Marek Strzelczyk prowadzący: dr Szarska

wydział: elektroniki

kierunek: telekomunikacja

rok : I

Sprawozdanie z ćwiczenia nr 84 : BADANIE ZEWNĘTRZNEGO ZJAWISKA FOTOELEKTRYCZNEGO. data wyk. ćw.: 04-04-97

1.Spis przyrządów:

- Zasilacz stabilizowany do fotokomórki IZS-5.

- Lampa oświetlająca.

- Zasilacz lampy oświetlającej ZT-980-1M.

- Mikroamperomierz prądu stałego LM-3.

- Woltomierz prądu stałego LM-3.

2.Wstęp.

2.1 Mianem zjawiska fotoelektrycznego określa się pewne zjawiska elektryczne występujące w ciałach pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na emisji elektronów z ciała pod Wpływem promieniowania elektromagnetycznego. Zjawisko fotoelektryczne obserwowane w ciałach stałych i cieczach nazywamy fotoefektem, jeżeli zjawisko zachodzi w gazie to mówimy o fotojonizacji.

Program ćwiczenia obejmuje następujące zagadnienia:

- zbadanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego od oświetlenia fotokatody

- wyznaczenie charakterystyki fotokomórki.

- wyznaczenie czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego oraz pracy wyjścia elektronów z powierzchni materiału fotokatody

- wyznaczenie stałej Plancka

2.2 Badanie zależności natężenia prądu fotoelektrycznego od oświetlenia fotokatody.

Przy stałej wartości napięci między anodą i katodą fotokomórki, przy której fotokomórka jest w stanie nasycenia, wykonujemy pomiary natężenia fotoprądu dla różnych odległości źródła światła od fotokomórki. Sporządzony na podstawie tabeli pomiarowej wykres powinien

przedstawiać liniową zależność natężenia prądu od odwrotności kwadratu odległości.

2.3 Wyznaczenie charakterystyki fotokomórki.

Przy stałej odległości źródła światła od fotokomórki wykonywać pomiary natężenia prądu fotoelektrycznego zmieniając wartość napięcia anodą i katodą fotokomórki. Na podstawie uzyskanych wyników sporządzamy wykres I = f(U).

2.4 Wyznaczenie czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego oraz pracy wyjścia elektronów z powierzchni materiału fotokatody.

Doprowadzamy do elektrod fotokomórki napięcie zapewniające uzyskanie prądu nasycenia. Dla stałej wartości napięcia wykonujemy pomiary natężenia fotoprądu dla różnych długości fali światła. sporządzamy wykres zależności I = f(λ), z wykresu odczytujemy wartość λ₀, odpowiadającej czerwonej granicy fotoefektu. Pracę wyjścia elektronów obliczamy z wzoru:

W = h⋅c/λ₀ gdzie: h- stała Plancka, c- prędkość światła.

2.5 Wyznaczanie stałej Plancka.

Dla dwóch długości fali wykonujemy pomiary natężenia prądu fotoelektrycznego, dla coraz większych wartości napięcia blokującego, aż do zablokowania fotokomórki. Przedstawiamy graficzną zależność I = f(U), oraz zależność napięcia blokującego od częstotliwości fali świetlnej ν. Wyznaczamy współczynnik kierunkowy otrzymanej prostej, oraz stałą Plancka z wzoru:

h = e⋅(U₂-U₁)/(ν₂-ν₁) , gdzie e - ładunek elektronu.

UWAGA : WSZYSTKIE SCHEMATY POŁĄCZEŃ ZNAJDUJĄ SIĘ W INSTRUKCJI DO ĆWICZENIA ZNAJDUJĄCEJ SIĘ NA STANOWISKU ĆWICZENIOWYM.

3. Przykłady i obliczenia.

3.1 Obliczenia błędów przyrządów.

3.1.1 Błąd amperomierza:

Δ_a= klasa⋅zakres/100 , np kl.= 0.5, zakr.= 15μA ⇒ Δ_a= 0.5⋅15/100 = 0.075 ≅ 0.08 [μA]

3.1.2 Błąd woltomierza liczymy analogicznie.

3.2 Obliczanie pracy wyjścia elektronów.

W = h⋅c/λ₀ , h = 6.63⋅10­^-34, c = 2.998⋅10⁸, λ₀= 7⋅10^-7(odczytuje z wykresu)

W = (6.63⋅2.998)/7⋅10^-34+8+7=2.839⋅10^-19 [J]

3.3 Obliczanie stałej Plancka.

h = e⋅(U₂-U₁)/(ν₂-ν₁), ν₁=c/λ₁, ν₂ =c/λ₂ ,e = 1.602⋅10^-19 [C]

U₁ = 6 [mV], U₂ = 7 [mV]

λ₁= 570 [nm] ν₁= 2.998/570⋅10⁸⁺⁹ = 0.525⋅10¹⁵ [Hz]

λ₂= 520 [nm] ν₂= 2.998/520⋅10⁸⁺⁹ = 0.576⋅10¹⁵ [Hz]

Z otrzymanych danych nie można prawidłowo wyznaczyć stałej Plancka.

