«Исследование свойств фотоэлемента»

УЛГТУ

Лабораторная работа №2

«Исследование свойств фотоэлемента»

выполнил: Калачигин А.В.

проверил: Мефтахутдинов Р.М.

Ульяновск 2012 г.

РАБОТА №2

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ФОТОЭЛЕМЕНТА

2.1. Цель работы: изучить физические процессы, лежащие в основе внешнего фотоэффекта (фотоэлектронной эмиссии). Снять вольтамперную и световую характеристики фотоэлемента, рассчитать его чувствительность.

2.2. Расчетные зависимости

Явление вырывания электронов светом из твердых, жидких веществ получило название внешнего фотоэлектрического эффекта (внешнего фотоэффекта). Ионизация атомов или молекул газа под действием света называется фотоионизацией.

Первые фундаментальные исследования внешнего фотоэффекта выполнены А. Г. Столетовым (1888 г.). Теоретические объяснения этих законов дал А. Эйнштейн. Эйнштейн предложил рассматривать свет, взаимодействующий с веществом, не как волну, а как поток «корпускул» или «квантов». Энергия каждого кванта определяется соотношением

Е = hv,

(2.1)

где V - частота света; h - постоянная Планка.

Фотоэлектроны, покидающие, например, металл, обладают широким набором скоростей. При заданном значении частоты V максимальное значение скорости V _макс. определяется из уравнения Эйнштейна

hV=A+((mV²_max)/2) (2.2)

где m — масса покоя электрона; А - работа выхода, зависящая от химической природы вещества и состояния его поверхности. Частота Vo, для которой энергия

падающего кванта hV₀ равна работе выхода, называется красной границей фотоэффекта

hV₀ = А (2.3)

откуда

(2.4)

V₀=A/h или

Следует иметь ввиду, что на работу выхода оказывают большое влияние нанесенные на поверхность тонкие слои электроположительных металлов, таких как цезий, барий, церий, торий. При адсорбции этих атомов на поверхность металла они отдают металлу свой внешний валентный электрон и превращаются в положительно заряженный ион. Эти ионы индуцируют в поверхностном слое металла равный по величине отрицательный заряд. У поверхности возникает двойной электрический слой, который облегчает выход электронов из металла. Так, например, в присутствии слоя цезия работа выхода электронов из вольфрама уменьшается с 4,52 эВ до 1,36 эВ. На рис. 2.1,а показана схема установки для изучения внешнего фотоэффекта в металлах.

Рис. 2.1. Схема экспериментальной установки (а), вольтамперная характеристика фотоэлемента (б)

Основным элементом установки, чувствительным к свету, является фотоэлемент (ФЭ). Он выполнен в виде стеклянного вакуумированного баллона. На внутренней поверхности баллона с одной стороны нанесен тонкий слой металла с покрытием, понижающим работу выхода, - фотокатод (К). В центральной части баллона расположен металлический анод (А), имеющий форму кольца.

Свет от источника излучения - лампы накаливания (Л) попадает на фотоэлемент (ФЭ). Для исключения влияния внешних источников света (фона) фотоэлемент и лампа накаливания помещены в кожух. Напряжение между анодом и катодом регулируется с помощью потенциометра (П). Значения тока и напряжения регистрируются микроамперметром (А) и вольтметром (V) соответственно.

Характер зависимости фототока i в фотоэлементе от разности потенциалов U между анодом и катодом при неизменном световом потоке Ф изображен на рис. 2.1 б. Существование фототока при отрицательных значениях U (от 0 до - U₀) свидетельствует о том, что электроны выходят из катода, имея некоторую начальную скорость и, следовательно, кинетическую энергию. U₀ - напряжение, при котором ток в цепи фотоэлемента отсутствует, называют задерживающее напряжение или задерживающий потенциал. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов V_max связана с задерживающим потенциалом соотношением

(mV²_max)/2 = eU₀ (2.5)

Фототок увеличивается с ростом U лишь до определенного предельного значения i_н, называемого фототоком насыщения. При фототоке насыщения все электроны, вылетающие из катода под влиянием света, достигают анод.

2.3. Порядок выполнения работы

1. Снять вольтамперную характеристику i = f(U) фотоэлемента при неизменном световом потоке Ф. Для этого установить фотоэлемент на расстоянии 0,20 м от лампы накаливания и путем перемещения движка потенциометра изменять напряжение в диапазоне от 20 до 220 В. Экспериментальных точек должно быть не менее десяти. Результаты измерений занести в таблицу 2.1.

Таблица 2.1

Экспериментальные данные зависимости фототока от разности потенциалов между анодом и катодом

№№
U, В
i, мкА

2. Снять световую характеристику фотоэлемента i = f (Ф) при неизменном напряжении между анодом и катодом, например, при U в диапазоне от 200 до 220 В. Световой поток Ф регулировать путем изменения расстояния фотоэлемента от источника излучения (ℓ). Диапазон расстояний ℓ - от 0,20 до 0,80 м с шагом 0,05 м. Расчет светового потока при определенном значении ℓ произвести по формуле

(2.6)

Ф = (IS)/ ℓ²

где S - площадь фотокатода, I - сила света лампы накаливания.

Экспериментальные данные i и ℓ и рассчитанные значения Ф занести в таблицу 2.2.

Таблица 2.2

Экспериментальные данные зависимости фототока от величины светового потока, падающего на фотоэлемент

№№
ℓ, м	0.21	0.26	0.31	0.36	0.41	0.46	0.51	0.56	0.61	0.66	0.71	0.76	0.81
i, мкА											5.5		4.5
Ф, лм	0.09	0.073	0.061	0.053	0.046	0.041	0.037	0.034	0.031	0.029	0.027	0.025	0.023

3. Рассчитать чувствительность фотоэлемента у при t = 0,2 м по формуле

γ = i/Ф = (iℓ²)/(IS) (2.7)

Исходные данные и рассчитанное значение γ внести в таблицу 2.3.

Таблица 2.3

Исходные данные и рассчитанное значение Чувствительности фотоэлемента

S, м^2	I, кд	ℓ, м	i, мкА	γ, мкА/лм
7∙10^-4		0.21		433.3

Величина γ для различных вакуумных фотоэлементов имеет значение

от нескольких микроампер на люмен до «100 мкА/лм. Для цезиевого фотоэлемента, типа ЦГ-3, используемого в работе, чувствительность не менее 50 мкА/лм.

4. Построить графики зависимостей i = f(U), i = f(Ф).

5. Составить отчет по лабораторной работе согласно установленной форме.

Данные справочного характера, необходимые при расчетах: I = 27 кд для лампы мощностью 40 Вт, S = 7∙10^-4 м².

Расчет:

Вывод: в ходе проделанной работы было проведено исследование свойств фотоэлемента, снята световая и вольтамперная характеристика, и определена его чувствительность.

Дата добавления: 2015-10-21