Politechnika Krakowska Fizyka Techniczna II Rok	Marcin Bernady	Rok akad.: 1999/2000		Data: 9.11.1999
Grupa 2 Zespół 3		Nr ćwicz.: 33	Ocena:		Podpis:

Zastosowanie Fotoogniwa do Pomiarów Fotometrycznych

Odróżniamy trzy główne rodzaje zjawisk fotoelektrycznych:

1. zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, polegające na emisji elektronów przez ciała naświetlane promieniowaniem elektromagnetycznym o dostatecznie dużej energii kwantów E = hν. Prawa rządzące tym zjawiskiem podał Einstein, a wyzyskano je w budowie fotokomórki;

2. zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne, które polega na zwiększaniu przewodnictwa półprzewodników pod wpływem naświetlania; zostało ono wykorzystane do budowy fotooporów;

3. 
   zjawisko fotoelektryczne zaporowe, polegające na tym, że na powierzchni granicznej między półprzewodnikiem a metalem gromadzą się pod wpływem naświetlania elektrony przewodnictwa. Warstewka ta, zwana warstwą zaporową, przepuszcza elektrony tylko w jednym kierunku. Jednym z rodzajów fotoogniw fotoelektrycznych jest fotoogniwo selenowe.

Górna elektroda jest bardzo cienką warstewką ołowiu napyloną na warstewkę selenu. Selen znajduje się na podstawie żelaznej. Jeżeli obie elektrody ogniwa połączymy obwodem zewnętrznym i oświetlimy półprzezroczystą warstewkę Pb, wówczas w obwodzie popłynie prąd od selenu ku Pb. Mechanizm działania ogniwa jest następujący: pod wpływem światła z warstwy Se wysyłane są elektrony. Powierzchnia styku pomiędzy Pb i Se ma działanie prostujące, pozwala przechodzić elektronom tylko od Se do Pb. W rezultacie wysyłane przez selen elektrony mogą poruszać się poprzez warstwę tylko w jednym kierunku, dając w obwodzie zewnętrznym prąd.

Za wielkość podstawową przyjmuje się w fotometrii światłość I źródła światła. Jednostką światłości jest 1 kandela [cd]. Jedna kandela jest 1/60 światłości wypromieniowanej w kierunku prostopadłym przez 1 cm² ciała doskonale czarnego w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem 1,013⋅10⁵ [N/m²].

Strumień świetlny Φ wysyłany równomiernie we wszystkich kierunkach przez punktowe źródło światła o światłości I w kąt bryłowy ω wynosi Φ = Iω. Wobec tego takie źródło światła wysyła w pełny kąt bryłowy strumień Φ = 4πI. Jednostką strumienia świetlnego jest 1 lumen [lm]. Jeden lumen jest to strumień świetlny wysyłany w kąt bryłowy równy 1 steradianowi przez punktowe źródło światła o światłości 1 cd.

Oświetleniem E powierzchni dS, na którą pada prostopadle strumień światła dΦ, nazywamy

Jednostką oświetlenia jest 1 lux [lx]. Jeden lux jest to oświetlenie, jakie sprawia strumień światła równy 1 lumenowi równomiernie rozłożony na powierzchni 1 [m²].

Jeżeli przez jednorodny, przezroczysty ośrodek biegnie równoległa wiązka promieni prostopadle do powierzchni płaskorównoległej płyty, ulega ona wówczas osłabieniu zgodnie z równaniem

gdzie:

J₀ - gęstość strumienia energii w wiązce wnikającej w płytę, tzn. ilość energii przechodzącej w czasie 1 s przez powierzchnię 1 m² przy kącie padania 0° [W/m²]

J - gęstość strumienia po przejściu przez warstwę ośrodka grubości d

• - współczynnik absorpcji [m^-1]

Wiązka światła białego jest mieszaniną promieniowań o różnych długościach fali i różnych współczynnikach absorpcji. Promieniowanie widzialne różnych barw jest w szkle w przybliżeniu jednakowo absorbowane, gdyż wiązka światła białego po przejściu przez płytę szklaną pozostaje nadal bezbarwna. Natomiast bardzo skąpe promieniowanie ultrafioletowe i bardzo obfite promieniowanie podczerwone zawarte w świetle żarówki są przez płytki szkła ołowianego paru mm w zupełności pochłonięte. Wynik pomiaru daje nam średni współczynnik absorpcji promieniowania widzialnego.

Wykonanie ćwiczenia

Pomiar 1

Badanie zależności wychylenia galwanometru x od oświetlenia E fotoogniwa. Oświetlenie

gdzie I jest światłością źródła, zaś r jego odległością od fotoogniwa. Zmianę oświetlenia uzyskujemy przez zmianę odległości źródła światła od fotoogniwa, przy stałej wartości światłości źródła I.

Wyniki pomiarów zamieszczam poniżej.

Lp	r [m]	1/r^2 [m^-^2]	x [dz]
1	0,40	6,25	76,0
2	0,45	4,94	63,0
3	0,50	4,00	53,5
4	0,55	3,30	45,0
5	0,60	2,78	38,5
6	0,65	2,37	33,0
7	0,70	2,04	29,0
8	0,75	1,78	27,0
9	0,80	1,56	25,0
10	0,85	1,38	24,0
11	0,90	1,23	22,0
12	0,95	1,10	19,5
13	1,00	1,00	17,5
14	1,05	0,90	16,0
15	1,10	0,83	14,0
16	1,15	0,76	13,5
17	1,20	0,69	12,0
18	1,25	0,64	10,0
19	∞	0	0

Rysując wykres zależności uwzględniłem wartości z tabeli od numeru 11, gdyż w doświadczeniu używaliśmy żarówki, która nie jest źródłem punktowym, ale w przybliżeniu dla dużych odległości możemy potraktować ją jako źródło punktowe.

Wykres zależności zamieszczam w załączniku, którego równanie wynosi:

Obliczam czułość oświetleniową fotoogniwa

Błędy:

Czułość oświetleniowa fotoogniwa wynosi c = (88,6 ± 1,1)⋅10 ^-3 lx/dz.

Pomiar 2

Wyznaczanie współczynnika absorpcji promieniowania żarówki dla szkła ołowiowego.

Grubość płytek szklanych są kolejnymi wielokrotnościami 1,05 cm.

d [cm]	x [dz]	ln x
0	90,0	4,50
1,05	69,6	4,24
2,10	57,0	4,04
3,15	47,5	3,86
4,20	39,0	3,66
5,25	33,0	3,49
6,30	28,5	3,35
7,35	23,5	3,16
8,40	20,0	3,00

Wykres zależności zlogarytmowanego wychylenia galwanometru od grubości próbek szklanych przedstawia się następująco:

Współczynnik absorpcji jest współczynnikiem kierunkowym danej prostej, gdyż zgodnie ze wzorem

ale x ∼ J₀ zatem możemy napisać

Zaś po zlogarytmowaniu otrzymamy równanie liniowe, którego współczynnikiem kierunkowym jest właśnie μ.

Współczynnik absorpcji dla badanych próbek szkła wynosi μ = (0,168 ± 0,003) m ^-1

1

3

G

Pb

Fe

warstwa

zaporowa

Se

---