Описание к лабораторной работе 8 о

 

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) электронов от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (видимого, инфракрасного и ультрафиолетового). Различают три вида фотоэффекта - внешний, внутренний, вентильный. Фотоэффект наблюдается как в твердых, так и в жидких и газообразных средах.

Внешним фотоэффектом (фотоэлектронной эмиссией) называется испускание электронов веществом под действием света. Электроны, вылетающие из вещества при внешнем фотоэффекте, называются фотоэлектронами, а электрический ток, образуемый ими при упорядоченном движении во внешнем электрическом поле называется фототоком. Внешний фотоэффект наблюдается у металлов.

Внутренний фотоэффект (фотопроводимость) - это явление возникновения внутри вещества избыточных носителей тока под действием освещения, что приводит к изменению электрических свойств этого вещества при воздействии падающего на него света. Внутренний фотоэффект присущ только полупроводникам и диэлектрикам. На основе этого явления создана и постоянно совершенствуется большая группа приемников света - фоторезисторов.

Вентильный фотоэффект – это явление возникновения ЭДС при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла в отсутствии внешнего электрического поля. На этом явлении основаны вентильные фотоэлементы, обладающие тем преимуществом, что они могут служить индикатором лучевой энергии, не требующими внешнего питания. Главная особенность вентильных фотоэлементов состоит в том, что они открывают путь для прямого превращения солнечной энергии в электрическую.

Широкое практическое применение находит внешний фотоэффект, который был впервые исследован профессором Московского университета Столетовым А.Г. (1888 г) Схема опытов Столетова по исследованию внешнего фотоэффекта изображена на рис. 1.

Рис. 1

В вакуумной трубке размещены металлическая пластинка К, служащая катодом и электрод. А, служащий анодом. Электроды К и А через гальванометр Г подключены к соответствующим полюсам батареи Б. Напряжение между анодом и катодом измеряется вольтметром V. Высокий вакуум поддерживается между электродами К и А во время измерения, т.к. присутсвие газов может сильно изменить свойства поверхностей электродов и осложняет условия выхода и переноса зарядов. Графически зависимость фототока I_Ф от напряжения V (вольт-амперная характеристика) при определенном световом потоке (Ф = const.) приведена на рис.2.

 

Рис. 2

 

С увеличением напряжения фототок сначала растет, быстро достигая наибольшего значении I₀, получившего название тока насыщения. Дальнейшее увеличение напряжения уже не вызывает роста силы тока. Значение тока насыщения определяется количеством электронов n, при вырываемых светом из катода за единицу времени:

                                          I₀ = en                                         (1)

где е - заряд электрона.

Поэтому значение фототока насыщения J является мерой фотоэлектрического действия света. При v = 0 в цепи течет некоторый фототок (J ≠ 0), что свидетельствует о наличии у фотоэлектронов, покидающих катод, начальной скорости. Если поменять полярность электродов, то электрическое поле будет тормозить движение электронов, а при некотором значении V = V_з (задерживающее напряжение) даже самые быстрые фотоэлектроны, имеющие максимальную скорость v_max; не достигнут анода – фототок прекратиться.

В этих условиях

где m – масса электрона.

Из опыта установлены следующие законы внешнего фотоэффекта:

1. Сила фототока насыщения пропорциональна падающему световому потоку:

                                 I₀ = γФ                              (3)

Коэффициент γ, соответствующий силе фототока (выраженной в мкА) при освещенности катода световым потоком в I лм, называется фоточувствительностью освещаемой поверхности, он зависит от природы и состояния этой поверхности, а также от длины световой волны.

2. Максимальнаяскоростьфотоэлектроновлинейновозрастаетсростомчастотысветаинезависитотегоинтенсивности.

3. Фотоэфффектможетбытьвызвансветом(независимоотегоинтенсивности),частотакоторогонениженекоторойминимальнойчастоты ν₀, характернойдляданноговеществакатодаиназываемойкрасной границей фотоэффекта.

Законы фотоэффекта были объяснены на основе квантовых представлений, вытекающих из теории М. Планка. Согласно этой теории свет поглощается веществом не непрерывно, а в виде дискретных порций - квантов электромагнитного излучения, названых фотонами.

Световой поток определяется числом фотонов, падающих на поверхность катода в единицу времени, поэтому число освобождаемых электронов должно быть пропорционально световому потоку. А. Эйнштейн предположил, что энергия одного поглощенного фотона hν целиком передается одному электрону. Она расходуется на совершение работы выхода (А) электрона из металла и сообщение ему максимальной (т.к. пренебрежимо мало превращение световой энергии в тепловую) кинетической энергии (mv²_max/2).

