Изучение фотоэлемента с внешним фотоэффектом

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
УТВЕРЖДАЮ
Проректор-директор ФТИ
_____________________ В.П.Кривобоков
« »
2012 г.
ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ
Методические указания к выполнению лабораторной работы
O-15
по курсу «Общей физики» для студентов всех специальностей
Составитель Т. А. Тухфатуллин
Издательство
Томского политехнического университета
2012
УДК 53.01
Изучение фотоэлемента с внешним фотоэффектом. Методические указания
к выполнению лабораторной работы O-15 по курсу «Общей физики» для студентов
всех специальностей / сост. Т. А. Тухфатуллин.; Национальный исследовательский
Томский политехнический университет. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. – 9 с.
Методические указания рассмотрены и рекомендованы
к изданию методическим семинаром кафедры
теоретической и экспериментальной физики ФТИ.
«___»___________2012 г.
Зав. кафедрой ТиЭФ
доктор физ.-мат. наук,
профессор
___________ В.Ф. Пичугин
Председатель
учебно-методической комиссии
___________ С.И. Борисенко
Рецензент
Кандидат физ.– мат. наук,
доцент кафедры ТиЭФ ТПУ
Н.С. Кравченко
© Составление. ГОУ ВПО «Национальный
исследовательский Томский политехнический
университет», 2012
© Т. А. Тухфатуллин составление, 2012
© Оформление. Издательство Томского
политехнического университета, 2012
2
ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ
ФОТОЭФФЕКТОМ
Цель работы: снятие вольтамперной и световой характеристик фотоэлемента ЦГ-4 и определение его интегральной чувствительности.
Приборы и принадлежности: фотоэлемент ЦГ-4, оптическая скамья,
лампа накаливания, выпрямитель на 260 вольт, микроамперметр,
вольтметр постоянного тока, реостат, подсветка (лампа).
Введение
Внешний фотоэлектрический эффект занимает важное место среди явлений, в которых проявляется воздействие света на вещество. Открытие и исследование фотоэффекта сыграли фундаментальную роль в
экспериментальном обосновании квантовой физики.
В настоящее время на основе фотоэффекта строится множество
приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием – фотоэлементы. Наиболее широко фотоэлементы используются в технике: контроль и управление
производственными процессами, разнообразные системы связи, солнечные батареи.
Краткая теория
Фотоэффектом называют испускание электронов веществом под
действием света. Исследования
закономерностей
фотоэффекта
проводят на установке, схематически показанной на рис. 1.
При освещении катода К
монохроматическим светом через
кварцевое окошко (пропускающее
и ультрафиолетовые лучи) из катода вырываются фотоэлектроны,
и в цепи возникает фототок, региРис. 1
стрируемый гальванометром G.
Основные закономерности фотоэффекта.
1. Фототок насыщения (рис. 2.) пропорционален падающему световому
потоку. Это значит, что число электронов, вырываемых светом в
единицу времени, пропорционально мощности падающего света.
3
Рис. 2. Зависимость фототока от напряжения между анодом и катодом для разных значений светового потока Φ. Iнас –
сила фототока насыщения
падающего света.
Впервые это было установлено А.Г. Столетовым (1889).
2. Для каждого металла
существует максимальная длина волны света
λK (или минимальная
частота ωK), при которой еще происходит
вырывание электронов.
Если λ>λK (красная
граница фотоэффекта), то испускание фотоэлектронов отсутствует даже при достаточно
большой интенсивности
3. Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно зависит от частоты облучающего света и не зависит от интенсивности
света.
Все закономерности фотоэффекта можно объяснить на основе гипотезы Эйнштейна о световых квантах: падающее монохроматическое
излучение рассматривается как поток световых квантов — фотонов, с
энергией
ε=ħω=hν
(1)
При поглощении фотона его энергия целиком передается одному
электрону. Полученная электроном энергия частично затрачивается на
освобождение из металла (минимальную энергию, необходимую для
освобождения электрона из металла называют работой выхода А). А
остальная часть переходит в кинетическую энергию вылетевшего из металла фотоэлектрона. Для фотоэлектронов с максимальной кинетической энергией Tmax закон сохранения энергии в элементарном акте поглощения фотона можно записать так:
ħω=A+Tmax.
