6.1. В чем заключается сущность явления фотоэффекта?
Сущность явления фотоэффекта состоит в том, что при попадании фотонного пучка на поверхность содержащую свободные электроны, каждый фотон может с некоторой вероятностью передать всю свою энергию какому-то электрону, в результате чего электрон может вылететь из проводника.
6.2.Объясните принцип работы фотоэлемента с внешним фотоэффектом?
Если электромагнитное излучение (фотонный пучок) направить на поверхность катода электронной лампы, например, диода, то электроны, которых выбивают фотоны, вылетают из катода и попадают в электрическое поле. Это поле направляет их к аноду. В результате в анодной цепи возникает электрический ток – фототок. Диод, в котором возник электрический ток, называется фотодиодом.
6.3. Что такое красная граница фотоэффекта? Чем обусловлено ее наличие
и положение на шкале длин волн?
Красная граница определяется тогда, когда максимальная кинетическая энергия вылетевшего электрона равна нулю. Частота при этом условии называется частотой красной границы, а длина волны – длиной волны красной границы. Если частота света меньше частоты красной границы, то фотоэффект невозможен. Частота красной границы зависит от работы выхода. Если длина волны меньше длины волны красной границы, то фотоэффект возможен, в противном случае фотоэффект не возможен. Красная граница фотоэффекта своя для каждого вещества.
6.4. Объясните причину различия вольтамперных характеристик в прямом направлении для разных световых потоков?
Энергия различных световых потоков имеет разную величину, которая тратится на столкновения с другими частицами, выбивание электрона из вещества и на придание ему кинетической энергии. Следовательно, чем меньше будет расстояние от источника света до поверхности фотокатода, тем больше энергия фотона дошедшего до электрона, то есть вероятность того, что этот электрон будет выбит с поверхности фотокатода. От энергии фотоэлектрона зависит значение фототока, то есть вольтамперная характеристика будет зависеть от расстояния от источника света до фотоэлемента.
6.5. При каких условиях возникает ток насыщения?
Фототок с ростом напряжения некоторое время растёт, а затем остаётся равным постоянной величине, которая называется током насыщения. Величина тока насыщения определяется числом электронов, испущенных за секунду электродом. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода.
6.6. Изобразите вольтамперную характеристику фотоэлемента, включенного в обратном направлении. Поясните ее.
С ростом обратного напряжения большое количество кинетической энергии электронов тратится на преодоление электрического поля, отсюда следует, что лишь небольшое количество электронов достигает анода. А следовательно фототок падает.
Запирающее напряжение. Как найти запирающее напряжение для электронов? (формула)
Запирающее напряжение умноженное на заряд электрона= кинетической энергии электронов:
Uз*е=Ек.
Uз=m*v^2 / 2, Кинетическую энергию можно определить из формулы Эйнштейна, для фотоэффекта:
h*v=Aв+Ек. (v(ню) — частота света, А- работа выхода, h-постоянная Планка) .
Ек=h*v — Aв.
Остальные ответы
Похожие вопросы
Ваш браузер устарел
Мы постоянно добавляем новый функционал в основной интерфейс проекта. К сожалению, старые браузеры не в состоянии качественно работать с современными программными продуктами. Для корректной работы используйте последние версии браузеров Chrome, Mozilla Firefox, Opera, Microsoft Edge или установите браузер Atom.
ГОСТ 19138.7-74* Тиристоры. Метод измерения импульсного запирающего тока управления, импульсного запирающего управления, импульсного коэффициента запирания.
Настоящий стандарт распространяется на триодные запираемые тиристоры малой и средней мощности с максимально допустимым постоянным током в открытом состоянии ( I oc ) не более I 0 A и устанавливает метод измерения импульсного запирающего тока управления I у.з.и. , импульсного запирающего напряжения управления тиристора U y .з.и. и импульсного коэффициента запирания Ви*.
Требования п. 1.1 настоящего стандарта являются обязательными, другие требования настоящего стандарта являются рекомендуемыми.
(Измененная редакция, Изм. № 2) .
1. АППАРАТУРА
1.1. Измерительные установки, в которых для измерения используют стрелочные приборы, должны обеспечивать основную погрешность измерения в пределах ±10 % конечного значения рабочей части шкалы. Для измерительных установок с цифровым отсчетом основная погрешность измерения должна быть в пределах ±10 % измеряемой величины ±1 знак младшего разряда дискретного отсчета.