Таким образом, энергетический баланс при фотоэффекте выражается следующим равенством (уравнение Эйнштейна):

Уравнение (73) дает возможность определить красную границу. С уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (работа А постоянна для данного освещаемого вещества). При некоторой частоте ν = ν₀ (или длине волны ,где с – скорость света) кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю () и фотоэффект прекратится (третий закон фотоэффекта). Это имеет мести при

hν₀ = A, т. е. в случае, когда вся энергия фотона расходуется на совершение работы выхода электрона. Тогда

Красная граница зависит от материала катода (h - постоянная Планка).

Второй закон фотоэффекта прямо вытекает из уравнения (73).

Приборы, действие которых основано на явлении внешнего фотоэффекта, называются фотоэлементами. Различают вакуумные и газонаполненные (инертным газом) фотоэлементы. Простейший вид фотоэлемента представлен на рис. 3. В стеклянном баллоне имеются два электрода: фотокатод К,

 

Рис. 3

 

представляющий собой металл, нанесенный на внутреннюю поверхность баллона, и анод А в виде петли, диска или сетки. Фотоэлемент подключается к источнику постоянного напряжения. Освещение катода вызывает в цепи фотоэлемента ток (регистрируется гальванометром Г), пропорциональный световому потоку Ф. Важная характеристика фотоэлемента - его чувствительность, равная фототоку, вызываемому единичным световым потоком. Чувствительность определяется в основном веществом катода и для вакуумных фотоэлементов обычно не превышает 150 мкА/лм. В газонаполненных фотоэлементах, содержащих небольшое количество инертного газа, чувствительность повышается до 1000 мкА/лм за счет ионизации газа ударами быстро летящих электронов. Очень важным для практики свойством вакуумных фотоэлементов является их практическая безынерционность:время между началом освещения и моментом появления фототока в них не превышает 10^-9с.

 

Цель работы: изучение вольт-амперной и световой характеристик, определение чувствительности вакуумного фотоэлемента.

 

Вольт-амперной характеристикой фотоэлемента называют зависимость силы тока I_ф и V_ф — напряжения между катодом и анодом (I_ф=f(V_ф)). Зависимость силы тока в цепи фотоэлемента (I_ф) от падающего на него светового потока Ф называют световой характеристикой (I_ф=f(Ф)).

Принципиальнаяэлектрическая схема включения вакуумного фотоэлемента ВФ представлена на рис. 4, где ε — источник постоянного тока для питания фотоэлемента, мкА; V – микроамперметр и вольтметр для измерения силы тока и напряжения между катодом и анодом фотоэлемента; для ограничения фототока служит сопротивление r ₂; при помощи переменного сопротивления r ₁ измеряется напряжение на электродах фотоэлемента.

Рис. 4

 

Описание установки

 

Приборы и принадлежности: вакуумный фотоэлемент, источник постоянного тока (высоковольтный выпрямитель), микроамперметр до 100 мкА, амперметр до 1А, вольтметр до 150 В, регулятор напряжения (РНШ), сопротивление (на 5 кОм), источник света (лампа накаливания), оптическая скамья.

 

На оптической скамье размещены и могут перемещаться лампа накаливания 1 в кожухе и вакуумный фотоэлемент 2 в кожухе (рис. 5). Лампа накаливания питается переменным током от городской сети через регулятор напряжения РНШ, на передней панели которого расположена шкала вольтметра; в цепь лампы включен амперметр А до 1 Ампера. К фотоэлементу подводится напряжение от высоковольтного выпрямителя ВВ. В цепь фотоэлемента включены вольтметр V, микроамперметр мкА и потенциометр П. Расстояние l между фотоэлементом и лампой определяется по шкале оптической скамьи.

 

Рис. 5

 

 

Производство работы

Задание №1. Снятие вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента: I_ф=f(V_ф).

3. Поставить фотоэлемент в правой части оптической скамьи на 90-м делении, а лампу на расстоянии l₁ = 45 см от фотоэлемента.

4. Закрыть отверстие в кожухе фотоэлемента. При выключенной лампе включить фотоэлемент, постепенно с помощью потенциометра увеличивая напряжение на фотоэлементе от 0 до 150 В; убедиться, что ток в цепи фотоэлемента не идет, если фотоэлемент не освещается.

5. Поставить подвижный контакт потенциометра в цепь фотоэлемента так, чтобы на фотоэлемент подавалось минимальное напряжение (практически равное нулю).

6. Открыть заслонку в кожухе фотоэлемента. Подать на лампу максимальное напряжение (200 В), вращая рукоятку на верхней панели РНШ.

7. При помощи потенциометра медленно повышать напряжение на фотоэлементе (до максимального – 150 В) и через каждые 20 В отмечать то по микроамперметру. Данные записать в таблицу 1.

8. Закрыть заслонку в кожухе фотоэлемента, снять напряжение на фотоэлементе. Поставить лампу на расстоянии l₂ = 35 см; напряжение на лампе – 200 В.

