Politechnika Śląska Gliwice 11.03.98

Wydział elektryczny

Semestr II

Ćwiczenie laboratoryjne z fizyki:

Wyznaczanie charakterystyki fotokomórki.

Krzysztof Marszałek

1.1. Opis zjawiska

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne zostało odkryte w roku 1887 przez Hertza. Padające na metal światło doprowadza do emisji elektronów , zwanych fotoelektronami. Największa prędkość początkowa fotoelektronów określona jest częstością swiatła i nie zależy od jego natężenia. Dla każdej substancji istnieje niskofalowa granica fotoelektryczna, tzn. istniejw najmniejsza częstość v0 światła, dla której jest jeszcze możliwe zewnętrzne zjawisko fotoelektryczne. Wielkość v0 zależy od chemicznego składu substancji i jej powierzchni.Liczba fotoelektronów n, wybijanych z katody w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia światła (prąd fotoelektryczny nasycenia jest proporcjonalny do energetycznego oświetlenia katody). Te doświadczalne fakty można wytłumaczyć za pomocą kwantowej teorii światła podanej w 1905 roku przez Einsteina. Głównym założeniem tej teorii jest, że światło rozchodzi się w postaci porcji energii - kwantów promieniowania elektromagnetycznego. Kwanty te zostały nazwane fotonami, a ich energia wynosi h*v (dla promieniowania monochromatycznego). W wyniku pochłonięcia fotonu elektron osiąga emergię h*v. Jeśli energia ta jest większa od pracy wyjścia A, elektron opuszcza powierzchnię metalu. Einstein podał następujące równanie na energię kinetyczną fotoelektronu opuszczającego metal:
, gdzie h-stała Pancka.

Teoria opiera się na tym, że przekazanie energii jednemu z elektronów nie zmienia energii pozostałych. Częstość odpowiadająca czerwonej granicy zjawiska określona jest wzorem:

1.2. Fotokomórka

Fotokomórka to najczęściej szklana bańka w której znajdują się dwie elektrody: fotokatoda i anoda. Fotokatoda jest pokryta materiałem o małej pracy wyjścia. To na nią jest kierowany strumień światła, aby wybijać elektrony. Elektrody fotokomórki są podłączone do źródła napięcia - najczęściej tak aby pole elektryczne ułatwiało ruch elektronów w kierunku anody (fotokomórka spolaryzowana w kierunku przewodzenia). Napięcie może być przyłożone też w kierunku zaporowym - pole utrudnia wówczas przewodzenie fotokomórki.

2.1. Schemat układu pomiarowego

gdzie: Vż-woltomierz prądu zmiennego, Vf-woltomierz prądu stalego, µA-mikroamperomierz , W-watomierz.

2.2. Przebieg ćwiczenia

Celem ćwiczenia było zdjęcie charakterystyk fotokomórki za pomocą układu zbudowanego według zamieszczonego wyżej schematu. W celu wyeliminowania zewnętrznych źródeł światła fotokomórka była zamocowana na stałe w jednym końcu obustronnie zamkniętej rury . Napięcie do fotokomórki było przyłożone w kierunku przewodzenia. W drugim końcu była zamocowana żarówka. Dzięki jej ruchomemu zamocowaniu można było zmieniać jej odległość od fotokomórki. Pierwsza część ćwiczenia polegała na zebraniu danych do charakterystyki - natężenie prądu fotokomórki do jej napięcia , przy stałej odległości od niej żarówki i stałej mocy żarówki. Dokonano 16 pomiarów zmieniając napięcie od 0 do 75 V. Druga część polegała na zbadaniu zależności natężenia prądu fotokomórki od napięcia zasilania żarówki, oraz natężenia prądu fotokomórki do mocy żarówki. Stała była odległość między żarówką, a fotokomórką i napięcie zasilania fotokomórki. Dokonano 18 pomiarów zmieniając napięcie żarówki od 50 do 220 V. W trzeciej części zbadano zależność: natężenia prądu fotokomórki od odległości fotokomórki do żarówki, oraz natężenia prądu fotokomórki do odwrotności kwadratu odległości fotokomórki i żarówki. W tym przypadku stałymi były napięcia na fotokomórce i żarówce. Dokonano 17 pomiarów zmieniając odległość od 60 cm do 28 cm. Pomiary we wszystkich trzech częściach były dokonywane w ten sposób, aby prąd fotokomórki nie przekraczał 2 µA.

Tabele pomiarowe

Tabela nr 1.

