Как изменится вольтамперная характеристика фотоэлемента если изменить величину светового потока - Исправление ошибок и поиск оптимальных решений проблем

Вольт-амперная
характеристика фотоэлемента
– зависимость фототока I,
образуемого потоком электронов,
испускаемых катодом под действием
света, от напряжения U
между электродами.

Вольт-амперная
характеристика, соответствующая двум
различным освещенностям катода( частота
света в обоих случаях одинакова),
приведена на рисунке выше. По мере
увеличения U
фототок постепенно возрастает, т.е. все
большее число фотоэлектронов достигает
анода. Пологий характер кривых показывает,
что электроны вылетают из катода с
различными скоростями. Максимальное
значение тока — фототок
насыщения
— определяется таким значением U, при
котором все электроны, испускаемые
катодом, достигают анода:

Где
n
– число электронов, испускаемых катодом
за 1 с.

Из
вольт-амперной характеристики следует,
что при U
=
0 фототок не исчезает. Следовательно,
электроны, выбитые светом из катода,
обладают некоторой начальной скоростью
v,
а значит, и отличной от нуля кинетической
энергией и могут достигнуть анода без
внешнего поля. Для того чтобы фототок
стал равным пулю, необходимо приложить
задерживающее напряжение U₀.
При U
= U₀
ни один из электронов, даже обладающий
при вылете из катода максимальной
скоростью v_max,
не может преодолеть задерживающего
поля и достигнуть анода. Следовательно,

Т.е.,
измерив задерживающее напряжение U₀,
можно определить максимальные значения
скорости кинетической энергии
фотоэлектронов.

Экспериментально
показано, что задерживающий потенциал
зависит от частоты света, которым
облучают катод фотоэлемента, и не зависит
от величины падающего светового потока.
При увеличении частоты облучающего
света задерживающий потенциал возрастает

Зависимость
силы фототока от приложенной разности
потенциалов при освещении катода светом
различной частоты при одинаковом числе
вырванных электронов (v₂>
v₁>
v₀)

На
опыте обнаружено, что кинетическая
энергия вырываемых светом электронов
зависит только от частоты падающего
света и не зависит от величины светового
потока. Если частота света меньше
определенной для данного вещества
минимальной частоты v₀,
то фотоэффекта не происходит. Частоту
v₀
называют красной границей фотоэффекта.
Задерживающий потенциал, соответствующий
красной границе фотоэффекта, равен
нулю.

Краткий
итог:
фототок насыщения зависит
только от интенсивности, а запирающее
напряжение U₀
зависит от кинетической энергии
вырываемых светом электронов, в свою
очередь кинетическая энергия зависит
только от частоты света.

47. Работа выхода при внешнем фотоэффекте, красная граница фотоэффекта.

По
Эйнштейну, каждый квант поглощается
только одним электроном. Поэтому число
вырванных фотоэлектронов должно быть
пропорционально интенсивности света
(I закон фотоэффекта). Безынерционность
фотоэффекта объясняется тем, что передача
энергии при столкновении фотона с
электроном происходит почти мгновенно.

Энергия
падающего фотона расходуется на
совершение электроном работы выхода А
из металла и на сообщение вылетевшему
фотоэлектрону кинетической энергии .
По закону сохранения энергии,

(1)

Уравнение
(1) называется уравнением
Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение
Эйнштейна позволяет объяснить II и III
законы фотоэффекта. Из (1) непосредственно
следует, что максимальная кинетическая
энергия фотоэлектрона линейно растет
с увеличением частоты падающего излучения
и не зависит от его интенсивности (числа
фотонов), так как ни A,
ни
v
от интенсивности света не зависят (II
закон фотоэффекта). Так как с уменьшением
частоты света кинетическая энергия
фотоэлектронов уменьшается (для данного
металла А=const), то при некоторой достаточно
малой частоте v
= v₀
кинетическая энергия фотоэлектронов
станет равной нулю и фотоэффект
прекратится (III закон фотоэффекта).
Согласно изложенному, из (1) получим, что

(2)

и
есть
красная граница фотоэффекта
для данного металла. Она зависит лишь
от работы выхода электрона, т.е. от
химической природы вещества и состояния
его поверхности. Выражение (1) можно
записать в виде

hv
= hv₀
+ eU₀

Источник

Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка, страница 2

2021-09-242021-09-24СтудИзба

Описание файла

Документ из архива «Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка»,
который расположен в категории «».
Всё это находится в предмете «физика» из 3 семестр, которые можно найти в файловом архиве НИУ «МЭИ» .
Не смотря на прямую связь этого архива с НИУ «МЭИ» , его также можно найти и в других разделах. .

