Лаби по Фої - определніє чутливості фотоелемента (40)
Визначення чутливості фото елемента
Прилади й приналежності; фотоелемент, лампа розжарювання, оптична лава, мікроамперметр, люксметр
Мета роботи: вивчення принципу дії вентильного фотоелемента та вимір його інтегральної чутливості.
Зовнішній фотоефект можна спостерігати в металах. При висвітленні металу фотон поглинається електроном провідності, при цьому збільшується кінетична енергія електрона. Якщо енергія перевищує роботу виходу електрона, то електрон виходить з металу. Цей процес описується рівнянням Ейнштейна:
де
Це рівняння отримано в припущенні, що електрони в металі рухаються незалежно один від одного, і тому зміна енергії одного електрона при поглинанні фотона не призводить до зміни енергії інших електронів, т. Е. Фотон взаємодіє тільки з одним електроном.
Досвідченим шляхом було встановлено три закони фотоефекту:
1. Число фотоелектронів, що вириваються з поверхні металу за одиницю часу, пропорційно світловому потоку, що падає на метал, при незмінному спектральному складі.
2. Максимальна початкова кінетична енергія фотоелектронів визначається частотою падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.
3. Для кожного металу існує червона межа фотоефекту, т. Е. Максимальна довжина хвилі
Її величина залежить від хімічної природи металу і стану його поверхні і визначається з рівняння Ейнштейна.
Електрон зможе вийти за межі металу »якщо повідомлена йому енергія не менше роботи виходу, т. Е.
Зовнішній фотоефект використовується в вакуумних фотоелементах (рис. 40.1). Внутрішня поверхня балона покрита тонким шаром металу. Цей шар займає приблизно 50% всієї внутрішньої поверхні балона і є фотокатодом. Проти нього залишають прозоре вікно, через яке на катод потрапляє світло. Анод має форму рамки і розташований так, щоб не перешкоджати влучень світла на катод. Схема включення фотоелемента зображена на рис. 40.1,6.
При висвітленні фотоелемента починається емісія електронів з катода і в ланцюзі виникає струм, який отримав назву фотоструму. На рис. 40.2 показана вольт-амперна характеристика вакуумного фотоелемента. Як видно з графіка, спочатку фототок лінійно збільшується при збільшенні анодної напруги, так як при цьому все більшу кількість вилетіли з катода електронів досягає анода. При певній напрузі на аноді все фотоелектрони потрапляють на анод і при подальшому збільшенні напруги сила струму не змінюється. Цей струм називається струмом насичення. Сила струму насичення лінійно залежить від світлового потоку.
Основним параметром фотоелемента є його чутливість
де
Розрізняють інтегральну і спектральну чутливості фотоелемента. Інтегральна чутливість характеризує здатність фотоелемента реагувати на вплив світлового потоку складного випромінювання. Спектральна чутливість визначає силу фотоструму при впливі монохроматичного світлового потоку. Чутливість вакуумних фотоелементів досягає 100 мкА / лм.
Для збільшення сили фотоструму іноді балон фотоелемента заповнюють інертним газом при тиску 1-10 Па. Такі фотоелементи називають газонаповненими. При великому анодній напрузі в цих фотоелементах відбувається ударна іонізація атомів газу еміттірованних з катода електронами. В результаті цього в створенні струму беруть участь не тільки фотоелектрони, а й електрони і іони, отримані при іонізації газу. Чутливість газонаповнених фотоелементів досягає 150-200 мкА / лм.
Зовнішній фотоефект знаходить застосування в фотоелектронних помножувачах (ФЕУ) і електронно-оптичних перетворювачах (ЕОП). ФЕУ застосовують для вимірювання світлових потоків малої інтенсивності. З їх допомогою можна визначити слабку біолюмінесценцію. ЕОП застосовують в медицині для посилення яскравості рентгенівського зображення, в термографії - для перетворення інфрачервоного випромінювання організму в видиме.
Внутрішній фотоефект спостерігається в напівпровідниках. Енергія фотонів передається електронам напівпровідника. Якщо ця енергія
Фоторезистори виготовляють на основі сульфіду кадмію, сірчистого свинцю і ін. Світлочутливі елементи поміщають в пластмасовий або металевий корпус. Фоторезистори мають значно більшу чутливість, ніж фотоелементи з зовнішнім фотоефектом. Значення чутливості їх може досягати величини порядку 1 А / лм. Однак з підвищенням чутливості зростає інерційність фоторезисторов, що обмежує можливість їх використання при роботі зі змінними світловими потоками високої частоти. Фоторезистори застосовуються в фоторелейних пристроях, а також в фотометрической апаратурі для вимірювання світлових характеристик.
