występujące w ciałach pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (światła, promieniowania ultrafioletowego, rentgenowskiego). Do efektów tych należą:
• Emisja elektronów z powierzchni ciała do otaczającej je przestrzeni – mówi się wówczas o zjawisku fotoelektrycznym zewnętrznym. Zjawisko fotoelektryczne obserwowane w gazach, na oddzielnych atomach i cząsteczkach, przyjęto nazywać fotojonizacją, rezerwując określenie fotoefektu zewnętrznego albo fotoemisji dla zjawiska obserwowanego podczas oświetlania ciała stałego lub ciekłego.
• Wzrost przewodnictwa elektrycznego pod wpływem oświetlenia – mówi się wówczas o zjawisku fotoelektrycznym wewnętrznym lub fotoprzewodnictwie. Obserwuje się je w półprzewodnikach i dielektrykach.
• Powstawanie siły elektromotorycznej na złączu półprzewodnika i metalu, lub dwu półprzewodników różnych typów podczas absorpcji przez złącze kwantów promieniowania elektromagnetycznego (z zakresu widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni) – mówi się wówczas o zjawisku fotoelektrycznym zaworowym lub efekcie fotowoltaicznym.
2. Cel ćwiczenia:
Badanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego od strumienia promieniowania i wyznaczanie charakterystyki fotokomórki.
3. Tabele pomiarowe:
a) zależność natężenia prądu fotoelektrycznego U=const. od oświetlenia fotokatody:
| r [m] | I [µA] | 1/r2 [1/m2] | ∆I[μA] | ∆r[mm] | ∆1/r2[1/m2] |
|---|---|---|---|---|---|
| 0,10 | 519,2 | 100,000 | 0,375 | 0,001 | 2 |
| 0,11 | 384,6 | 82,645 | 0,375 | 0,001 | 1,5026296018 |
| 0,12 | 293,2 | 69,444 | 0,375 | 0,001 | 1,1574074074 |
| 0,13 | 121,0 | 59,172 | 0,150 | 0,001 | 0,9103322712 |
| 0,14 | 98,0 | 51,020 | 0,150 | 0,001 | 0,7288629737 |
| 0,15 | 80,0 | 44,444 | 0,150 | 0,001 | 0,5925925925 |
| 0,16 | 68,5 | 39,063 | 0,075 | 0,001 | 0,4882812500 |
| 0,17 | 58,0 | 34,602 | 0,075 | 0,001 | 0,4070832248 |
| 0,18 | 50,0 | 30,864 | 0,075 | 0,001 | 0,3429355281 |
| 0,19 | 43,0 | 27,701 | 0,075 | 0,001 | 0,2915876949 |
| 0,20 | 38,0 | 25,000 | 0,075 | 0,001 | 0,25 |
| 0,21 | 34,0 | 22,676 | 0,075 | 0,001 | 0,2159593996 |
| 0,22 | 29,5 | 20,662 | 0,075 | 0,001 | 0,1878287002 |
| 0,23 | 26,0 | 18,904 | 0,075 | 0,001 | 0,1643790581 |
| 0,24 | 24,0 | 17,361 | 0,075 | 0,001 | 0,1446759259 |
| 0,25 | 21,5 | 16,000 | 0,075 | 0,001 | 0,128 |
| 0,26 | 19,5 | 14,723 | 0,075 | 0,001 | 0,1137915339 |
| 0,27 | 18,5 | 13,717 | 0,075 | 0,001 | 0,1016105268 |
| 0,28 | 17,0 | 12,755 | 0,075 | 0,001 | 0,0911078717 |
| 0,29 | 16,0 | 11,891 | 0,075 | 0,001 | 0,0820041822 |
| 0,30 | 14,5 | 11,111 | 0,075 | 0,001 | 0,0740740740 |
| 0,31 | 13,5 | 10,406 | 0,075 | 0,001 | 0,0671343694 |
| 0,32 | 12,5 | 9,766 | 0,075 | 0,001 | 0,0610351562 |
| 0,33 | 12,0 | 9,183 | 0,075 | 0,001 | 0,0556529481 |
| 0,34 | 10,5 | 8,651 | 0,075 | 0,001 | 0,0508854060 |
