Politechnika Śląska

Wydział AEiI

Kierunek AiR

Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki:

Wyznaczanie charakterystyk fotokomórki gazowanej

Grupa V, sekcja 6

1.Siwek Mariusz

2.Kózka Robert

3.Matejszczak Piotr

Gliwice 13.03.97

1.Opis teoretyczny.

Jednym ze zjawisk, których nie można wytłumaczyć na gruncie fizyki klasycznej, jest zjawisko fotoelektryczne. Rozróżnia się trzy rodzaje tego zjawiska

-zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polegające na emisji elektronów z oświetlonego ciała do otaczającej ciało przestrzeni,

-zjawisko fotoelektryczne wewnętrzne polegające na wygenerowaniu w przewodniku pod wpływem oświetlenia nośników prądu, w wyniku czego następuje wzrost przewodności elektrycznej ciała,

-zjawisko fotoelektryczne w gazach polegające na jonizacji atomów i cząsteczek gazu pod wpływem promieniowania.

Praca fotokomórki jest związana ze zjawiskiem fotoelektrycznym zewnętrznym. Fotony światła padające na fotokatodę powodują emisję fotoelektronów. Elektrony docierają do anody, co powoduje przepływ prądu. Natężenie tego prądu jest proporcjonalne do napięcia przyłożonego do fotokomórki. Możemy zauważyć, że jeśli zmienimy znak napięcia, to natężenie prądu nie spadnie gwałtownie do zera. Dowodzi to, że z katody są emitowane elektrony o prędkościach początkowych różnych od zera. Jednakże jeżeli odwróconą różnicę potencjałów odpowiednio zwiększymy, to osiągniemy taką wartość napięcia, przy której natężenie prądu fotoelektrycznego spada do zera.

Trzy zasadnicze cechy efektu fotoelektrycznego nie dadzą się wyjaśnić przy pomocy falowej teorii światła:

-energia kinetyczna fotoelektronów nie wzrasta przy wzroście natężenia wiązki światła,

-zjawisko fotoelektryczne występuje powyżej pewnej częstości progowej, niezależnie od natężenia światła,

-nie stwierdza się żadnego opóźnienia czasowego między padaniem światła a emisją elektronów (zjawiają się po czasie 3*10-9 s ).

Według teorii falowej, jeśli natężenie światła jest bardzo małe, powinien upłynąć pewien czas, aby została zaabsorbowana przez elektron energia wystarczająca do wydostania się elektronu z metalu.

Dla większości metali częstość progowa leży powyżej częstości światła widzialnego, w nadfiolecie. W świetle widzialnym zjawisko fotoelektryczne występuje tylko w metalach alkalicznych.

2.Opis ćwiczenia.

W ćwiczeniu należało zmontować układ przedstawiony na rysunku. Następnie przeprowadzono kilka doświadczeń 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	Ilość dz
Woltomierz Uż	0.5	300 V	75
Woltomierz Uf	0.5	75 V	75
Watomierz W	0.5	100 W	100
Mikroamperomierz	1	2 μA	100

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

Napięcie Uż = 220 V

Moc P = 29 W

Odległość żarówki od fotokomórki d = 60 cm

Lp.	Uf [V]	I [μA]
1	0	0,05
2	5	0.25
3	10	0.30
4	15	0.38
5	20	0.40
6	25	0.48
7	30	0.51
8	35	0.60
9	40	0.67
10	45	0.72
11	50	0.81
12	55	0.90
13	60	1.00
14	65	1.11
15	70	1.21
16	75	1.36

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

Nap fotokomórki: Uf = 60 V

Odległość żarówki od fotokomórki : d = 60 cm

Lp.	UŻ [V]	I [μA]	P [W]
1	50	0.01	4.00
2	60	0.02	5.00
3	70	0.03	6.00
4	80	0.05	7.00
5	90	0.08	9.00
6	100	0.11	10.00
7	110	0.16	12.00
8	120	0.21	13.00
9	130	0.28	15.00
10	140	0.35	17.00
11	150	0.44	19.00
12	160	0.54	21.00
13	170	0.64	23.00
14	180	0.75	25.00
15	190	0.87	27.00
16	200	1.00	29.00
17	210	1.14	31.00
18	220	1.29	33.00