Фотоелектродвіжущая сила, що виникає при освітленні контакту монохроматическим потоком світла, пропорційна його інтенсивності, так як вона визначається числом утворюються електронно-доручених пар, т. Е. Кількістю фотонів.
Перевага вентильних фотоелементів полягає в тому, шануй для їх роботи не потрібно джерело живлення, так як в них самих під дією світла генерується електрорушійна сила. Якщо замкнути ланцюг, що містить фотоелемент, то в ній виникне струм. Інтегральна чутливість вентильних фотоелементів значно перевищує чутливість вакуумних фотоелементів. Вона може досягати декількох тисяч мікроампер на люмен. Вентильні фотоелементи виготовляють на основі селену, германію, кремнію, сірчистого срібла і ін. Кремнієві і деякі інші типи фотоелементів використовуються для сонячних батарей, які застосовуються на космічних кораблях для живлення бортової апаратури. Вентильні фотоелементи застосовуються також в фотометрії для вимірювання світлового потоку і освітленості, що використовується в санітарно-гігієнічної практиці.
Освітленість складається з освітленості
Інтегральна чутливість фотоелемента знаходиться за формулою
Із закону фотометрії відомо, що
де S- площа освітлюваної поверхні.
Освітленість, створювана точковим джерелом світла, дорівнює
де
Селеновий фотоелемент (рис. 40.3) являє собою шар 2 селену, нанесений на поліровану залізну пластинку 1. При прогріванні селен перекладається в кристалічну модифікацію, що володіє доречнийпровідністю. Зверху напилюється тонка плівка 3 срібла. В результаті дифузії атомів срібла всередину селену утворюється шар селену з домішкою, що володіє електронною провідністю. Таким чином, створюється контакт між чистим селеном і селеном з домішкою, т. Е. Виникає
Для визначення чутливості фотоелемента збирають установку, зображену на рис. 40.4. На оптичній лаві 8 встановлені джерело світла 1 і фотоелемент 2. Як джерело світла використовують лампу розжарювання з прямолінійною ниткою розжарення. Лампа може повертатися навколо вертикальної осі. Кут повороту лампи вимірюється транспортиром, укріпленим на підставці лампи. Фотоелемент в футлярі встановлюється на тримачі, який може переміщатися уздовж оптичної лави. На оптичній лаві укріплена лінійка для вимірювання відстані між лампою і фотоелементом. Сила струму, що виникає в фотоелементі, визначається по мікроамперметра 4. Освітленість Е на різних відстанях від джерела світла визначають люксметром.
Порядок виконання роботи
Визначення інтегральної чутливості селенового фотоелемента:
не вмикаючи лампу, виміряйте люксметром фонову освітленість
розташуйте лампу на лаві так, щоб нитка розжарення була перпендикулярна поверхні фотоелемента (при цьому джерело світла можна наближено вважати точковим);
включите лампу і виміряйте люксметром освітленість Е на трьох різних відстанях R від джерела світла:
визначте силу світла джерела для кожного випадку за формулою
результати вимірювань і обчислень занесіть в табл. 40 1;
відкрийте кришку футляра фотоелемента;
виміряйте силу фотоструму i, змінюючи відстань R між фотоелементом і лампою від 0,5 до 1.5 м через кожні 0,1 м;
обчисліть інтегральну чутливість k фотоелемента для кожного випадку за формулою (40.4) і знайдіть
результати вимірювань і обчислень занесіть в табл. 40.2;
побудуйте графік залежності
обчисліть похибка
Дослідження залежності сили фотоструму від положення нитки лампи розжарювання:
встановіть лампу на відстані 0,5 м від фотоелемента. Виміряйте силу фотоструму, повертаючи лампу щодо вертикальної осі на кути від 0 до 180 ° через кожні 20 °;
результати вимірювань занесіть в табл. 40.3:
побудуйте в полярній системі координат графік залежності сили фотоструму від кута повороту нитки лампи