Онлайн просмотр документа «Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка»

Текст 2 страницы из документа «Изучение законов фотоэффекта и определение постоянной Планка»

Рис. 4

Фототок насыщения зависит от падающего на фотоэлемент светового потока . Он будет тем больше, чем больше число фотонов в секунду падает на катод. Очевидно, что зависимость должна быть линейной. По этой причине вакуумные фотоэлементы могут служить точными фотометрами, позволяющими измерять световые потоки. Следует отметить, что при достаточно больших световых потоках ток насыщения перестаёт увеличиваться пропорционально световому потоку – наступает насыщение фотоэлемента по световому потоку.

Если световой поток, падающий на фотоэлемент, создаётся точечным источником, то его величина обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до фотоэлемента:

. (3)

Определение постоянной Планка

С помощью уравнения Эйнштейна (1) для фотоэффекта, можно экспериментально получить значение постоянной Планка. Для этого необходимо измерить величину запирающего напряжения при различных частотах падающего на фотоэлемент света. В этом случае работа внешнего поля над электронами равна кинетической энергии электрона при вылете из катода:

. (4)

С учётом формулы (4) уравнение (1) можно переписать в виде:

, (5)

или окончательно:

. (6)

Из последнего уравнения видно, что если строить по точкам график экспериментальной зависимости , то должна получиться прямая. Тангенс угла наклона этой прямой к горизонтальной оси численно равен .

5. Порядок проведения лабораторной работы

Получение вольтамперной характеристики фотоэлемента

Запустите программу «Практикум по общей физике». В открывшемся меню выбрать «Открыть», после чего в новом появившемся меню выбрать раздел «Атомная физика» и нажать на кнопку «+» слева от названия раздела. Снова выбрать в очередном появившемся меню название работы «Изучение внешнего фотоэффекта» и нажать кнопку «+» слева от названия работы и выбрать из предложенных вариантов сценарий «Определение постоянной Планка» (кнопка ).
Включите питание установки, дайте ей прогреться в течение 5 минут, передвиньте источник света на отметку 25см. Поляроиды при этом следует извлечь из оправки.
Установите максимальную интенсивность света, полярность напряжения переключите на «-». Переключатель «Коэффициент усиления» установите в положение «х0.01».
Поверните ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора. Установите красный светофильтр в объектив фотоприёмника.
Для построения вольтамперной характеристики фотоэлемента выберите из выпадающего списка зависимость . Запустите измерения, нажав кнопку . Плавно вращайте ручку «напряжение» против часовой стрелки до упора, уменьшая тем самым задерживающее напряжение до 0. Переключите полярность на «+» и плавно вращайте ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора, увеличивая тем самым ускоряющее напряжение. Остановите измерения, нажав кнопку . По полученному графику вольтамперной характеристики определите положение примерно 12-15 точек графика, соответствующих различным значениям напряжения и тока, включая значение задерживающего напряжения и максимального тока фотоэлемента. Для этого установите жёлтый вертикальный маркер (левая кнопка мыши) в соответствующие точки графика. При этом соответствующие величины тока и напряжения высвечиваются в окне цифрового индикатора, расположенного над графиком. В отрицательной области характеристики необходимо определить положение 3-4 точек графика; особенно тщательно необходимо определить положение точки, соответствующей запирающему напряжению. Для этого следует перемещать по графику желтый маркер вдоль оси напряжений влево с малым шагом до тех пор, пока значение тока в окне над графиком станет равным нулю (при дальнейшем возрастании модуля отрицательного напряжения ток остается равным нулю). Данные занесите в таблицу 1 и постройте по ним вольтамперную характеристику в отчете к лабораторной работе. Сохраните полученный график, пользуясь кнопкой . По возможности сфотографируйте его для отчета.
Повторите описанные в пунктах 3-5 действия, устанавливая на объектив фотоэлемента другие светофильтры. Для удобства сравнения характеристик можно менять светофильтры, не останавливая измерений и получая, таким образом, несколько характеристик на одном экране. Замену светофильтров рекомендуется производить при большом отрицательном напряжении на фотоэлементе.