Погрешность при определении коэффициента Ви должна быть в пределах ±15 %.
2. ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЮ
прямое напряжение в закрытом состоянии тиристора;
прямой ток в открытом состоянии тиристора;
частота следования и длительность импульсов генератора импульсного запирающего тока управления тиристора.
(Измененная редакция, Изм. № 2) .
*Импульсный коэффициент (Ви) — отношение прямого тока тиристора в открытом состоянии к импульсному запирающему току управления тиристора при заданном режиме в основной и управляющих цепях.
2.2. Принципиальная электрическая схема измерения тока I узи и напряжения U узи должна соответствовать указанной на черт. 1.
G 1 — источник питания основной цепи; H — сигнальное устройство; Р1 — измеритель напряжения; Р2 — измеритель напряжения; S — коммутационное устройство; G2 — генератор импульсного запирающего тока управляющего электрода; G3 — генератор импульсного отпирающего тока управляющего электрода; R — резистор; VS — испытуемый тиристор
2.3. Основные элементы схемы измерения должны удовлетворять следующим требованиям.
Источник питания ( G 1 должен обеспечивать в соответствии с требованиями п. 2.1 заданное значение основного прямого тока с погрешностью в пределах ±10 % и основного прямого напряжения с погрешностью в пределах ±5 %.
Постоянная времени основной цепи не должна быть более 0,2 t у выкл. Время выключения по управляющему электроду t у . выкл. указывают в стандартах или другой технической документации, утвержденной в установленном порядке, на тиристоры конкретных типов.
За время срабатывания сигнального устройства амплитуда тока I узи не должна изменяться более чем на +5 %. Генератор G 2 должен обеспечить заданную частоту следования и длительность импульсов тока, которые указывают в стандартах или другой технической документации, утвержденной в установленном порядке, на тиристоры конкретных типов.
Погрешность задания длительности импульсов должна быть в пределах ±10 %, спад плоской вершины — не более 10 %.
Выходное сопротивление генератора импульсного запирающего тока управляющего электрода R вых . G 2 в течение времени, равного времени запаздывания испытуемого тиристора t зп , должно удовлетворять условию
где R — резистор.
Значение сопротивления резистора R устанавливается с погрешностью в пределах ±1 %.
Основная погрешность измерителей напряжения Р1 и Р2 должна быть в пределах ±5 % конечного значения рабочей части шкалы при использовании стрелочных приборов и в пределах ±5 % измеряемой величины ±1 знак младшего разряда дискретного отсчета для цифровых приборов.
Входное сопротивление измерителя напряжения Р2 должно удовлетворять условию
Входное сопротивление измерителя Р1 должно удовлетворять условию
Амплитуда импульсного отпирающего тока управления тиристора IG3 на выходе генератора G3 должна удовлетворять условию
где I у.от.и — импульсный отпирающий ток управления тиристора;
I пр.у.и. max — максимально допустимый импульсный прямой ток управления тиристора.
Коммутационное устройство осуществляет возможность поочередной подачи отпирающих и запирающих импульсов.
2.2, 2.3. (Измененная редакция, Изм. № 1, 2).
3. ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ
3.1. Измерение тока I у.з.и. и напряжения U у.з.и. производят в следующем порядке.
Тиристор подключают к измерительной установке. Устанавливают заданное значение напряжения на выходе источника G1. С помощью устройства S осуществляют поочередное подключение генераторов G2 и G3 к цепи управляющего электрода. Увеличивая амплитуду отрицательных запирающих импульсов тока на выходе генератора G 2 , с помощью Н отмечают момент переключения тиристора из открытого в закрытое состояние. Значение тока I у.з.и. определяют по формуле
где U P 2 — показание измерителя Р2 .
Напряжение U y .з.м измеряют измерителем P 1
Коэффициент Ви определяют по формуле
где I о.с. — основной прямой ток, протекающий перед моментом переключения тиристора в закрытое состояние.
(Измененная редакция, Изм. № 1, 2) .
3.2. Диаграммы тока и напряжения приведены на черт. 2.
(Измененная редакция, Изм. № 2).
ПРИЛОЖЕНИЕ. (Исключено, Изм. № 1).