Moc P=25

Oległość fotokomórki od żarówki d=50

Lp.	Napięcie Uf [v]	Natężenie prądu I [uA]
1	0	0,02
2	5	0,28
3	10	0,36
4	15	0,4
5	20	0,46
6	25	0,54
7	30	0,62
8	35	0,7
9	40	0,78
10	45	0,86
11	50	0,96
12	55	1,08
13	60	1,2
14	65	1,32
15	70	1,46
16	75	1,62

Tabela nr 2.

Napięcie fotokomórki Uf=

Odległość fotokomórki od żarówki d=

Lp.	Napięcie Uż [v]	Natężenie prądu I [uA]	Moc żarówki P.[W]
1	50	0,01	3
2	60	0,02	4
3	70	0,02	5
4	80	0,04	6
5	90	0,06	7
6	100	0,1	8
7	110	0,14	10
8	120	0,18	12
9	130	0,24	13
10	140	0,3	15
11	150	0,38	16
12	160	0,48	18
13	170	0,58	20
14	180	0,68	22
15	190	0,8	24
16	200	0,92	26
17	210	1,06	28
18	220	1,22	30

Tabela nr 3.

Moc żarówki P=22,4

Napięcie fotokomórki Uf=60V

Napięcie żarówki Uż=180V

Lp.	Odległość d [cm]	Natężenie prądu I [uA]
1	60	0,5
2	58	0,54
3	56	0,56
4	54	0,62
5	52	0,66
6	50	0,7
7	48	0,76
8	46	0,8
9	44	0,88
10	42	0,94
11	40	1,02
12	38	1,14
13	36	1,26
14	34	1,4
15	32	1,58
16	30	1,78
17	28	2

1. Wykonana według danych zawartych w tabeli pomiarowej I, pokazuje zależność natężenia prądu fotokomórki od napięcia fotokomórki.

b. i c. Wykonana według danych zawartych w tabeli pomiarowej II, pokazuje zależność natężenia prądu fotokomórki od napięcia i mocy żarówki.

d.Wykonana według danych zawartych w tabeli pomiarowej III, pokazuje zależność natężenia prądu fotokomórki od odległości od żarówki.

e. Wykonana według danych zawartych w tabeli pomiarowej I, pokazuje zależność natężenia prądu fotokomórki od odwrotności kwadratu odległości między żarówką a fotokomórką.

4. Rachunek błędów

Obliczanie błędów pomiarowych:

Mierniki	Klasa [%]	Zakres
Woltomierz Uż	0,5	300
Woltomierz Uf	0,5	75
Watomierz	0,5	50
Mikroamperomierz	1	2

Błąd wynikający z klasy mierników:

Miernik - Oznaczenie	D1
woltomierz - DVz	1.5 V
woltomierz - DVf	0.375 V
woltomierz - DW	0.25 W
mikroamperomierz - DA	0.02 µA

Błąd odczytu na poziałce drążka służącego do przesuwania żarówki wewnątrz rury wynosi:

Xd = 0,25 [cm]

Wartość bezwzględnego błedu jest stała i zależy od klasy, zakresu przyrządu mierzącego oraz

dokładności oczytu, a nie zależy od wartości mierzonej.Dlatego błędy zaznaczone na wykresach

w postaci prostokątów błędów, dla danej wielkości mierzonej są stałe i równe 2xXd

poszczególnych mierników.

Dla wykresu I = f(1/d*) analizę błędu obliczamy metodą różniczki zupełnej ze wzoru:

*1/d = 2/d Xd

Wartości obczeń są zawarte w tabeli poniżej:

Lp.	d [cm]
1	60	2,778	0,024
2	58	2,973	0,026
3	56	3,189	0,029
4	54	3,429	0,032
5	52	3,698	0,036
6	50	4,00	0,04
7	48	4,34	0,046
8	46	4,726	0,052
9	44	5,165	0,059
10	42	5,669	0,068
11	40	6,25	0,079
12	38	6,925	0,092
13	36	7,716	0,108
14	34	8,65	0,128
15	32	9,76	0,156
16	30	11,11	0,185
17	28	12,75	0,238

Wartość błędu wzrasta stosunkowo szybko ze zmniejszaniem się odległości d.

5. Podsumowanie

Wszystkich pomiarów dokonano tak, aby nie uszkodzić fotokomórki - prąd If fotokomórki był mniejszy od 2 µA. Ten fakt spowodował , że prąd If nie osiągnął wartości nasycenia, tz że można obserwować przebieg charakterystyk w zawężonym przedziale.Wykresy I=f(P), I=f(Uż), I=f(d) opowiadają funkcją potęgowym..Napięcie potęgowe rośnie wraz ze wzrostem P,Uż, Uf, a maleje ze zwiększeniem odegłości.

---