Таблица 1.

U, В				…
I, мкА				…

U_з=

I_max=

Определение постоянной Планка

Выберите из выпадающего списка зависимости ; и запустите измерения.
Установите максимальную интенсивность света, полярность напряжения переключите на «-». Переключатель «Коэффициент усиления» установите в положение «х0.001». Амплитуда сигнала тока на экране при этом увеличится в 10 раз, что позволит более точно определить величину запирающего напряжения.
Установите красный светофильтр в объектив фотоприёмника. Выставите нулевое значение напряжения при отрицательной полярности. Медленно и плавно изменяя напряжение, добейтесь падения фототока до нуля и зафиксируйте значение запирающего напряжения . Значение фототока могут испытывать некоторые колебания, поэтому обратите внимание на показания цифрового индикатора в левом нижнем углу экрана. Остановите измерения, как только величина тока периодически начинает принимать нулевые значения. Установите вертикальный жёлтый маркер в точку графика , в которой I=0 (для этого в области отрицательных напряжений, перемещая желтый маркер с малым шагом, найдите такую предельную точку, в которой ток в окне цифрового индикатора впервые окажется равным нулю; при этом при дальнейшем возрастании модуля отрицательного напряжения ток должен оставаться равным нулю, а при уменьшении модуля отрицательного напряжения ток начинает возрастать); нажмите кнопку . Откроется таблица «Обработка», в четвёртом столбце которой отображается измеренное запирающее напряжение. Внесите в ячейку первого столбца таблицы значение длины волны света, указанное на светофильтре. Во втором и третьем столбцах таблицы автоматически вычисляются значения частоты света и отношение . Данные таблицы для всех светофильтров перенесите в свой отчет по лабораторной работе.
Повторите действия, описанные в предыдущем пункте, для всех имеющихся в комплекте светофильтров, постепенно уменьшая длину волны излучения. По окончании измерений перейдите на вкладку «график», в которой по экспериментальным точкам строится график зависимости U_з= . Для аппроксимации этой зависимости линейной функцией вида Y=Ax+B нажмите кнопку . В верхнем левом углу окна появится соответствующее уравнение аппроксимирующей прямой. Определите по его угловому коэффициенту значение постоянной Планка (обратите при этом внимание на размерность величин, отложенных по соответствующим осям графика). Оцените по графику погрешность измерения постоянной Планка. Сохраните полученный график, пользуясь кнопкой и по возможности сфотографируйте его для отчета.
Используя таблицу, полученную при проведении эксперимента, на миллиметровой бумаге постройте график зависимости кинетической энергии электронов (где кинетическая энергия определяется как , — модуль задерживающего напряжения) от частоты и определите красную границу фотоэффекта и работу выхода электрона для материала катода. Для этого сначала продлите прямую, полученную в результате построения графика до пересечения с осью частот (точка пересечения с осью частот соответствует красной границе фотоэффекта), а затем найдите работу выхода. Работу выхода запишите в Джоулях и электрон-вольтах.

Изучение зависимости фототока от светового потока.