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ
1. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета стандартов Совета Министров СССР от 21 января 1974 г . № 189
Изменение № 2 принято Межгосударственным Советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол № 3 от 18.02.93)
Зарегистрировано Техническим секретариатом МГС № 1441
За принятие проголосовали:
Наименование национального органа по стандартизации
04 семестр / Лабораторные работы / К-4 / k4
Московский Государственный Технический Университет им.Н.Э.Баумана И.Н.ФЕТИСОВ, П.В.ГРАМЕНИЦКИЙ ИЗУЧЕНИЕ ФОТОЭЛЕКТРОННОЙ ЭМИССИИ Методические указания к лабораторной работе К-4 по курсу общей физики Под редакцией Л.К.Мартинсона Москва, 1989 Приводится описание методики и лабораторной установки для изучения внешнего фотоэффекта и определения постоянно Планка. Для студентов 4-го семестра всех специальностей МГТУ. Цель работы — изучение фотоэффекта и квантовой природы света, определение постоянной Планка. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Под действием света или ультрафиолетового излучения тела испускают электроны. Это явление называется фотоэлектронной эмиссией, или внешним фотоэффектом (Герц, 1887). Экспериментально установлены следующие законы фотоэффекта (Столетов, Ленард и др.): 1) количество испускаемых за единицу времени электронов пропорционально интенсивности (мощности) излучения; 2) для каждого вещества существует минимальная частота υ 0 или максимальная длина волны λ 0 =с/υ 0 (так называемая красная граница фотоэффекта ), за которой фотоэлектронная эмиссия отсутствует; 3) максимальная кинетическая энергия испущенных электронов линейно возрастает с увеличением частоты излучения и не зависит от его интенсивности. Опыты по фотоэффекту очень важны в современной физике, так как доказывают квантовую природу света. Фотоэмиссия нашла широкое практическое применение. Работа выхода электрона Прежде чем объяснять фотоэффект, рассмотрим понятие работы выхода электрона из твердого тела. Электроны удерживаются в твердых телах электрическими силами, и для удаления электрона из тела в вакуум или воздух, необходимо затратить некоторую работу (работу выхода). Рассмотрим работу выхода в фотоэмиссию с поверхности металла. Полученные выводы в основном будут верны и для полупроводников, из которых обычно изготавливают фотоэмиттеры фотоэлементов. Металлический кристалл (рис.1 а) состоит из положительно заряженных атомных остовов (показаны кружками) и электронов проводимости (показаны точками), которые хаотически движутся, вылетая недалеко за пределы кристаллической решетки и возвращаясь обратно. Поэтому объем, занимаемый электронным газом, несколько превышает объем кристаллической решетки. В результате на поверхности тела образуется двойной электрический слой, состоящий из избыточного положительного заряда решетки и отрицательного заряда электронов снаружи решетки. В этом слое на электроны действует возвращающая сила F х (рис.1 б). Вместо силы удобнее рассматривать потенциальную энергию U(x) электрона внутри и вне металла (рис.1в). Внутри металла потенциальная энергия меньше, чем снаружи, т.е. электрода находятся внутри потенциальной ямы. Электроны проводимости хаотически движутся при любой, температуре, включая температуру
| Металл | Вакуум |
а) F х б) 0 Энергия электрона, покоящегося вне металла
| A | U(x) – потенциальная |
| в) | энергия электрона |
| E F | Уровень Ферми |
Рис. 1 абсолютного нуля (T=0). При T=0 энергетический спектр электронов описывается наиболее простой зависимостью, для которой характерна резкая верхняя граница, называемая энергией Ферми F F (порядка нескольких электронвольт). При комнатной температуре энергетический спектр электронов мало отличается от спектра при T=0 , и этим различием можно пренебречь при рассмотрении фотоэффекта. Для того чтобы электрон покинул металл, ему необходимо сообщить дополнительную энергию. Она будет минимальна, если сообщается электрону, который имеет энергию Ферми и движется в направлении нормали к поверхности. Эта дополнительная минимальная энергия называемся работой выхода A электрона из металла (рис.1в). Она различна для разных металлов и составляет несколько электронвольт.
