Работа 9. изучение явления внешнего фотоэффекта

Цель работы:

Исследование зависимости фототока от анодного напряжения при постоянном световом потоке (снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента) и изучение зависимости силы фототока насыщения от светового потока.

Описание установки

Принципиальная схема рабочей установки для изучения внешнего фотоэффекта приведена на рис. 9.1

Рис. 9.1

Здесь: Л – источник света (лампа накаливания), Ф – вакуумный фотоэлемент, К – ключ для подачи переменного напряжения, УИП – универсальный источник питания, R_ф – потенциометр для плавного изменения напряжения, подаваемого на фотоэлемент, ℓ - шкала для измерения расстояния между лампой и фотоэлементом.

Элементы Л и Ф заключены в трубу прямоугольного сечения и, таким образом, изолированы от внешних источников света. Фотоэлемент помещен на тележку, которая с помощью специального устройства передвигается внутри трубы, при этом указатель расстояния между Л и Ф перемещается по шкале ℓ.

Если на фотоэлемент направить поток света и создать между анодом и катодом разность потенциалов U_ф, то фотоэлектроны, ускоряемые электрическим полем, полетят к аноду. В электрической цепи возникнет фототок, величина которого зависит от интенсивности и спектрального состава света. Фототок I_ф, измеряемый микроамперметром, растет с напряжением U_ф, достигает насыщения (I_ф = I_н) и дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к увеличению тока. Зависимость I_ф(U_ф) при неизменном световом потоке (Ф = const), падающем на фотоэлемент, называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента.

В работе измеряется также световая характеристика фотоэлемента,которая определяет зависимость тока насыщения I_н от величины светового потока Ф. В соответствии с законом Столетова зависимость I_н(Ф) изображается прямой линией:

I_н = k·Ф. (9.6)

Считая источник света точечным, световой поток вычислим по формуле:

(9.7)

Световой поток Ф выражается в люменах (лм), сила света источника I₀ в канделах (кд), расстояние ℓ - в метрах (м), а площадь светочувствительного слоя фотоэлемента S – в м². Значения I₀ и S указаны на установке.

Порядок выполнения работы

Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента.

1.Установить фотоэлемент на расстояние ℓ₁, указанное преподавателем.

2. Включить постоянное напряжение U_ф и установить с помощью потенциометра минимальное значение напряжения U_ф

3. Включить лампу Л, замкнув ключ К, и снять показание микроамперметра I_ф. Занести полученные значения в таблицу 9.1.

4. Увеличивая напряжение U_ф, измерять I_ф до тех пор, пока не установится ток насыщения. Результаты измерения заносить в таблицу 9.1.

5. Установить другое расстояние ℓ₂, указанное преподавателем и повторить измерения.

Таблица 9.1.

	Uф, В
ℓ1= ,м	Iф, мкА
ℓ2 = , м	Iф, мкА

6. Построить график зависимости I_ф(U_ф).

Снятие световой характеристики фотоэлемента.

1.Фотоэлемент расположить на наименьшем расстоянии ℓ и установить минимальное значение U_ф.

2. Постепенно увеличивая значение U_ф, определить I_н при данном ℓ. Результаты занести в таблицу 9.2.

3. Удаляя фотоэлемент от лампы, определить ток насыщения I_н еще для двух значений ℓ и занести данные в таблицу 9.2.

Таблица 9.2.

ℓ, м
Iн, мкА
Ф, лм
k, мкА/лм

4.Для каждого значения ℓ вычислить световой поток Ф по формуле (9.7).

5.Вычислить интегральную чувствительность k = I_н/Ф.

6. Найти k_ср, абсолютную погрешность Δk и относительную ошибку δk.

7. Записать результат измерений в виде k=k_ср Δk.

8. Построить график зависимости I_н(Ф).

Контрольные вопросы

1. Какое явление называется внешним фотоэффектом?

2. Сформулируйте экспериментальные законы внешнего фотоэффекта.

3. Что такое вольтамперная характеристика фотоэлемента?

4. Что такое световая характеристика фотоэлемента?

5. Объясните устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

6. Что такое сила света источника и световой поток? В каких единицах они измеряются?

7. Как определяется интегральная чувствительность фотоэлемента?