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

Moc żarówki: P = 25 W

Nap fotokomórki: Uf = 60 V

Nap żarówki: UŻ = 180 V

Lp.	d [cm]	I [μA]
1	60	0.76
2	58	0.81
3	56	0.87
4	54	0.93
5	52	1.00
6	50	1.06
7	48	1.14
8	46	1.21
9	44	1.32
10	42	1.44
11	40	1.55
12	38	1.68
13	36	1.88

4. Opracowanie wyników pomiarów.

Analiza niepewności pomiarowych

Woltomierz UŻ:

Woltomierz Uf:

Watomierz:

Mikroamperomierz:

Błąd odczytu odległości d:

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

1.Przy ustalonym napięciu UŻ i odległości d notowane były wskazania mikroamperomierza przy napięciu Uf zmienianym w zakresie 0 ÷ 75 V co 5 V. Przeprowadzane pomiary zostały przerwane przy Uf = 60 V aby nie przekroczyć maksymalnego prądu fotokomórki I = 2 mA

Wykres zależności: prądu I w funkcji Uf

2.Przy ustalonym napięciu Uf i odległości d notowane są wskazania mierników przy zmienianym napięciu UŻ w zakresie 50 ÷ 220 V co 10 V

Wykresy zależności: I w funkcji UŻ i P

3. Przy ustalonych napięciach Uf i UŻ zmieniana była odległość żarówki od fotokomórki d w zakresie od 60 cm do odległości przy której I < 2μA.

Wykres zależności: I w funkcji d:

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

Wykres zależności: I w funkcji 1/d2

5.Podsumowanie.

Wszystkich pomiarów dokonano tak, aby nie uszkodzić fotokomórki - prąd fotokomórki był mniejszy od 2 μA. Ten fakt spowodował, że prąd nie osiągnął wartości nasycenia, tzn. że można obserwować przebieg charakterystyk w zawężonym przedziale.

Charakterystyka w punkcie 1 - jest to zależność pomiędzy prądem fotokomórki a napięciem do niej przyłożonym ma chrakter liniowy tylko w środkowej części. Dla napięcia 0 V stwierdzono, że =0.05 μA. Prąd ten jest wynikiem tego, że fotokomórka była przez cały czas oświetlona i niektórym wybitym elektronom z fotokatody udało się dotrzeć do anody. Aby zlikwidować to zjawisko należałoby przyłożyć napięcie hamowania.

Charakterystyki w punkcie 2 - są to wykresy natężenia prądu od napięcia żarówki i mocy. Przesunięcie wykresu natężenia do napięcia jest spowodowane tym, że żarówka zaczyna świecić z wystarczającą jasnością, by rozpoczęło się zjawisko fotoelektryczne, dopiero od pewnej wartości napięcia prądu zasilania.

Charakterystyka 3 - krzywa natężenia prądu od odległości d między żarówką a fotokomórką to hiperbola. Jak wiadomo dla światła I jest wprost proporcjonalne do kwadratu odwrotności odległości od źródła światła.

Charakterystyka 4 - przedstawiając dane o odległości żarówki od fotokomórki w postaci d -2 doprowadzono do transformacji charakterystyki 3 w linię prostą. Jak bowiem pokazano w poprzednim punkcie jest wprost porcjonalne do d -2.

Bardzo ważną rzeczą jest jak na błędy uzyskanych doświadczalnie danych wpłynął sposób oświetlenia fotokomórki. Wiązka padająca powinna maksymalnie oświetlić warstwę fotoczułą przy danej odległości. Na pomiar wpływa również niepunktowość źródła - zwłaszcza przy pomiarach natężenia prądu od odległości od żarówki.

---