Фотоэффект Законы фотоэффекта объясняются фотонной (квантовой) теорией света, которая утвер- ждает следующее: 1. Свет, рентгеновские лучи, гамма-излучение и т.д. состоят из «порций» электромагнитных волн, называемых фотонами (квантами электромагнитного поля). 2. Во время испускания или поглощения света фотоны рождаются или поглощаются как нечто неделимое. 3. В любой инерциальной системе отсчета фотон движется со скоростью с = 3·10 8 м/с. 4. Каждый фотон обладает: энергией ε=hυ= hc/λ; массой m ф =ε/c 2 ; импульсом р=m ф с=ε/c=h/λ , где υ и λ=c/υ — частота и длина волны излучения; h — универсальная постоянная, называемая постоянной Планка ( h =6,63·10 -34 Дж c). 5. Фотоны перемещаются в пространстве и испытывают интерференцию и дифракцию как волны с длиной волны λ. Применим теперь фотонную теорию света к фотоэлектронной эмиссии. Испускание электрона есть результат трех последовательных процессов: а) поглощения фотона, в результате чего энергия фотона передается одному электрону; б) движения этого электрона к поверхности, при котором часть энергии может рассеяться за счет столкновений; в) выхода электрона в вакуум через поверхность раздела, при котором электрон должен затратить энергию на выход из потенциальной ямы. Наибольшую кинетическую энергию вне металла T макс =mv 2 макс /2 будет иметь электрон, эмитированный с уровня Ферми (рис.2а):
| T макс =h ν -A | (1) |
Соотношение (1), выражающее закон сохранения энергии, называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта (выведено в 1905г.). Если электрон эмитирован о более низкого уровня, чем уровень Ферми (рис.2б), или потерял часть энергии при столкновениях с атомами кристалла, то его кинетическая энергия будет Энергия эмитированного электрона
h ν h ν A Уровень Ферми
меньше максимальной: T
| А | ФК |
| А | |
| А | J |
| ФК | V |
| + — | |
| или | |
| — + | |
| Рис. 3 | Рис. 4 |
электрод — фотокатод ФК при освещении испускает в вакуум электроны, которые можно собрать на аноде А (рис.3). Включим фотоэлемент в цепь (рис.4), содержащую регулируемый источник напряжения, вольтметр V и чувствительный амперметр A, измерим зависимость тока I от напряжения U между анодом и фотокатодом, т.е. вольт-амперную характеристику (ВАХ) фотоэлемента. Изучая ВАХ для света различной частоты и интенсивности, можно выяснить закономерности фотоэффекта. Рассмотрим BAX на рис.5. Правая часть графика при U>0 получена, когда «плюс» источника подключен к аноду ( прямая полярность ), При этом электрическое поле помогает эмитированном электронам собраться на аноде. Если напряжение достаточно велико (десяткисотни вольт), то практически все электроны достигают анода и создают в цели ток I 0 ( ток насыщения ), который не растет при дальнейшем увеличении U . При небольшом напряжении часть электронов, например испущенных в направления, сильно отличающемся от направления к аноду, не достигает анода и не дает вклада в ток фотоэлемента. Ток J 0 , пропорциональный числу испущенных за единицу времени электронов, позволяет измерить энергетические характеристики излучения. Если на фотокатод падает за единицу времени n ф фотонов с энергией h ν каждый, то переносимая ими мощность излучения, (поток излучения) Ф=n ф h ν . Поток из п ф фотонов выбивает n е электронов: п е =Yn ф . Коэффициент пропорциональности Y называется квантовым выходов фотокатода. Значение Y зависит от частоты
излучения и материала фотокатода; оно может достигать максимального значении 0,2. Следовательно, поток излучения
| Ф=h ν n e /Y=h ν J 0 /(еY). | (2) |
| Здесь использовано соотношение J 0 =en e , где е =1,6·10 -19 Кл — заряд электрона. |
Таким образом, измерив J 0 для монохроматического света с чистотой ν , можно рассчитать по формуле (2) мощность падающего на фотокатод излучения (значения Y приводятся в справочниках для фотоэлементов, а также даны в паспорте лабораторной установки). Вольт-амперные характеристики, полученные при различной мощности излучения (рис.6) показывают, что ток возрастает с увеличением интенсивности света.