| 0,35 | 10,0 | 8,163 | 0,075 | 0,001 | 0,0466472303 |
| 0,36 | 9,5 | 7,716 | 0,075 | 0,001 | 0,0428669410 |
| 0,37 | 9,0 | 7,305 | 0,075 | 0,001 | 0,0394843345 |
| 0,38 | 8,5 | 6,925 | 0,075 | 0,001 | 0,0364484618 |
| 0,39 | 7,5 | 6,575 | 0,075 | 0,001 | 0,0337160100 |
| 0,40 | 7,0 | 6,250 | 0,075 | 0,001 | 0,03125 |
Wykres zależności iśr=f($\frac{1}{r^{2}}$)
b) zależność prądu fotoelektrycznego od napięcia r=const.:
| U [V] | I [µA] | ∆U[V] | ∆I[μA] |
|---|---|---|---|
| 0 | 1 | 0,75 | 0,075 |
| 1 | 4 | 0,75 | 0,075 |
| 2 | 6,5 | 0,75 | 0,075 |
| 3 | 10 | 0,75 | 0,075 |
| 4 | 12,5 | 0,75 | 0,075 |
| 5 | 14,5 | 0,75 | 0,075 |
| 6 | 16 | 0,75 | 0,075 |
| 7 | 18 | 0,75 | 0,075 |
| 8 | 19 | 0,75 | 0,075 |
| 9 | 21 | 0,75 | 0,075 |
| 10 | 22 | 0,75 | 0,075 |
| 11 | 23 | 0,75 | 0,075 |
| 12 | 24 | 0,75 | 0,075 |
| 13 | 25 | 0,75 | 0,075 |
| 14 | 26 | 0,75 | 0,075 |
| 15 | 27 | 0,75 | 0,075 |
| 16 | 27,5 | 0,75 | 0,075 |
| 17 | 28 | 0,75 | 0,075 |
| 18 | 28,5 | 0,75 | 0,075 |
| 19 | 29 | 0,75 | 0,075 |
| 20 | 29,5 | 0,75 | 0,075 |
| 40 | 33,5 | 0,75 | 0,075 |
| 60 | 34,5 | 0,75 | 0,075 |
| 80 | 35,5 | 0,75 | 0,075 |
| 100 | 37 | 0,75 | 0,075 |
Wykres zależności od napięcia I=f(U)
4. Obliczenia pomiarowe:
Z-zakres miernika (15µA, 30 µA, 75 µA; 150V)
kl-klasa miernika- 0,5%
∆I – błąd bezwzględny pomiaru prądu
∆U – błąd bezwzględny napięcia prądu
δI, δU – błąd względny pomiaru ,
∆I= $\frac{0,5\% \bullet 15}{100\%} = 0,075\lbrack\text{µA}\rbrack$
∆U=$\frac{0,5\% \bullet 150}{100\%} = 0,75\lbrack V\rbrack$
dI=0,5%∙$\frac{15}{4}$=1,875%
dI=0,5%∙$\frac{15}{22}$=0,341%
dI=0,5%∙$\frac{15}{29,5}$=0,254%
dU=0,5%∙$\frac{150}{1}$=75%
dU=0,5%∙$\frac{150}{10}$=30%
dU=0,5%∙$\frac{150}{20}$=3,75%
5. Analiza niepewności pomiarowych:
Niepewności pomiarowe uwzględnione w moich obliczenia mogą wynikać z małej ilości prób pomiarów i niedokładnych zaokrągleń.
6. Wnioski:
W pierwszej części ćwiczenia wyznaczaliśmy zależności fotoprądu od strumienia, padającego na anodę fotokomórki, światła. Zmiana strumienia realizowana była poprzez zmianę odległości źródła światła od fotokomórki. Na podstawie wyników można stwierdzić, że zależność ta nie jest liniowa. Błędy wynikające przede wszystkim z klasy miernika i dokładności ustawienia odległości nie powodują znaczącej zmiany kształtu charakterystyki. W drugiej części ćwiczenia wyznaczaliśmy charakterystykę zależności fotoprądu od napięcia przyłożonego między anodę i katodę fotokomórki dla trzech różnych wartości strumienia światła Zależność ta nie jest liniowa choć z początku wzrostowi napięcia towarzyszy wzrost fotoprądu, które dla pewnej wartości U ulega nasyceniu. Jednocześnie można zauważyć, że prąd nasycenia rośnie wraz ze wzrostem natężenia (strumienia) oświetlenia (im mniejsza odległość lampy oświetlającej anodę, tym większy prąd).