Нажмите кнопку и выберите сценарий «Зависимость фототока от светового потока».
Установите источник света на отметке 17 см (наиболее близкое положение к фотоэлементу). Установите максимальную интенсивность света, полярность напряжения переключите на «+». Переключатель «Коэффициент усиления» должен находиться в положении «х0.001». Обратите внимание, что реальные значения фототока при этом будут в 10 раз ниже тех, которые отображаются на экране.
Установите красный светофильтр в объектив фотоприёмника. Повернув ручку «напряжение» по часовой стрелке до упора установите максимальное ускоряющее напряжение (фотоэлемент будет работать при этом в режиме близком к насыщению).
Запустите измерения. Ослабьте световой поток, падающий на фотоэлемент. Для этого установите поляроиды в стойку перед фотоприёмником, пододвиньте стойку вплотную к установленному светофильтру и поверните один из поляроидов на такой угол, при котором фототок минимален. Остановите измерения. Установите жёлтый маркер (левая кнопка мыши) на участке графика с зарегистрированным минимальным током и с помощью кнопки добавьте это значение в таблицу обработки. В первый столбец открывшейся таблицы внесите текущую координату осветителя, выраженную в см. То же значение координаты внесите в пункт таблицы «Исходные данные».
Передвиньте осветитель в следующую точку (например, на отметку «20 см»). Нажмите кнопку запуска измерений и отклоните предложение программы очистить таблицу накопленных данных. Измерьте ток и заполните очередную строку таблицы обработки.
Повторите действия, описанные в предыдущем пункте, и получите еще несколько точек в таблице при удалении осветителя на расстояние вплоть до 38 см. Данные экранной таблицы перенесите в отчет по лабораторной работе и на миллиметровой бумаге постройте по ним соответствующий график.
По окончанию измерений перейдите на вкладку «график», в которой по экспериментальным точкам строится график зависимости . Для аппроксимации этой зависимости функцией вида Y=Ax выберите эту функцию и нажмите кнопку . Сохраните полученный график, пользуясь кнопкой , и, по возможности, сфотографируйте его для отчета по лабораторной работе.

6. Контрольные вопросы

В чем заключается явление фотоэффекта (внешнего и внутреннего)?
Запишите уравнение Эйнштейна для внешнего фотоэффекта для случая обычных и релятивистских скоростей электронов.
Как объясняется явление фотоэффекта с квантовой точки зрения?
Каково устройство фотоэлементов и их характеристика? Объясните ход вольтамперной характеристики вакуумного фотоэлемента.
Как изменится вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента при увеличении интенсивности светового потока и сохранении неизменным его спектрального состава?
Как изменится вольтамперная характеристика вакуумного фотоэлемента при изменении спектрального состава светового потока и сохранении неизменного светового потока?
Как формулируются законы фотоэффекта?
Что такое красная граница фотоэффекта? Как определяется красная граница фотоэффекта в эксперименте?
Что такое метод задерживающих потенциалов?
Может ли происходить фотоэффект на свободных электронах?

Свежие статьи

Популярно сейчас

Зачем заказывать выполнение своего задания, если оно уже было выполнено много много раз? Его можно просто купить или даже скачать бесплатно на СтудИзбе. Найдите нужный учебный материал у нас!

Ответы на популярные вопросы

То есть уже всё готово?

Да! Наши авторы собирают и выкладывают те работы, которые сдаются в Вашем учебном заведении ежегодно и уже проверены преподавателями.

А я могу что-то выложить?

Да! У нас любой человек может выложить любую учебную работу и зарабатывать на её продажах! Но каждый учебный материал публикуется только после тщательной проверки администрацией.

А если в купленном файле ошибка?

Вернём деньги! А если быть более точными, то автору даётся немного времени на исправление, а если не исправит или выйдет время, то вернём деньги в полном объёме!

Добавляйте материалы
и зарабатывайте!

Продажи идут автоматически

666

Средний доход
с одного платного файла

Обучение Подробнее

Источник

амперных и световых характеристик фотосопротивления

Работа добавлена на сайт samzan.net: 2015-07-10

Поможем написать учебную работу

Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой — мы готовы помочь.

Предоплата всего

от 25%

Подписываем

договор

ИЗУЧЕНИЕ ФОТОСОПРОТИВЛЕНИЙ

Цель работы: изучение вольт-амперных и световых характеристик фотосопротивления.

Приборы и принадлежности; фотосопротивление, осветитель, выпрямитель, переменное сопротивление, амперметр, вольтметр.