| J | J | |
| Ф 2 >Ф 1 | ||
| J 0 | U З | Ф 1 |
| U З | ||
| U | ν =const | U |
| 0 | 0 | |
| Рис. 5 | Рис. 6 | |
| Измерение энергии электродов и проверка уравнения Эйнштейна. | ||
Вернемся к рис.5 и рассмотрим BAX при обратной полярности , когда «минус» источника подключен к аноду (U< 0). При этом эмитированные электроны тормозятся электрическим полем. Если начальная кинетическая энергия фотоэлектрона Т меньше, чем работа сил поля eU на участке фотокатод-анод, то электрон возвращается обратно, не достигнув анода. При вылете из катода электроны имеют различную энергию, от нуля до T макс . Поэтому по мере увеличения напряжения ток плавно уменьшается, достигая нуля при напряжении U З , называемом напряжением запирания. При U=U З все фотоэлектроны возвращаются обратно, причем самые быстрые из них, с энергией T макс , поворачивают обратно вблизи анода. Для них выполняется соотношение T макс = eU З (3) Такой способ измерения энергии заряженных частиц называется методом запирающего (задерживающего) напряжения. Подставив (3) в (1), получим
| U З =h ν /e-A/e. | (4) | |||||||
| J | ν 2 | (здесь и далее берем модуль U З и е ). | ||||||
| Формулу (4) можно проверить, измеряя U З для | ||||||||
| ν 2 > ν 1 | монохроматического света различной частоты. Опыт | |||||||
| ν 1 | показывает, что запирающее напряжение растет с | |||||||
| увеличением частоты (рис.7) и не зависит от интен- | ||||||||
| U З1 | сивности света при неизменной частоте (см. рис.6). | |||||||
| U З2 | Для проверки выражения (4) можно использовать | |||||||
| также немонохроматическое излучение с частотой | ||||||||
| U | ν ≤ ν макс , что упрощает установку. В этом случае урав- | |||||||
| нение (1) следует записать в виде | ||||||||
| 0 | ||||||||
| Рис. 7 | ||||||||
| T макс =h ν макс -A, | (5) |
так как наиболее быстрые электроны с энергией T макс будут выбиваться фотонами с максимальной энергией h ν макс , где ν макс — максимальная частота падающего излучения. Тогда соотношение (4) будет иметь вид
| U З =h ν макс /e -А/е | (6) |
В данной работе для света с различным значением ν макс определяется U З и строится графическая зависимость Uз от ν макс (рис.8). Если экспериментальные точки ложатся на прямую, то опыт согласуется с формулой (6) и подтверждает, что энергия фотона пропорциональна частоте
| света (ε=h ν ). | |
| Из наклона прямой на рис.8 можно найти отношение постоянной Планка к заряду электрона: | |
| h/e=δU З /δ ν макс , | (7) |
где δU З (в вольтах) и δ ν макс (в герцах) — длины катетов треугольника на рис.8. Считая заряд электрона известным, из (7) можно определить постоянную Планка. Как видно из формулы (6), график на рис.8 позволяет определить красную границу ν 0 — по пересечению прямой с осью абсцисс (при U З =0 ) и работу выхода — по пересечению прямой с осью ординат (при ν макс =0 ). Прямая отсекает на оси ординат отрезок в вольтах, численно равный работе выхода в электронвольтах (1 эВ= 1,6·10 -19 Кл·1В=1,6·10 -19 Дж). Заметим, что описанная выше методика измерения А и ν 0 верна только в том случае, когда работа выхода материала фотокатода и анода одинаковая. Тогда между электродами фото-
| U З , В | |
| δ U З | |
| 0 | ν МАКС , Гц |
| ν 0 | |
| A | δν МАКС |
Рис. 8 элемента отсутствует контактная разность потенциалов, которую мы не учитывала при рассмотрении метода запирающего напряжения. Используемый наш фотоэлемент удовлетворяет этому условию, поскольку в нем фотоэмиттер наносился распылением материала на стеклянный баллон, в результате чего распыляемый материал осаждался и на аноде. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ Изучаются ВАХ фотоэлемента для света различного спектрального состава, отличающегося значением ν макс ( верхней границы спектра), и различной интенсивности при одинаковом спектре. Из этих характеристик видно, что запирающее напряжение (или связанная с ним максимальная энергия эмитированных электронов) не зависит от интенсивности и линейно растет с увеличением частоты излучения ν макс . Из полученных данных определяют численные значения постоянной Планка, работа выхода, красной границы, энергии фотонов и мощности излучения.
