Politechnika Śląska

Wydział AEiI

Kierunek AiR

Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki:

Wyznaczanie charakterystyk fotokomórki gazowanej

Grupa V, sekcja 7

Jacek Satława

Tomasz Wolszczak

Gliwice 26.02.1999

1.Opis teoretyczny.

W warunkach normalnych elektron nie może opuścić metalu , musi on pokonać potencjał

jonizacyjny.Energię potrzebna do pokonania tego potencjału otrzymac musi z zewnatrz w postaci:

1.energii cieplnej,

2.silnego pola elektrycznego,

3.bombardowania jonami,

4.energii swietlnej.

Emisje elektronów pod wpływem światła nazywamy fotoemisją lub zjawiskiem fotoelektrycznym. Rozróżniamy zjawisko fotoelektryczne zewnetrzne i wewnetrzne.W omawianym doswiadczeniu wykorzystuje się praktycznie zjawisko fotoelektryczne zewnetrzne polegające na tym że światło padające na płytke wybija z niej elektrony swobodne.Jest to proces energetyczny w którym energia kwantów światła jest przekazywana elektronom swobodnym w metalu.Aby opuścic powierzchnie metalu z pewną energią kinetyczną E_K elektrony muszą wykonać pracę wyjścia W_W .Wybicie fotoelektronu nastąpi wtedy gdy energia kwantu hf będzie co najmniej większa lub równa od pracy wyjścia.Opisywane zjawisko wykazuje 3 cechy charakterystyczne:

1.liczba emitowanych fotoelektronów jest proporcjonalna do strumienia świetlnego

2.energia kinetyczna fotoelekrtonu nie zależy od strumienia świetlnego

3.fotoelekrony pojawiają się po naświetleniu metalu po czasie 3*10^-9 [s].

W ćwiczeniu użyto fotokomórki gazowanej.Natężenie prądu fotoemisji w takiej fotokomórce napełnionej gazem szlachetnym ulega zwiększeniu w wyniku jonizacji atomów gazu bombardowanych przez fotoelektrony,przyspieszonych w polu panującym pomiedzy elektrodami.

2.Opis ćwiczenia.

W ćwiczeniu należało zmontować układ przedstawiony na rysunku. Następnie przeprowadzono kilka doświadczeñ pozwalających wyznaczyć charakterystykę fotokomórki. Badano zależność prądu płynącego przez fotokomórkę od następujących wielkości:

1. Napięcia przyłożonego do fotokomórki.

2. Napięcia żarówki oświetlającej fotokomórkę.

3. Odległości żródła światła od fotokomórki.

3.Tabela pomiarowa.

Przyrządy pomiarowe użyte w doświadczeniu.

Miernik	Klasa [%]	Zakres	Dokł.odcz.
Woltomierz Uż	0,5	300 V	2V
Woltomierz Uf	0,5	75 V	0,5V
Watomierz W	0,5	50 W	0,25W
Mikroamperomierz	1	2 A	0,01

1.Pomiar prądu fotokomórki w zależności od napięcia fotokomórki Uf .

Uż = 180 V

Moc P = 26 W

Odległość żarówki od fotokomórki d = 41 cm

Lp.	Uf [V]	I [A]
1	5	0,38
2	10	0,5
3	15	0,55
4	20	0,64
5	25	0,73
6	30	0,84
7	35	0,94
8	40	1,06
9	45	1,20
10	50	1,32
11	55	1,44
12	60	1,6
13	65	1,76
14	70	1,94

2. Pomiar prądu fotokomórki w zależności od napięcia Uż żarówki oświetlającej fotokomórkę.

Nap. fotokomórki: Uf = 70 V

Odległość żarówki od fotokomórki : d = 41 cm

Lp.	Uż [V]	I [A]	P [W]
1	50	0,05	3,5
2	60	0,08	4,5
3	70	0,12	6
4	80	0,17	7
5	90	0,25	9
6	100	0,34	10,5
7	110	0,46	12
8	120	0,59	13,5
9	130	0,77	15,5
10	140	0,96	17,5
11	150	1,18	19,5
12	160	1,4	21,5
13	170	1,66	24
14	180	1,94	26

3.Pomiar prądu fotokomórki w zależności od odległości d od żarówki.

Moc żarówki: P = 26 W

Nap fotokomórki: Uf = 70 V

Nap żarówki: Uż = 180 V

Lp.	d [cm]	I [A]
1	41	1,94
2	43	1,78
3	45	1,64
4	47	1,52
5	49	1,42
6	51	1,34
7	53	1,26
8	55	1,18
9	57	1,12
10	59	1,06
11	60	1,02

4. Opracowanie wyników pomiarów.

Błędy klasy mierników : Dokładność odczytu:

Woltomierz U_ż Woltomierz U_ż

ΔUż =2V

Woltomierz Uf

Woltomierz Uf

ΔUf =0,5V

Watomierz:

Watomierz:

ΔP=0,25W

Mikroamperomierz:

Mikroamperomierz:

ΔI=0.01A

Do obliczeń wzięto większą z wartości błędów.

Błąd odczytu odległości d:

Działka elementarna na przyrządzie wynosiła 0.5 cm więc można przyjąć d = ± 0.25 cm

1 .Przy ustalonym napięciu Uż i odległości d notowane były wskazania mikroamperomierza przy napięciu Uf zmienianym w zakresie 5 ÷ 75 V co 5 V. Przeprowadzane pomiary zostały przerwane przy Uf = 70 V aby nie przekroczyć maksymalnego prądu fotokomórki I = 2 A

2. Przy ustalonym napięciu Uf = 70 V i odległości d = 41 cm notowane są wskazania mierników przy zmienianym napięciu Uż w zakresie 50 ÷ 180 V co 10 V.

3. Przy ustalonych napięciach Uf = 70 V i Uż = 180 V zmieniana była odległość żarówki od fotokomórki d w zakresie od 60 cm do odległości 41 cm przy której jeszcze I < 2A.

4. Korzystając z wyników pomiarów umieszczonych w tabeli nr.3 sporządzony został wykres
.Błąd został wyliczony w następujący sposób :
gdzie d - błąd bezwzględny d czyli :

5.Podsumowanie.

Charakterystyka fotokomórki gazowanej cechuje brak prądu zerowego oraz brak prądu nasycenia.Oba efekty spowodowane są zderzeniami elektronów z cząsteczkami gazu:

a)w pierwszym przypadku elektrony są hamowane co powoduje zanik prądu zerowego,

b)w drugim przypadku dzięki ich dużej energii kinetycznej powodują jonizacje zderzeniową,która prowadzi do gwałtownego wzrostu pradu.

Przez to charakterystyka ta w porównaniu z charakterystyką fotokomórki próżniowej jest silnie nieliniowa.
Charakterystyka świetlna fotokomórki (w ćwiczeniu jest to charakterystyka mocy zarówki P_ż od prądu fotoelektrycznego I_f ) cechuje się również nieliniowością.Dodatkowo wzrost prądu fotoelekrycznego przy wzroście strumienia swietlnego mocy żarówki wywołany jest przez jony dodatnie gazu powstałe w wyniku zderzeń z fotoelektronami.

^{Ponieważ na podstawie doświadczenia stwierdzono że moc odbierana przez przyżąd pomiarowy jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości pomiedzy żródłem a odbiornikiem charakterystyka prądu od odległości jest nieliniowa,natomiast charakterystyka wykreślona na podstawie wyników pomiarów z poprzedniej charakterystyki ( I = f (1/d2) ) jest charakterystyka liniową.}

---