Фотосопротивление (ФС) — устройство, сопротивление которого меняется под действием света за счет явления внутреннего фотоэффекта. Это явление наблюдается в диэлектриках и полупроводниках.

Внутренний фотоэффект заключается в обусловленном действием света перераспределении электронов по энергетическим уровням. Если энергия кванта h превышает ширину запрещенной зоны W ,то поглотивший квант электрон переходит из валентной зоны (В.з.) в зону проводимости (З.пр.) (рис. 1,а), В результате появляется дополнительная пара носителей тока (электрон — дырка), что проявляется в увеличении электропроводности вещества.

Рис. 1

Если в веществе имеются примеси, то под действием света электроны могут переходить из валентной зоны на уровни примеси (рис.1,б) или с примесных уровней в зону проводимости (рис. 1,в). В первом случае возникает дырочная, во втором — электронная фотопроводимость.

Количество носителей тока, образующихся под действием света, пропорционально падающему световому потоку, поэтому ФС применяются для целей фотометрии, т.е. для обнаружения и измерения светового излучения.

Фотосопротивление (рис. 2) представляет собой обычное омическое сопротивление, состоящее из слоя полупроводника 2, нанесенного на изолирующую подложку 1 и заключенного между двумя токопроводящими электродами 3 . Приемная площадь ФС обычно защищена пленкой прозрачного лака. В некоторых типах ФC рабочий слой делают из монокристалла.

Рис. 2

ФС имеют высокие стабильные параметры, и их чувствительность гораздо больше, чем у фотоэлементов, в которых используется фотоэффект. Они широко используются для сигнализации и автоматизации.

К числу основных характеристик ФС относятся вольт-амперная и световая характеристики.

Вольт-амперная характеристика выражает зависимость фототока (при постоянном световой потоке) или темнового тока от приложенного напряжении U. Для большинства фотосопротивлений в рабочем режиме эта эависимость фактически нелинейна. Рабочим называется режим, при котором приложенное напряжение является рабочим напряжением, т.е. напряжением, которое можно прилагать к ФС при длительной эксплуатации без изменения его параметров свыше установленных. Под фототоком понимают разность между световым Ic (источник света включен) и темновым Iт (источник света отключен) токами: Iф = Ic + Iт.

Световая характеристика, выражает зависимость фототока от падающего на ФС светового потока постоянного спектрального состава при постоянном приложенном напряжении. Световые характеристики ФС нелинейны.

Порядок выполнения работы

Снятие вольт-амперной характеристики

I. Собрать электрическую схему, представленную на рис. 3. Установить ФС на максимально возможное расстояние от осветителя.

Рис.3

2. Снять темновую вольт-амперную характеристику фотосопротивления, для чего, не включая источник света, изменять напряжение от 0 до 6 В через 0,5 В, при этом фиксировать значения силы тока Iт . Результаты записать в табл. I

Таблица I

№

п/п

U

Iт

Ic

Iф = Ic — Iт

мА

…

3. Включить источник света. При неизменной освещенности (расстояние ФС от источника света постоянно), устанавливая те же значения напряжения, что и в п.2, снять значения силы тока освещенного фотосопротивления. Результаты записать в табл. I.

4. Найти значений фототока Iф = Ic — Iт и заполнить табл. I.

5. Построить графики зависимости темнового тока и фототока от напряжения: Iт = f(U) ; Iф = f(U).

Снятие световой характеристики

1. Установить на ФС напряжение U1 = 2 В н поддерживать его постоянным.

2. Изменять расстояние от ФС до источника света в пределах от 45 до 75 см через 5 см. Измерить значения силы тока и записать в табл. 2. (Освещенность E, создаваемая лампой, изменяется по закону E = (I/r2)cos, где I — сила света источника, r — раcстояние от лампы до ФС;  — угол падения световых лучей на ФС. Так как в данной работе I и  постоянны, то освещенность E пропорциональна 1/r2.)

Таблица 2

N Пп	U, В	1/r2, м-2	I, мА	R	1/r2, м-2	I, мА
	U1 = 2 В	U2 = 4 В
1 2 3 …

3. Повторить те же измерения при напряжении U2 = 4 В. Результаты занести в табл.2.