Описание установки. В работе используется фотоэлемент с многощелочный фотоэмиттеpoм (Na 2 K)Sb-Cs или сурьмяно-цезиевым фотоэмиттером Cs 3 Sb. Окошко фотоэлемента изготовлено из кварцевого или увиолевого стекла, пропускающего не только видимое, но и ультрафиолетовое излучение. Электрическая схема установка показана на рис.9. Она содержит лампу, фотоэлемент, п Фотоэлемент SA1
| п R1 | ||
| о | ФК | о |
| V1 U ИСТ | ||
| A | R2 | U R V2 |
| п | ||
| J | ||
| о |
| Источник | SA1 |
| Светофильтр | |
| питания | |
| Полярность: | Лампя с пускорегули- |
| п – прямая | рующим устройством |
| о — обратная |
Рис. 9 регулируемый источник питания фотоэлемента, измерительные приборы. Вольтметр V1 измеряет напряженно U ИСТ источника питания. Для тщательного изучения ВАХ необходимо ток измерять в очень широких пределах, примерно от 10 -10 до 10 -5 А. В одном варианте установки для этого используется чувствительный амперметр. В другом варианте, показанном на рис.9, ток определяют путем измерения небольшого напряжения U R на сопротивлении R1 или R2 , включенном в цепь фотоэлемента: I=U R /R , где R=R1 или R=R2. Переключатель SA 1, изменяющий полярность напряжения на фотоэлементе, одновременно включает в измерительную цепь либо небольшое сопротивление R1 при прямой полярности, либо большое сопротивление R2 при обратной полярности (значения сопротивлений приведены на установке). Напряжение U R измеряется чувствительным цифровым вольтметром U R с большим сопротивлением по сравнению с R2. Напряжение на фотоэлементе равно разности напряжений источника и U R : U=U ИСТ -U R . Поскольку U R мало (≤0,1 В), им можно пренебречь, т.е. можно считать U≈U ИСТ . Источником видимого и ультрафиолетового (УФ) излучений служат газоразрядная ртутная лампа низкого давления. Она излучает на небольшом числе дискретных частот, т.е. имеет линейчатый спектр (рис.10а). Длина вертикальной черты пропорциональна мощности излучения на данной частоте. Спектр излучения, падающего на фотоэлемент, можно изменить с помощью поглощающих светофильтров. Излучение, прошедшее через желтый светофильтр, содержит только две близкие линии (рис10в); из них зеленая линия с λ = 546 мм имеет более высокую частоту. Это первая «рабочая» частота ν 1 макс = 5,5·10 14 Гц. Синий светофильтр, пропускающий среднюю часть спектра (рис. 10б), формирует вто- рую рабочую частоту ν 2 макс =9,6·10 14 Гц (ультрафиолетовое излучение с λ=313 мм). Наконец, наиболее высокую частоту ν 3 макс =11,8·10 14 Гц (λ =254мм) получим, не применяя никаких свето-
| 80 | Видимое | Ультафиолетовое | ||||||||||||||
| 4 | ||||||||||||||||
| ν 3 МАКС | а) | |||||||||||||||
| 2 | ||||||||||||||||
| Без фильтра | ||||||||||||||||
| 4 | 6 | 8 | 10 | 12 | ν , 10 14 Гц | |||||||||||
| 2 | ||||||||||||||||
| 2 МАКС | ||||||||||||||||
| ν | ||||||||||||||||
| б) | ||||||||||||||||
| Синий фильтр | ||||||||||||||||
| 2 | ν 1 МАКС | в) | ν | |||||||||||||
| Желтый фильтр | ||||||||||||||||
| ν | ||||||||||||||||
Рис. 10 фильтров (рис 10а). Светофильтры установлены на пластине, которую можно перемещать перед окном фотоэлемента. Для каждой частоты подобрана диафрагма, чтобы ток насыщения был одного порядка. При смене светофильтра другой такой же фильтр перекрывает окошко на панели блока фотоэлемента. При желтом фильтре наблюдается зеленое свечение. При двух других положениях рукоятки «Смена фильтров» рабочими являются невидимые ультрафиолетовые линии, а наблюдаемое глазом свечение обусловлено более низкочастотным излучением. Рукоятка «Смена фильтров» имеет три рабочих положения — два крайних и среднее, в которых интенсивность излучения условно назовём нормальной. Если рукоятку немного сдвинуть (примерно на 1 см), то интенсивность падающего на фотоэлемент света уменьшается в несколько раз без изменения спектра. Фотоэлемент, лампа, светофильтры и переключатель полярности расположены в блоке фотоэлемента. Особенность вольт-амперной характеристики. На рис.11 показан фрагмент вольт-амперной характеристики при обратной полярности, полученной в данной работе. В отличие от упрощенных характеристик на рис.5. 7, реальная ВАХ имеет следующую особенность. При увеличении напряжения ток уменьшается, а достигнув нуля, изменяет направление , и вскоре устанавливается небольшое, почта постоянное значе-
ние обратного тока . Этот обратный ток объясняется эмиссией электронов с анода под действием рассеянного в фотоэлементе света. Таким образом, в одном фотоэлементе как бы присутствуют два включенных антипараллельно фотоэлемента — основной и побочный; последний со значительно более слабым током. Поэтому результирующая ВАХ, показанная схематично на рис.12а, представляет собой алгебраическую сумму вольт-амперных характеристик основного (рис.12б) и побочного (рис.12в) фотоэлементов. Отсюда следует, что запирающее напряжение U З следует определять не в точке I=0 , а там, где кривая переходит в участок со слабым наклоном (см. рис.11 и 12), Как видно из рис.11, для нахождения U З необходимо тщательно измерить и построить график BAХ в области обратного тока.