(2)
Эта формула впервые была получена Эйнштейном. Из нее следуют закономерности фотоэффекта.
4
1. Если изменяется величина светового потока, то изменяется число
фотонов, падающих на вещество. Следовательно, изменяется и число
вырываемых фотоэлектронов.
2. Существует низкочастотная граница — порог фотоэффекта
ħωK=A. Если ω<ωK энергии фотона не достаточно, чтобы электрон
мог преодолеть потенциальный барьер «высотой» А. Частоте ωK соответствует красная граница фотоэффекта
3. Максимальная кинетическая энергия Tmax линейно зависит от частоты падающего света и не зависит от его интенсивности.
dTmax
.
d
(3)
Схема эксперимента
Используемый в данной работе цезиевый газонаполненный элемент ЦГ-4 устроен следующим образом (рис. 3): на внутреннюю стенку
стеклянной колбы 1 нанесен слой цезия. Этот слой является катодом 2.
Анод фотоэлемента 3 изготовленный
2
в виде диска, помещенного в центре
колбы. Фотоэлемент заполнен инертным газом. При падении света на катод из него вырываются фотоэлек3
троны и в цепи возникает ток.
1
Основными характеристиками
Рис. 3. Схема устройства
фотоэлемента являются световая и
фотоэлеммента
вольтамперная.
Световой характеристикой называется зависимость между силой фототока и величиной падающего светового потока при условии,
что напряжение между электродами фотоэлемента постоянно. Эта зависимость выражается формулой
IФ=k Φ,
(4)
где IФ – сила фототока, Ф – световой поток в люменах, k – интегральная
чувствительность фотоэлемента. Физический смысл интегральной чувствительности и единицы измерения установите самостоятельно из
формулы (4).
В вакуумных фотоэлементах IФ прямо пропорциональна Ф, следовательно для них k=const. В газонаполненных фотоэлементах интегральная чувствительность k≠const и превышает чувствительность вакуумных фотоэлементов. Дело в том, что в газонаполненных фотоэлементах фототок усиливается за счет возникновения несамостоятельного
разряда в инертном газе.
5
Вольтамперной характеристикой фотоэлемента называется зависимость между фототоком и напряжением на электродах элемента
при постоянном световом потоке.
Фэ
Л
R
V
A
В
350 В
6,3 В
~
Рис. 4. Электрическая схема питания фотоэлемента
Электрическая схема установки представлена на рис. 4. На электроды фотоэлемента (Фэ) подается постоянное напряжение от выпрямителя (В) через потенциометр (R). Сила тока измеряется амперметром
(А), напряжение вольтметром (V). Источником света является лампа накаливания (Л), которая может перемещаться вдоль оптической скамьи.
Для увеличения срока службы фотоэлемент помещен в специальный
футляр – оправу с открывающимся окошечком, которое должно быть
закрыто, если измерения в данный момент не производятся.
Величина светового потока, падающего на фотокатод, определятся формулой
S
 2 J,
(5)
r
где S – площадь фотокатода, для ЦГ-4 она равна 10-3 м2, r – расстояние
между фотоэлементом и лампой, определяется по шкале оптической
скамьи, J – сила света источника, указана на футляре осветителя.
Порядок выполнения работы
I. Снятие световой характеристики фотоэлемента.
1. Собрать электрическую цепь по схеме рис. 4., но не включать ее
до проверки преподавателем.
2. Фотоэлемент и источник света установить на противоположных
концах оптической скамьи.
3. Включить в электрическую цепь выпрямитель и с помощью потенциометра подобрать напряжение, например, 200 В, поданное
6
на электроды фотоэлемента, которое при работе должно оставаться постоянным.
Предельно допустимое напряжение фотоэлемента ЦГ-4 равно
240 В.
4. Открыть окошко футляра для фотоэлемента, измерить фототок
IФ, и расстояние r.