4. Tabele pomiarowe.

4.1 Badanie natężenia prądu fotoelektrycznego od oświelenia.

Tabela 4.1.1 Tabela 4.1.2

U_z.fotok.= 100 V U_z.fotok.= 100 V

U_z.żar.= 8 V U_z.żar.= 10 V

Odległość d [cm]	Natężenie prądu [μA]	Błąd [μA]	1/d­^2­­[pm]	Odległość [cm]	Natężenie prądu [μA]	Błąd [μA]
20	19	0.2	25	100	1.3	0.08
25	10.75	0.08	16	95	1.45	0.08
30	6.75	0.08	11.11	90	1.7	0.08
35	4.55	0.08	8.16	85	2	0.08
40	3.5	0.08	6.25	80	2.25	0.08
45	2.62	0.08	4.94	75	2.6	0.08
50	2.05	0.08	4	70	3.1	0.08
55	1.55	0.08	3.31	65	3.87	0.08
60	1.3	0.08	2.78	60	4.5	0.08
65	1.2	0.08	2.37	55	5.3	0.08
70	1.05	0.08	2.04	50	6.6	0.08
75	0.95	0.08	1.78	45	8.5	0.08
80	0.8	0.08	1.56	40	10.95	0.08
85	0.75	0.08	1.38	35	14.75	0.08
90	0.7	0.08	1.23	30	20.9	0.2
95	0.6	0.08	1.11	25	32	0.4
100	0.55	0.08	1	20	55	0.4

4.2 Wyznaczanie charakterystyki fotokomórki.

Tabela 4.2.1

Odległość = 20 cm

U_z.żar.= 10 V

Uz.fotok. [V]	Błąd [V]	Natężenie prądu [μA]	Błąd [μA]
0	0.1	0.3	0.08
10	0.1	6.4	0.08
20	0.1	11.1	0.08
30	0.1	15.3	0.2
40	0.8	18.6	0.2
50	0.8	31.2	0.4
75	0.8	38.9	0.4
80	0.8	40.5	0.4
85	0.8	42	0.4
90	0.8	43	0.4
95	0.8	45	0.4
100	0.8	49	0.4
105	0.8	49	0.4
110	0.8	50	0.4
115	0.8	50	0.4
120	0.8	50	0.4

4.3 Wyznaczanie czerwonej granicy zjawiska fotoelektrycznego.

Tabela 4.3.1

U_z.żar.= 67.2 [V]

Dł. fali λ [nm]	Natężenie prądu [μA]	Błąd [A]		Dł. fali λ [nm]	Natężenie prądu [μA]	Błąd [A]
700	0.0045	0.05 n		540	1.4	0.02 μ
690	0.0042	0.05 n		530	1.5	0.02 μ
680	0.0046	0.05 n		520	1.55	0.02 μ
670	0.0056	0.05 n		510	1.51	0.02 μ
660	0.0232	0.05 n		500	1.46	0.02 μ
650	0.012	0.05 n		490	1.38	0.02 μ
640	0.0201	0.05 n		480	1.26	0.02 μ
630	0.0389	0.5 n		470	1.18	0.02 μ
620	0.0681	0.5 n		460	1.09	0.05 μ
610	0.17	0.05 μ		450	0.98	0.05 μ
600	0.36	0.05 μ		440	0.89	0.05 μ
590	0.564	0.05 μ		430	0.79	0.05 μ
580	0.75	0.05 μ		420	0.69	0.05 μ
570	0.91	0.05 μ		410	0.61	0.05 μ
560	1.09	0.02 μ		400	0.5	0.05 μ
550	1.26	0.02 μ

4.4 Wyznaczanie stałej Plancka.

Tabela 4.4.1

λ₂= 520 nm

Uz.fotok. [mV]	Błąd [mV]	Natężenie prądu [nA]	Błąd [nA]
0	3	55.8	0.5
1	3	37.9	0.5
2	3	23.2	0.2
3	3	13.1	0.2
4	3	6.39	0.05
5	3	2.56	0.02
6	3	0.76	0.01
7	3	0	0.01

Tabela 4.4.2

λ₁= 570 nm

Uz.fotok. [mV]	Błąd [mV]	Natężenie prądu [nA]	Błąd [nA]
0	3	32.5	0.5
1	3	22.2	0.2
2	3	13.9	0.2
3	3	5.39	0.05
4	3	1.89	0.02
5	3	0.46	0.01
6	3	0	0.01

5.Wnioski.

Otrzymane w ćwiczeniu wyniki potwierdziły zależności opisane szczegółowo w skrypcie .

Błędy jakie wystąpiły w dużej mierze wynikają z niedostatecznego zaciemnienia sali laboratoryjnej, nie wykonalne było całkowite odizolowanie fotokomórki od nieporządanych źródeł światła (np. w czasie badania granicy czerwonej do fotokomórki dochodziło światło z lampy znajdującej się na stanowisku, nie można jej było wyłączyć, ponieważ wówczas nie było by możliwe odczytanie wskazań przyrządów pomiarowych).Błąd wynikający z użytych mierników był niewielki. Niestety nie udało mi się wyznaczyć prawidłowo stałej Plancka, gdyż jej wartość obliczona z danych, wynikających z pomiarów miałaby ujemny znak.

---