9. Открыть заслонку в кожухе фотоэлемента и проделать все действия, указанные в пункте 5.

10. По данным таблицы 1 построить (в одних координатных осях) график зависимости силы тока I_ф от напряжения V_ф для двух значений светового потока Ф₁ и Ф₂, которые подсчитываются по формуле:

Ф=(W/4π l²) S,                                                     (6)

где W = I_л V_{л —} мощность лампы, Вт;

  l – расстояние между фотоэлементом и лампой, м;

  S = πd²/4 – площадь освещаемой поверхности фотоэлемента, м²;

       d = 32 мм.

11. Изучив построенные графики, сделать вывод о зависимости фототока насыщения от величины светового потока.

 

 

Таблица 1

№ п/п	Расстояние от лампы до фотоэлемента l м	Показатели лампы		Показатели фотоэлемента		Световой поток Ф Вт или лм	Чувствительность фотоэлемента γ мкА/лм
		напряжение Vл В	сила тока Iл А	напряжение Vф В	сила тока Iф А
1.	0,45	200		0 20 40 60     150		Ф1 =
2.	0,35	200		0 20 40 60     150		Ф2 =

Задание №2. Определение чувствительности вакуумного фотоэлемента.

3. Подсчитанные в задании 1 по формуле (6) световые потоки Ф₁ и Ф₂ измеряются в Ваттах (Вт). Для достижения цели в задании 2 Ф₁ и Ф₂ перевести в люмены (лм) учитывая, что:

1 лм = 0,0016 Вт.

Величина М = 0,0016 Вт/лм называется механическим эквивалентом света: он определяет мощность, необходимую для получения светового ощущения, вызванного потоком в 1 люмен, и измеряется для длины волны λ = 555 нм, которая соответствует максимуму чувствительности глаза. Рассчитав световой поток в люменах, записать данные в таблицу 1 вместе с его значением в Ваттах.

4. Чувствительность фотоэлемента определяется по формуле:

γ = I₀/Ф,                                                         (7)

где I₀ — фототок насыщения, мкА, определен в задании 1;

Ф — световой поток, лм, рассчитан в п. 1 задания 2.

5. По формуле (7) рассчитать γ₁ и γ₂, а затем γ_ср:

γ_ср = (γ₁ + γ₂)/2.

Численное значение γ_ср записать в таблицу 1.

 

Задание №3. Снятие световой характеристики вакуумного фотоэлемента: I_ф=f(Ф).

1. Закрыть заслонку в кожухе фотоэлемента. Снять напряжение на лампе.

2. Установить лампу и фотоэлемент на расстоянии l₁ = 45 см друг от друга.

3. С помощью потенциометра установить на фотоэлементе напряжение 150 В и открыть заслонку в кожухе фотоэлемента.

4. Медленно изменять напряжение на лампе рукояткой на верхней панели РНШ от 0 до 200 В, отмечая силу тока в цепи лампы I_л по амперметру и в цепи фотоэлемента I_ф по микроамперметру через каждые 20 В напряжения на лампе V_л. Данные записать в таблицу 2.

5. Закрыть заслонку в кожухе фотоэлемента и снять напряжение на лампе и фотоэлементе.

6. Установить лампу и фотоэлемент на расстоянии l₂ = 35 см друг от друга.

7. Проделать все действия, указанные в п. 3, 4, 5.

8. Световой поток для каждого напряжения на лампе и соответствующей ему силе тока рассчитать по формуле (7). Расчетные данные записать в таблицу 2.

9. По данным таблицы 2 построить (в одних координатных осях) график зависимости силы тока I_ф от светового потока Ф для двух значений l₁ = 45 см и l₂ = 35 см.

10.  Изучив построенные графики, сделать вывод о зависимости силы фототока от светового потока.

Таблица 2

№ п/п	Расстояние от лампы до фотоэлемента l м	Показатели лампы		Показатели фотоэлемента		Световой поток Ф Вт или лм
		напряжение Vл В	сила тока Iл А	напряжение Vф В	сила тока Iф мкА
1.	0,45	0 20 40 60 и т.д.		150
2.	0,35	0 20 40 60 и т.д.		150

 

Контрольные вопросы

1. Дать определение, что называется фотоэффектом. Виды фотоэффекта (назвать их и пояснить). Что такое фотоэлектронная эмиссия, фотопроводимость? Что собой представляют фоторезисторы, вентильные фотоэлементы? На чем основано действие солнечных батарей?

2. Описать опыт Столетова.

3. Законы внешнего фотоэффекта. Фототок насыщения. Красная граница фотоэффекта. Уравнение Эйнштейна.

4. Вакуумные и газонаполненные фотоэлементы. Чувствительность фотоэлемента.

5. Решить задачу.