Исследование фотоэлементов
Цель работы:снять вольт-амперную и люкс-амперную характеристики вакуумного фотоэлемента и фотосопротивления.
Приборы и принадлежности: оптическая скамья, вакуумный фотоэлемент СЦВ-4, фотосопротивление, вольтметр, миллиамперметр, выпрямитель, источник света.
Сведения из теории
Подробно теоретические сведения для данной лабораторной работы изложены в разделе 4.3.2. Фотоэффект. Виды фотоэлектрического эффекта (стр. 271-276 данного учебного пособия).
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом
Вакуумный фотоэлемент представляет собой откачанный стеклянный баллон, часть внутренней поверхности которого покрыта тонким слоем светочувствительного металла, играющего роль фотокатода. Анод А находится в центре баллона (рис. 9.1). При освещении фотоэлемента из катода вылетают электроны и под действием электрического поля попадают на анод. По цепи идет ток.
Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики фотоэлементов
Вольт-амперной характеристикой фотоэлемента называется кривая, выражающая зависимость фототока от напряжения. На рис. 9.2 показана вольт - амперная характеристика вакуумного фотоэлемента. Она отличается двумя особенностями:
а) при увеличении напряжения U между анодом и катодомфототок IФ достигает насыщения (с увеличением освещенности ток насыщения возрастает);
б) существует такое значение задерживающей разности потенциалов UЗ , при котором фототок прекращается. Электроны перестают достигать анода, когда работа задерживающего электрического поля становится равной их начальной кинетической энергии: 
,
где е, m и v - это заряд, масса и скорость электрона соответственно.
Люкс-амперной (или световой) характеристикой фотоэлемента называется зависимость фототока от освещенности катода при постоянном напряжении. У вакуумных фотоэлементов световая характеристика линейна, так как число выбитых электронов в единицу времени nпропорционально освещенности (Iн = е n ~ E).
Порядок выполнения работы
1. Ознакомиться с имеющимися на лабораторном столе приборами.
2.Снять вольт-ампернуюхарактеристику вакуумного фотоэлемента (СЦВ-4):
2.1. Поместив фотоэлемент СЦВ-4 на оптическую скамью, собрать электрическую цепь по рис.9.3.
2.2. Подать напряжение сети на выпрямитель и источник света.
 |
Рис. 9.3
Изменяя напряжение U, подаваемое на фотоэлемент, от 0 до 120-150 В, снять зависимость (7-10 точек) силы фототока Iфот напряжения для двух расстояний r1 и r2 фотоэлемента от источника света. Результаты измерений занести в табл. 1.
П р и м е ч а н и е. Расстояния r1 и r2 необходимо подбирать такими, чтобы шкала миллиамперметра использовалась как можно полнее. Фототок можно измерять в относительных единицах (в делениях шкалы прибора).
Таблица 1
| Номер | U, В | Iф, А | |
| измерения | r1 = | r2 = | |
| . . |
2.3. По измеренным данным построить графики Iф = f (U).
3. Снять люкс-амперную характеристику:
3.1. При постоянном напряжении (U = cоnst) снять зависимость силы фототока Iфот освещенности Е фотоэлемента. Так как освещенность обратно пропорциональна квадрату расстояния r 
, то изменять ее можно путем изменения r. Результаты измерений занести в табл. 2.
П р и м е ч а н и е. U = сonst должно быть подобрано так, чтобы r можно было менять в широком пределе.
3.2. По данным табл. 2 построить график Iф = f (E) = f (1 / r2).
Таблица 2
| Номер | U, B = | ||
| измере-ния | r | Iф, А | E = 1/r2 |
| . . . |
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Понятие о квантовых свойствах света. Энергия кванта света.
2. Явление внешнего фотоэффекта и его закономерности.
3. Внутренний фотоэффект и его объяснение на основе зонной теории строения вещества.
4. Уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта, его физический смысл.
5. “Красная граница” фотоэффекта.
6. Объяснение закономерностей фотоэффекта на основе квантовой природы света
7. Вольт-амперные и люкс-амперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.
8. Зависимость тока насыщения фотоэлементов от освещенности.
9. Задерживающая разность потенциалов и ее связь с кинетической энергией электрона, вылетевшего из катода в результате фотоэффекта.
10. Зависимость проводимости фотосопротивления от освещенности.
11. Вольт-амперная и люкс-амперная характеристики фотосопротивления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Детлаф А.А. Курс физики: учеб. пособие для вузов/ А.А. Детлаф.‒ 2-е изд., испр. и доп.‒ М.: Высш. шк., 2003.‒ 718 с.
2. Трофимова Т.И. Курс физики: учеб. пособие/ Т.И. Трофимова.‒ 3-е изд., испр.‒ М.: Высш. шк, 2003.‒ 542 с.
3. Чертов А.Г. Задачник по физике для втузов/ А.Г.Чертов – 4-е изд., испр. – М.: Интеграл-пресс, 2003. – 640 с.
4. Волькенштейн В.С. Сборник задач по общему курсу физики: учеб. пособие/ В.С.Волькенштейн. – 11-е изд., перераб. – М.: Наука: Физматлит, 2003. – 328 с.
5. Трофимова Т.И. Сборник задач по курсу физики с решениями: учеб.пособие для вузов/ Т.И.Трофимова, З.Г.Павлова. – 2-е изд., испр. – М.: Высшая школа, 2001. – 591 с.
6. Демков В.П. Физика. Теория. Методика. Задачи/ В.П.Демков, О.Н.Третьякова – М.: Высшая школа, 2001. – 669 с.
7. Новодворская Е.М. Сборник задач по физике с решениями для втузов/ Е.М.Новодворская, Э.М.Дмитриев. – М.: ООО «Издательский дом «ОНИКС 21 век» : Издательство «Мир и образование», 2003. – 368 с.
8. Балаш В.А. Задачи по физике и методы их решения: Пособие для учителя/В.А.Балаш – 4-е изд., перераб и доп. – М.: Просвещение, 1983. – 432 с.
9. Барков Ю.А. Вступительный экзамен по физике в ПГТУ: Краткая теория и методика решения задач, типовые задания из банка данных, тесты 2004 года/ Ю.А.Барков, О.М.Зверев, А.Ю.Силуянов. – Пермь: Перм. гос. техн. ун-т, 2004. – 214 с.
Приложение