POLITECHNIKA ŚLĄSKA

W GLIWICACH

WYDZIAŁ ELEKTRYCZNY

Kierunek : elektrotechnika.

Studia wieczorowe.

Rok akademicki : 1996/97.

Ćwiczenie nr 8:

Wyznaczanie charakterystyk

fotokomórki gazowanej

Grupa 1

Sekcja 1

ZBIGNIEW JANIA

MARIUSZ JURASZUS

1.WSTĘP

Zjawisko fotoelektryczne zostało wykryte pod koniec ubiegłego wieku . Dokładne badania tego zjawiska w fotokomórkach pozwoliły sformułować następujące prawa:

1. Maksymalna prędkość początkowa fotoelektronów zależy od częstotliwości światła , a nie zależy od jego natężenia .

2. Dla każdego metalu istnieje długofalowa granica fotoelektryczna . Zjawisko fotoelektryczne zachodzi dla światła o częstotliwości większej od tej wartości granicznej.

Granica długofalowa zjawiska fotoelektrycznego zależy od składu chemicznego materiału katody i od stanu jej powierzchni .

3. Liczba emitowanych elektronów w jednostce czasu jest proporcjonalna do natężenia światła. Natężenie nasyconego prądu fotokomórki jest proporcjonalne do oświetlenia powierzchni.

Problemy z interpretacją zjawiska fotoelektrycznego na drodze falowej spowodowały wysunięcie przez A. Einsteina teorii o kwantowym charakterze tego zjawiska. Według tej teorii światło w postaci porcji energii , zwanej fotonami , przekazywane jest elektronom.

Bardzo precyzyjne eksperymenty R. A. Millikana potwierdziły słuszność teorii Einsteina.

Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne stosuje się w fotokomórkach .

W bańce szklanej znajdują się elektrody : katodę stanowi metal naparowany na wewnętrzną stronę bańki , a anodę drut w kształcie pętli.

Próżniowe fotokomórki charakteryzują się stanem nasycenia, a czułość prądu elektronowego osiąga wartość do 10^-10 A/lx

Fotokomórki próżniowe wymagają stosowania wzmacniaczy . Większą czułość wykazują fotokomórki gazowane wypełnione najczęściej argonem. Fotoelektrony w przyśpieszającym polu elektrycznym anody uzyskują energię pozwalającą jonizować cząsteczki gazu , dzięki czemu uzyskuje się znaczny wzrost natężenia prądu , co przy nadmiernym zwiększaniu napięcia może doprowadzić do uszkodzenia lampy .

Fotokomórki znalazły zastosowanie w przekaźnikach fotoelektrycznych ,

urządzeniach liczących , w filmie dźwiękowym do odczytu ści:

fotorezystory , fotodiody i fototranzystory.

Do badania fotokomórki stosujemy w pracowni rurę fotometryczną . Wewnątrz niej znajdują się fotokomórka oraz żarówka z przesłoną . Drążek z naniesioną podziałką centymetrową umożliwia przesuw żarówki. Zaciski służą do podłączenia zasilania fotokomórki . Rura pokryta jest wewnątrz czarnym , matowym lakierem zmniejszającym niepożądane odbicia . Przesłona pozwala realizować założenie o punktowym źródle światła .

2. PRZEBIEG ĆWICZENIA

1. Łączymy obwód wg. schematu z instrukcji.

;

2. Przy ustalonym napięciu żarówki Uż = 220 V notujemy wskazania mikroamperomierza zmieniając napięcie fotokomórki U_f w zakresie 0 - 75 V co 5 V .

Nie wolno przekroczyć natężenia prądu Imax = 2A .

Tabela pomiarowa 1.

Moc P = 27 W

Odległość fotokomórki od żarówki d = 50 cm .

Lp.	Napięcie Uf [ V ]	Natężenie prądu I [A ]
	5	0,26
	10	0,34
	15	0,36
	20	0,42
	25	0,48
	30	0,54
	35	0,60
	40	0,68
	45	0,76
	50	0,84
	55	0,92
	60	1,02
	65	1,12
	70	1,24
	75	1,40

Na podstawie danych z tab.1 wyznaczono równanie lini trendu charakterystyki

I_f = f(U_f), które ma następują wartość

y = 0,016x + 0,087

3. Przy ustalonym napięciu fotokomórki U_f = 60 V notujemy wskazania mierników zmieniając napięcie żarówki w zakresie 50 - 220 V co 10 V .

Tabela pomiarowa 2.