5. Уменьшить расстояние между фотоэлементом и лампой и вновь
измерить это расстояние и соответствующий фототок. Измерение
фототока должны производиться при r=10-20 см (с шагом 1 см)
сначала при уменьшении расстояния, а затем при увеличении.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЗАНЕСТИ В ТАБЛИЦУ 1.
Таблица
Напряжение
U, В
Фототок IФ, мкА
Расстояние
r, м
Увеличение
r
Уменьшение
r
Световой поток
Среднее
значение
фототока
Ф, лм
Интегральная
чувствительность
k,
мкА/лм
II. Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента.
1. Установить фотоэлемент и лампу накаливания на расстоянии
r1=0,1 м друг от друга и далее сохранять его неизменным.
Таблица
Напряжение
U, В
r1=0,15 м; Ф1= лм
Фототок IФ, мкА
Уменьшение
U
Увеличение
U
Напряжение
Среднее
значение тока
U, В
r2=0,1 м; Ф2= лм
Фототок IФ, мкА
Уменьшение
U
Увеличение
U
Среднее
значение тока
2. С помощью потенциометра R на электроды фотоэлемента подать
напряжение 230 В и измерить фототок.
3. Измерить фототок при последовательно уменьшаемых напряжениях в 220, 210, 200 В и т.д. Измерить 7-10 значений фототока
сначала при уменьшении, затем при увеличении напряжения.
4. Установить фотоэлемент и лампу накаливания на расстоянии
r2=0,1 м и снова произвести измерения фототока при разных значениях напряжения.
РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЗАНЕСТИ В ТАБЛИЦУ 2.
Обработка результатов измерения
7
1. По формуле (5) подсчитать величину светового потока Ф при различных расстояниях r.
2. По данным таблицы 1 построить график зависимости IФ=f(Ф).
3. По формуле (4) вычислить интегральную чувствительность k и построить график зависимости k=f(Ф) при постоянном напряжении.
4. По формуле (5) подсчитать величину светового потока Ф при различных расстояниях r1=0,2 м и r2=0,1 м.
5. По данным таблицы 2 построить графики зависимости IФ=f(U) для
двух значений потока.
Контрольные вопросы
1. В чем состоит явление фотоэффекта?
2. Основные законы фотоэффекта. Как объяснить их на основе квантовых представлений?
3. Устройство и принцип действия фотоэлемента с внешним фотоэффектом
4. Каков физический смысл интегральной чувствительности фотоэлемента?
5. Почему чувствительность фотоэлемента k называется интегральной.
6. Почему интегральная чувствительность газонаполненного фотоэлемента не является постоянной величиной?
Список литературы
1. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 4: Волны, оптика. – М.: Наука. – 1998. – 256 с.
2. Савельев И.В. Курс общей физики. Кн. 5: Квантовая оптика. Атомная физика. Физика твердого тела. Физика атомного ядра и элементарных частиц. – М.: Наука. – 1998. – 368 с.
3. Евграфова Н.Н., Каган В.Л. Руководство к лабораторным работам по
физике. – М.: Высшая школа. – 1970. – 383 с.
8
Учебное издание
ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТА С ВНЕШНИМ ФОТОЭФФЕКТОМ
Методические указания к выполнению лабораторной работы 0-15
Составитель
Тухфатуллин Тимур Ахатович
Отпечатано в Издательстве ТПУ в полном соответствии
с качеством предоставленного оригинал-макета
Подписано к печати _____ ___ 2012. Формат 60х84/16. Бумага «Снегурочка».
Печать XEROX. Усл.печ.л. 9,01. Уч.-изд.л. 8,16.
Заказ . Тираж ____ экз.
Национальный исследовательский Томский политехнический университет
Система менеджмента качества
Томского политехнического университета сертифицирована
NATIONAL QUALITY ASSURANCE по стандарту
ISO 9001:2008
. 634050, г. Томск, пр. Ленина, 30
Тел./факс: 8(3822)56-35-35, www.tpu.ru
9