lab53

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ РФ
Брянский Государственный
Технический Университет
Кафедра «Физика»
Лабораторная работа №53
Исследование фотоэлемента
Выполнили:
студенты гр. 05-АЭП
Абраменков В.
Третьяков С.
Проверил:
Большунов В.В.
Брянск 2006
Лабораторная работа №53
«Исследование фотоэлемента»
Цель работы
Исследование внешнего фотоэффекта, построение вольтамперной и световой
характеристик фотоэлемента.
Теоретическое введение
Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под
действием света. Энергетический баланс при фотоэффекте выражается уравнением
Эйнштейна
h  Aвых 
где
2
mVmax
2
(1) ,
h – энергия светового кванта (фотона), переданная электрону;
Aвых – работа выхода электрона за пределы вещества;
2
mVmax
– максимальная кинетическая энергия освободившегося электрона;
2
h  6, 63 1034 Джс – постоянная Планка;
 – частота падающего светового излучения.
Уравнение (1) дает теоретическое обоснование законов фотоэффекта,
экспериментально установленных Столетовым:
1. Максимальная скорость фотоэлектронов определяется частотой света  и не
зависит от его интенсивности.
2. Фототок насыщения в вакуумном фотоэлементе пропорционален световому
потоку.
3. Для каждой поверхности существует минимальная частота  0 (т.н. красная
граница фотоэффекта), при которой еще возможен внешний фотоэффект
0 
Aвых
.
h
При частоте    0 фотоэффект отсутствует.
Внешний фотоэффект находит широкое практическое применение. Приборы,
действие которых основано на явлении фотоэлектрического эффекта, называются
фотоэлементами.
Последовательность выполнения работы
Приборы и принадлежности: фотоэлемент, эталонная лампа, зеркальный
гальванометр, потенциометр, оптическая скамья с ползунками и шкалой, ключи,
вольтметр.
Часть 1
В первой части необходимо снять вольтамперную характеристику фотоэлемента,
а также зависимость ее от светового потока.
2
Для проведения исследования используется фотоэлемент с центральным анодом,
вакуумный или газонаполненный (рис. 1). Это стеклянный сферический баллон, на
одну половину внутренней поверхности которого нанесен тонкий слой металла
путем конденсации его паров в вакууме. Этот слой является фотокатодом, из
которого под действием света вырываются электроны. Металлический анод
фотоэлемента имеет форму сферы и расположен в центральной части баллона
фотоэлемента. Электроны, вырываемые светом из освещенного катода, ускоряются
полем, создаваемым за счет наложенного на фотоэлемент напряжения, и летят на
анод, образуя фототок. В газонаполненный фотоэлемент введен инертный газ при
давлении в несколько десятков миллиметров ртутного столба.
Электроны, вылетающие с фотокатода, ускоренные электрическим полем
ионизуют газ. Это позволяет усилить фототок.
В работе используется установка, схема которой изображена на рис. 2, где
Л – эталонная лампа;
Г – гальванометр;
Ф – фотоэлемент;
Т – выпрямитель;
V – вольтметр;
А – потенциометр.
Установите фотоэлемент на нулевое деление шкалы, а эталонную лампу на
расстояние 40 см. Включите выпрямитель, затем включите осветитель гальванометра
и эталонную лампу. Перемещая шкалу гальванометра совместите нуль шкалы с
световым указателем.
Изменяя при помощи потенциометра А напряжение на фотоэлементе Ф от 0 до
100 вольт через интервал 10 вольт (для вакуумного фотоэлемента до напряжения 10
вольт интервал составляет 2 вольта, от 20 до 50 вольт интервал составляет 5 вольт),
записать показания гальванометра N . Рассчитать соответствующие силы токов I по
формуле:
j  c  N (2) , где c – постоянная гальванометра, указанная на установке.
Установив эталонную лампу на расстоянии 45 см от фотоэлемента, опыты
повторить. Результаты свести в табл. 1.
По полученным результатам постройте график зависимости фототока от
напряжения (для вакуумного фотоэлемента определите напряжение тока
насыщения).
Часть 2
Во второй части необходимо найти зависимость фототока от величины светового
потока при постоянном напряжении на фотоэлементе.
Искомая зависимость называется световой характеристикой фотоэлемента.
Установите эталонную лампу на расстоянии 100 см от фотоэлемента,
потенциометром А – напряжение тока насыщения в случае вакуумного
фотоэлемента или 70 вольт – в случае газонаполненного. Открыв колпачок
фотоэлемента запишите показания гальванометра в делениях шкалы. Не изменяя
напряжения на фотоэлементе, передвигайте лампу по скамье на расстояния 90, 80,
70, 60, 50, 40, 30, отсчитывая каждый раз показания гальванометра. Рассчитайте силу
фототока. Световой поток, падающий на фотоэлемент рассчитывается по формуле:
3
  I  (3) ;  
где
IS
R2
(4)
I – сила света лампы (указана на установке);
 – телесный угол, внутри которого распределен световой поток  (рис. 3).
Телесный угол, выраженный в стерадианах, равен отношению площади круга,
диаметр которого равен СД (рис. 3), к квадрату расстояния от источника света:

где
S
(5)
R2
S – площадь круга (указана на установке);
R – расстояние от источника света.
По формуле (3) рассчитайте для каждого наблюдения световой поток. Постройте
график зависимости величины фототока от светового потока. Используя график,
найдите чувствительность фотоэлемента.

j

(6) .
Выполнить аналогичные измерения для напряжения 80 В.
Результаты эксперимента записать в табл. 2.
4
Рис. 1
Рис. 2
Рис. 3
5
Таблица 1
Данные вольт-амперной характеристики фотоэлемента
№
п/п
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
U,В
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
25
30
35
40
45
50
60
70
80
90
100
N , дел
j,А
R=0,4 м
18
5,4∙10-7
29
8,7∙10-7
36
10,8∙10-7
39
11,7∙10-7
41
12,3∙10-7
41,5
12,45∙10-7
41,7
12,51∙10-7
41,8
12,54∙10-7
42
12,6∙10-7
44
13,2∙10-7
45,2
13,56∙10-7
45,6
13,68∙10-7
46,1
13,83∙10-7
46,4
13,92∙10-7
46,5
13,95∙10-7
46,7
14,01∙10-7
47
14,1∙10-7
47,5
14,25∙10-7
48
14,4∙10-7
48,3
14,49∙10-7
48,8
14,64∙10-7
U,В
N , дел
2
4
6
8
10
12
14
16
18
20
25
30
35
40
45
50
60
70
80
90
100
j,А
R=0,45 м
15
4,5∙10-7
24
7,2∙10-7
28
8,4∙10-7
31
9,3∙10-7
32
9,6∙10-7
33,4
10,02∙10-7
33,7
10,11∙10-7
34,3
10,29∙10-7
34,4
10,32∙10-7
34,8
10,44∙10-7
35,2
10,56∙10-7
35,3
10,59∙10-7
35,4
10,62∙10-7
35,5
10,65∙10-7
35,6
10,68∙10-7
35,7
10,71∙10-7
35,8
10,74∙10-7
35,8
10,74∙10-7
35,8
10,74∙10-7
35,8
10,74∙10-7
35,8
10,74∙10-7
Таблица 2
Данные световой характеристики фотоэлемента
R,м
1
0,9
0,8
0,7
0,6
0.5
0.4
0.3
N , дел
6
7,5
9
11
17
25
40
67
j,А
,А
N , дел
U=25 В
1,8∙10-7
3,8∙10-3
-7
2,25∙10
4,69∙10-3
-7
2,7∙10
5,94∙10-3
-7
3,3∙10
7,76∙10-3
-7
5,1∙10
10,56∙10-3
-7
7,5∙10
15,2∙10-3
-7
12∙10
23,75∙10-3
-7
20,1∙10
42,2∙10-3
6,5
7,5
9
12
17
24,5
39
67
j,А
,А
U=50 В
1,95∙10-7
3,8∙10-3
-7
2,25∙10
4,69∙10-3
-7
2,7∙10
5,94∙10-3
-7
3,6∙10
7,76∙10-3
-7
5,1∙10
10,56∙10-3
-7
7,35∙10
15,2∙10-3
-7
11,7∙10
23,75∙10-3
-7
20,1∙10
42,2∙10-3
c  3  10 8 А/дел – постоянная гальванометра;
I  10 КД – сила света лампы;
S  3,8 104 м2 – площадь катода.
6
График зависимости фототока от напряжения
График зависимости величины фототока от светового потока
7