4. Построить график зависимости I = f(1/r2)

Контрольные вопросы

1. Проводники, полупроводники и диэлектрики с точки зрения зонной теории.

2. Собственная и примесная проводимости полупроводников.

3. Внутренний фотоэффект.

4. Внешний фотоэффект. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

5. Красная граница фотоэффекта.

6. Фотосопротивление и его характеристики.

7. Применение фотосопротивлений.

Задания для отчета по лабораторной работе

Найти длину волны света, соответствующую красной границе фотоэффекта для натрия.
Найти задерживающую разность потенциалов для электронов, вырываемых при освещении калия светом с длиной волны  = 330 нм.
Длина волны света, соответствующая красной границе фотоэффекта, для некоторого металла 0 = 275 нм. Найти минимальную энергию фотона, вызывающего фотоэффект.
При фотоэффекте с платиновой поверхности электроны полностью задерживаются разностью потенциалов U = 0.8 В. Найти длину волны  применяемого облучения.
Фотоны с энергией 4.9 эВ вырывают электроны из металла с работой выхода A = 4.5 эВ. Найти максимальный импульс, передаваемый поверхности металла при вылете каждого электрона.
Как с помощью вольт-амперной характеристики фотоэлемента определить число N электронов, выбиваемых светом с поверхности катода в единицу времени?
Ток насыщения, протекающий через вакуумный фотоэлемент при его освещении светом, Iн = 0.8 нА. Определить число N фотоэлектронов, покидающих поверхность катода в единицу времени.
Как изменится вид вольт-амперной характеристики фотоэлемента, если при неизменном спектральном составе волны увеличится в два раза ее полный световой поток?
Как изменится вид вольт-амперной характеристики фотоэлемента, если при неизменном потоке фотонов увеличится в два раза частота используемого монохроматического света?
Предложите способ экспериментального определения постоянной Планка с помощью явления фотоэффекта.
Будет ли наблюдаться фотоэффект, если на поверхность серебра направить ультрафиолетовое излучение с длиной волны 300 нм?
Какая доля энергии фотона израсходована на работу вырывания фотоэлектронов, если красная граница фотоэффекта 307 нм и максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона равна 1 эВ?
На цинковую пластинку падает монохроматический свет с длиной волны 220 нм. Определить максимальную скорость фотоэлектронов.
Максимальная скорость фотоэлектронов, вылетающих из металла при облучении его -фотонами, равна 291 Мм/с. Определить энергию фотонов.
До какого потенциала можно зарядить удаленный от других тел цинковый шарик, облучая его ультрафиолетовым излучением с длиной волны  = 200 нм?
Если освещать никелевый шар радиусом 1 см светом с длиной волны, вдвое меньшей красной границы фотоэффекта, то шар заряжается. Какой заряд приобрел шар?
При поочередном освещении поверхности некоторого металла светом с длинами волн 1 = 0.35 мкм и 2 = 0.54 мкм обнаружили, что соответствующие максимальные скорости фотоэлектронов отличаются друг от друга в 2 раза. Найти работу выхода с поверхности этого металла
Цинковую пластинку освещают ультрафиолетовым светом с длиной волны  = 300 нм. На какое максимальное расстояние от пластинки может удалиться фотоэлектрон, если вне пластинки создано однородное поле с напряженностью Е = 10 В/см (задерживающее)?
Между фотокатодом и анодом приложена такая разность потенциалов, что наиболее быстрые фотоэлектроны могут пролететь только половину расстояния между электродами. Смогут ли они долететь до анода, если расстояние между электродами уменьшить вдвое при той же разности потенциалов?
Плоская поверхность освещается светом с длиной волны  = 180 нм. Красная граница фотоэффекта для данного вещества 0 = 360 нм. Непосредственно у поверхности создано однородное магнитное поле с индукцией В = 1.0 мТл. Линии индукции магнитного поля параллельны поверхности. На какое максимальное расстояние от поверхности смогут удалиться фотоэлектроны, если они вылетают перпендикулярно поверхности?

Источник