| J, нА | ||||
| 1 | J | |||
| U З | а) | |||
| 0 | U | |||
| 0 | ||||
| б) | ||||
| U З | -1 | |||
| в) | ||||
| -5 | -4 | -3 | -2 | -1 |
U, В Рис. 12 Рис. 11 Выполнение эксперимента 1. Ознакомиться с установкой и инструкцией по использованию приборов, приложенной к установке. 2. Проверять правильность электрических соединений, пользуясь обозначениями на концах проводников и на панели приборов. 3. По правилам техники безопасности и для устранения электрических помех установка должна быть заземлена. 4. Включить лампу, сеть измерительного прибора и источника питания. Пока лампа разгорается (около 5 мин), ознакомьтесь с установкой в работе. 5. В этом пункте даны указания для последующих измерений. Зависимость тока фотоэлемента I от напряжения U изучается для трех значений частот при «нормальной» интенсивности света и двух частот ( ν 1 макс и ν 3 макс ) при меньшей интенсивности. Во всех случаях напряжение ПРЯМОЙ полярности следует изменять от нуля, до 30 В (до 50 В, если позволяет источник питания) с шагом примерно 5 В. При обратной полярности рекомендуем следующую схему измерений, позволяющих определить значения запирающего напряжения: для жёлтого светофильтра напряжение изменять от 0,1 до 1 B с шагом 0,1В; от 1 до 5В с шагом 1В;
для синего светофильтра: от 0,5 до 2,1 В с шагом 0,2 В; от 2,5 до 5 В с шагом 0,5 В; без светофильтра : от 1 до 3,4 В с шагом 0,3 В, от 4 до 5 В с шагом 0,5 В. При обратной полярности напряжения необходимо записать в табл.1 также знак тока («плюс» или «минус»). 6. Рукояткой «Смена (фильтров» установить желтый фильтр и произвести указанные в п.5 измерения. Результаты записать в первый и в второй столбцы табл.1.
| Таблица1. | ||||||||||
| Нормальная интенсивность | Уменьшенная интенсивность | |||||||||
| Желтый фильтр, | Синий фильтр, | Без фильтра, | Желтый | Без фильтра | ||||||
| ν 1 макс =5,5·10 14 Гц | ν 2 макс =9,6·10 14 Гц | ν 3 макс =11,8·10 14 Гц | фильтр | |||||||
| U | I | U | I | U | I | U | I | U | I | |
| U З1 = | U З2 = | U З3 = | U З1 = | U З3 = | ||||||
7. Повторить измерения с синим светофильтром и без светофильтра. 8. Снять BAX для жёлтого светофильтра при меньшей интенсивности света. Уменьшение интенсивности провести следующим образом. Сначала установить рукоятку «Смена фильтров» в крайнее левое положение. Заметить по прибору ток насыщения фотоэлемента, т.е. ток при максимальном прямом напряжении. Затем небольшим перемещением рукоятки (~ 1 см) уменьшить ток в 2. 3 раза. В этом положении рукоятки снять вольт-амперную характеристику. 9. Проделать аналогичные измерения для частоты ν 3 макс (без фильтра). 10. Выключить установку. Обработка и анализ результатов измерений Задание 1. Построить ВАХ и определить запирающее напряжение U З . 1. Поскольку в пределах ВАХ ток изменяется на несколько порядков, то характеристику следует разделить на две части – для прямой и обратной полярностей. Каждую часть построить на отдельном графике (можно совместить кривые для трех частот и двух интенсивностей). Для повышения точности измерения U З график для U