Napięcie fotokomórki U_f = 60 V

Odległość fotokomórki od żarówki d = 50 cm

Lp.	Napięcie Uż [ V ]	Natężenie prądu [A]	Moc żarówki P [W]
1	50	0	2,5
2	60	0	3,2
3	70	0,02	4,2
4	80	0,04	5,1
5	90	0,06	6,3
6	100	0,08	8,0
7	110	0,12	9,0
8	120	0,15	10,0
9	130	0,20	12
10	140	0,26	13,5
11	150	0,34	15,0
12	160	0,40	16,5
13	170	0,50	18,0
14	180	0,60	20,0
15	190	0,70	21,5
16	200	0,80	23,5
17	210	0,94	25,0
18	220	1,06	27,0

4. Przy ustalonych wartościach napięcia fotokomórki U_f = 60 V i żarówki

Uż = 180 V zmieniamy odległość żarówki od fotokomórki d od 60 cm do odległości minimalnej , przy której I_f < 2 A .

Tabela pomiarowa 3.

Moc Żarówki P = 22 W

Napięcie fotokomórki U_f = 60 V

Napięcie żarówki Uż = 180 V

Lp.	Odległość d [ cm]	Natężenie prądu [A]
	60	0,44
	58	0,46
	56	0,48
	54	0,52
	52	0,56
	50	0,60
	48	0,65
	46	0,70
	44	0,75
	42	0,82
	40	0,88
	38	0,98
13	36	1,08
14	34	1,20
15	32	1,42
16	30	1,60
17	28	1,72
18	26	1,93

3. WYKRESY

Rysujemy wykresy zależności natężenia prądu fotokomórki od:

a) napięcia fotokomórki I= f(U_f )

b) napięcia I=f(Uż)

c) mocy żarówki I= f(P),

d) odległości I= f(d)

e) kwadratu odwrotności odległości

4. Analiza błędów.

W przypadku stosowania mierników elektrycznych np. woltomierzy , amperomierzy , watomierzy , metoda określania błędu pomiarowego zależy od zastosowanego rodzaju wskazywania wartości .

Klasa mierników analogowych określa błąd procentowy odpowiadający maksymalnemu wychyleniu ( wartości stosowanego zakresu ) .

Błąd bezwzględny oznacza odchylenie wyniku pomiaru od wartości „rzeczywistej” i podawany jest w jednostkach wielkości mierzonej.

Określa go wzór :

Błąd bezwzględny nie zależy od wartości wielkości mierzonej .

Natomiast błąd względny wyrażany jest stosunkiem błądu bezwzględnego do wielkości mierzonej zgodnie z wzorem

będzie zwiększał się przy spadku wielkości mierzonej.

1. Obliczenie błędów pomiarowych.

Dane mierników.

Mierniki	Klasa [%]	Zakres
Woltomierz Uż	0.5	300
Woltomierz Uf	0.5	75
Watomierz	0.5	50
Mikroamperomierz	1	2

Błąd odczytu na podziałce drążka służącego do przesuwania żarówki wewnątrz rury wynosi:

Wartość błędu bezwzględnego jest stała i zależy od: klasy, zakresu miernika i dokładności odczytu, a nie zależy od wartości wielkości mierzonej. Dlatego błędy zaznaczone na wykresach w postaci prostokątów błędów, dla danej wielkości mierzonej są stałe i równe 2 × ΔX poszczególnych mierników.

Dla wykresu I = f(1/d²) analizę błędu przeprowadzamy metodą różniczki zupełnej. Obliczamy :

wartości obliczeń zestawiono w tabeli:

Lp.	d [cm]
1	60	2.778	0.024
2	58	2.973	0.026
3	56	3.189	0.029
4	54	3.429	0.032
5	52	3.698	0.036
6	50	4.00	0.04
7	48	4.34	0.046
8	46	4.726	0.052
9	44	5.165	0.059
10	42	5.669	0.068
11	40	6.25	0.079
12	38	6.925	0.092
13	36	7.716	0.108
14	34	8.65	0.128
15	32	9.76	0.156
16	30	11.11	0.185
17	28	12.75	0.238
18	26	14.79	0.294

Jak widać z obliczeń wartość błędu wzrasta stosunkowo szybko ze zmniejszaniem się odległości d.

5. WNIOSKI

Wykresy I=f(P), I=f(Uż), I=f(Uf) oraz I=f(d) odpowiadają funkcją potęgowym. Trzy pierwsze o dodatnim współczynniku stojącym przy najwyższej potędze, a czwarty - o współczynniku ujemnym. Natężenie potęgowo rośnie wraz ze wzrostem P, Uż i Uf, a maleje ze zwiększeniem odległości.

Zależność I=f(1/d²) może posłużyć do wyznaczenia prądu fotokomórki znając jej odległość od źródła światła Jak widać z obliczeń wartość błędu wzrasta stosunkowo szybko ze zmniejszaniem się odległości d.

---