Ćwiczenie nr23 |
Badanie fotokomórki |
Data 10-III-97 |
I Mechaniczny |
Dariusz Jajak |
|
WPROWADZENIE
Zjawisko wyzwalania elektronów z ciał pod wpływem padającego na nie promieniowania elektromagnetycznego światła widzialnego, podczerwonego(nadfioletowego) dzielimy na trzy rodzaje:
-zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne(powierzchniowe)
-zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne(objętościowe)
-zjawisko fotowoltaiczne(fotoelektromotoryczne)
A.Einstein wyjaśnił mechanizm zjawiska fotoelektrycznego założył on (za Planckiem), że światło ma budowę ziarnisto-kwantową a energia jednego kwanta wynosi hν- gdzie h- jest stałą Plancka() a ν- częstotliwością drgań fali elektromagnetycznej padającej na dany metal. W myśl tych założeń strumień promieniowania składa się z pojedynczych kwantów posiadających określoną energię. Energia kwantu promieniowania czyli fotonu, padającego na powierzchnię metalu jest oddana całkowicie jednemu z elektronów metalu(przy czym kwant przestaje istnieć). Wymiana energii między elektronem a fotonem odbywa się w czasie około
Energia fotonu przekazana elektronowi może ulec podziałowi na pracę wyjścia i energię kinetyczną elektronu lub tylko na pracę wyjścia. Warunek wymiany energii możemy zapisać w postaci:
W- praca wyjścia
Praca wyjścia W nazywa się minimalną pracą konieczną do wyrzucenia elektronu o energii odpowiadającej energii na poziomie Feriniego z ciała stałego do otaczającej to ciało próżni. Podstawiając za pracę gdzie :
jest to ładunek elektronu
- jest różnicą potencjałów przez jaką musi przejść elektron przy wychodzeniu na zewnątrz
W granicznym przypadku gdy cała energia pochłoniętego fotonu zostaje zużyta na pokonanie bariery potencjału a prędkość fotoelektronów jest równa 0,to:
, gdzie:
- graniczna częstość (przy której elektrony opuszczają powierzchnię metalu z prędkością 0) albo progowa częstotliwość promieniowania padającego
Prawa zjawiska fotoelektrycznego można wyrazić na gruncie teorii kwantów w sposób następujący:
PRAWO I
Ze wzrostem padającej energii promienistej (przy ustalonej długości fali promieniowania elektromagnetycznego) to jest ze zwiększeniem gęstości strumienia kwantów zwiększa się liczba elektronów wychodzących w jednostce czasu z jednej powierzchni oświetlanego ciała, lecz nie zmienia się ich prędkość(Vmax).
PRAWO II
Prędkość początkowa(Vmax) wychodzących na zewnątrz fotoelektronów jest tym większa, im krótsza jest padająca fala światła, tj. im większa jest energia kwantów promieniowania.
Pierwszą fotokomórkę skonstruowali Elster i Geitel, którzy w 1890 roku opisali typy fotokomórek szklanych zawierających substancje fotoelektryczne w postaci warstw metali alkaicznych, ich stopów lub amalgamatów umieszczonych w bańkach szklanych.
Dzisiaj komórki fotoelektryczne dzielimy na dwie grupy:
- próżniowe
- gazowe
Lp. |
d[cm] |
U[V] |
I[μA] |
1 |
25 |
10 |
2 |
2 |
25 |
20 |
4 |
3 |
25 |
30 |
4 |
4 |
25 |
40 |
4 |
5 |
25 |
50 |
4 |
6 |
25 |
60 |
6 |
7 |
25 |
70 |
6 |
8 |
25 |
80 |
8 |
9 |
25 |
90 |
8 |
10 |
25 |
100 |
10 |
11 |
20 |
10 |
4 |
12 |
20 |
20 |
4 |
13 |
20 |
30 |
6 |
14 |
20 |
40 |
6 |
15 |
20 |
50 |
8 |
16 |
20 |
60 |
10 |
17 |
20 |
70 |
10 |
18 |
20 |
80 |
12 |
19 |
20 |
90 |
14 |
20 |
20 |
100 |
16 |
21 |
15 |
10 |
8 |
22 |
15 |
20 |
8 |
23 |
15 |
30 |
10 |
24 |
15 |
40 |
12 |
25 |
15 |
50 |
16 |
26 |
15 |
60 |
18 |
27 |
15 |
70 |
20 |
28 |
15 |
80 |
24 |
29 |
15 |
90 |
26 |
30 |
15 |
100 |
30 |
Lp. |
U[V] |
d[cm] |
I[μA] |
1 |
60 |
12 |
34 |
2 |
60 |
13 |
28 |
3 |
60 |
14 |
22 |
4 |
60 |
15 |
20 |
5 |
60 |
16 |
16 |
6 |
60 |
17 |
14 |
7 |
60 |
18 |
12 |
8 |
50 |
12 |
32 |
9 |
50 |
13 |
26 |
10 |
50 |
14 |
20 |
11 |
50 |
15 |
16 |
12 |
50 |
16 |
14 |
13 |
50 |
17 |
12 |
14 |
50 |
18 |
10 |
15 |
40 |
12 |
26 |
16 |
40 |
13 |
20 |
17 |
40 |
14 |
18 |
18 |
40 |
15 |
14 |
19 |
40 |
16 |
12 |
20 |
40 |
17 |
10 |
21 |
40 |
18 |
10 |
Woltomierz
kl.0,5
1dz.=2V
z=150V
Mikroamperomierz
kl.1,5
1dz.=2μA
z=100μA
BŁĘDY
Δl=2mm
ΔU=4V
ΔI=4μA
,błąd liczymy z pochodnej logarytmicznej
d |
|
ΔX |
12 |
0,0069 |
0,00023 |
13 |
0,0059 |
0,00018 |
14 |
0,0051 |
0,00015 |
15 |
0,0044 |
0,00012 |
16 |
0,0039 |
0,00010 |
17 |
0,0034 |
0,00008 |
18 |
0,0031 |
0,00007 |
WNIOSKI
W ćwiczeniu wyznaczono charakterystykę prądowa-napięciową i świetlną fotokomórki. Z pierwszej wynika że przy stałej odległości źródła światła, zwiększając napięcie przyłożone do fotokomórki wartość fotoprądu rośnie. Przy mniejszych odległościach źródła światła od fotokomórki wartości napięcia i fotoprądu są odpowiednio większe. Z charakterystyki świetlnej wynika że wraz ze zmniejszeniem odległości światła wzrasta wartość fotoprądu. Dzieje się tak dla tego, że zbliżając żarówkę do fotokomórki zwiększamy strumień światła padający na fotokomórkę. Dzięki temu zwiększa się ilość elektronów wytrąconych z katody a więc rośnie wartość fotoprądu. Na błąd wpływa niepunktowość źródła światła, wahania napięcia zasilającego żarówkę, co powoduje zmianę strumienia padającego światłą oraz błąd mierników. Mogą więc wystąpić odchylenia od charakterystyki prawidłowej.