Michał Grajoszek
Zadanie nr 4
INFORMATYKA
Data: 21.04.2008
Temat: Badanie fotokomórki gazowanej.
1005 - 1145
Ocena:
Uwagi:
1. Opis ćwiczenia
Zjawisko fotoelektryczne zostało odkryte przez Hertza pod koniec XIX wieku i polega na emisji elektronów z powierzchni metali pod wpływem promieniowania elektromagnetycznego (światła). Jeżeli częstotliwość padającego światła jest stała i nie zmienimy wartości napięcia pomiędzy katodą i anodą, to istnieje prosta proporcjonalności pomiędzy natężeniem fotoprądu, a natężeniem padającego światła.
Stwierdzono, że wybijane elektrony (fotoelektrony) posiadają energię kinetyczną, której wartość zależy od częstotliwości padającego promieniowania, a nie zależy od natężenia padającego promieniowania elektromagnetycznego. Zależność tę wyjaśnił
Einstein zakładając, że światło ma budowę kwantową. Energia fotonu padającego na powierzchnię metalu jest oddawana jednemu z elektronów, a kwant przestaje istnieć.
Jeżeli przekazana energia jest co najmniej równa pracy wyjścia elektronu, może zajść zjawisko fotoelektryczne. Pracą wyjścia W nazywa się minimalną energię konieczną do przejścia elektronu z poziomu Fermiego z ciała stałego do otaczającej go próżni. Poziom Fermiego to poziom wyznaczany w temperaturze zera bezwzględnego, poniżej którego wszystkie stany są obsadzone, a stany leżące powyżej są nieobsadzone lub poziom, którego (dla T>0) prawdopodobieństwo obsadzenia wynosi 0.5.
2. Przebieg ćwiczenia
Celem mojego ćwiczenia było zbadania fotokomórki gazowanej oraz wyznaczenie charakterystyki prądowo–napięciowej oraz świetlnej.
Na początku połączyłem układ według schematu z rys.1, a następnie wykonałem pomiary do charakterystyki prądowo–napięciowej zmieniając napięcie przyłożone do fotokomórki w przedziale 0-100 V co 10 V. Następnie odczytywałem wartość natężenia prądu dla odległości 9, 10 i 11 cm fotokomórki od źródła światła.
Następnie dla charakterystyki świetlnej przy ustalonej wartości napięcia przyłożonego do fotokomórki tj. 80 V, 90 V, 100 V przeprowadziłem trzy pomiary zależności natężenia fotoprądu w fotokomórce od jej odległości, od źródła światła. W tym
celu ustawiłem żarówkę w odległości 9 cm i odsuwałem ją do odległości 20 cm co 1 cm.
Rys. 1. Schemat układu pomiarowego fotokomórki gazowanej.
3. Tabela pomiarowa
Tabela 1 – Pomiary dla charakterystyki prądowo–napięciowej: d = 9 cm
d = 10 cm
d = 11 cm
U [V]
I [μA]
U [V]
I [μA]
U [V]
I [μA]
0
0
0
0
0
0
10
9
10
8
10
6
20
13
20
11
20
9
30
21
30
16
30
14
40
25
40
21
40
17
50
31
50
25
50
21
60
36
60
29
60
25
70
40
70
34
70
28
80
46
80
37
80
30
90
51
90
40
90
33
100
54
100
43
100
35
Tabela 2 – Pomiary dla charakterystyki świetlnej: U = 80V
U = 90V
U = 100V
d [cm]
I [μA]
1/d²
d [cm]
I [μA]
1/d²
d [cm]
I [μA]
1/d²
[1/cm²]
[1/cm²]
[1/cm²]
9
44
0,0123
9
46
0,0123
9
49
0,0123
10
36
0,0100
10
38
0,0100
10
40
0,0100
11
30
0,0083
11
32
0,0083
11
34
0,0083
12
25
0,0069
12
27
0,0069
12
28
0,0069
13
21
0,0059
13
23
0,0059
13
24
0,0059
14
18
0,0051
14
20
0,0051
14
22
0,0051
15
15
0,0044
15
17
0,0044
15
19
0,0044
16
14
0,0039
16
15
0,0039
16
17
0,0039
17
12
0,0035
17
14
0,0035
17
15
0,0035
18
11
0,0031
18
12
0,0031
18
14
0,0031
19
10
0,0028
19
11
0,0028
19
13
0,0028
20
9
0,0025
20
10
0,0025
20
11
0,0025
4. Obliczenia
Wyliczam stosunek 1/d2 dla charakterystyki świetlnej przykładowo dla d = 9 cm: 1/d2 = 1/92 = 0,0123 [1/cm2]
Niepewności pomiarowe w przypadku fotokomórki dotyczyły mierników oraz odległości fotokomórki od źródła światła.
Wyznaczam niepewność wzorcowania dla woltomierza (ΔU): gdzie:
zakres – 150V
klasa przyrządu – 0,5
1 działka – 2V
ΔU = 2,75 V
Wyznaczam niepewność wzorcowania dla mikroamperomierza (ΔU): gdzie:
zakres – 75µA
klasa przyrządu – 0,5
1 działka – 1µA
ΔU = 1,375 µA
Błąd całkowity współczynnika y=1/d2 obliczam korzystając z pochodnej, mnożąc ją jeszcze przez błąd Δed = 5mm:
U(y) = (Δ(1/d2)) * eU(d)
gdzie:
eU(d) = Δed = 5mm
U(y) = 2/d3 * eU(d)
U(y) = 2/(1mm)3 * 5mm = 10 mm-2
5. Charakterystyka
Charakterytyka prądowo-napięciowa I=f(U) 60
50
40
]A 30
I [μ
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
U [V]
d=9cm
d=10cm
d=11cm
Liniowy (d=9cm)
Liniowy (d=10cm)
Liniowy (d=11cm)
Charkterystyka świetlna I= f(1/d²) U=80V
50
40
] 30
A
I[μ 20
10
0
0
0,005
0,01
0,015
Charkterystyka świetlna I= f(1/d²) U=90V
60
50
40
]A 30
I[μ 20
10
0
0
0,005
0,01
0,015
Charkterystyka świetlna I= f(1/d²) U=100V
60
50
40
]A 30
I[μ 20
10
0
0
0,005
0,01
0,015
6. Wnioski
W ćwiczeniu wyznaczyłem charakterystykę prądowo–napięciową i świetlną fotokomórki. W charakterystyce prądowo–napięciowej można zauważyć, że wraz ze wzrostem napięcia na fotokomórce fotoprąd rośnie niezbyt liniowo. Wartość jego wzrostu zależna jest od odległości fotokomórki od źródła światła, im ta odległość większa tym fotoprąd słabiej rośnie. W charakterystyce świetlnej natomiast fotoprąd malał liniowo wraz ze wzrostem odległości pomiędzy fotokomórką, a źródłem światła. Dzieje się tak dlatego, gdyż oddalając żarówkę od fotokomórki zmniejszamy strumień światła padający na fotokomórkę. Dzięki temu zmniejsza się ilość elektronów wybijanych z katody, a więc maleje wartość fotoprądu. Wartość fotoprądu była także zależna od napięcia na fotokomórce im było ono większe tym fotoprąd uzyskiwał większe wartości.
Prawo Lamberta mówi, że wielkość absorpcji światła ABS jest wprost proporcjonalna do grubości ośrodka l przez które to promieniowanie przechodzi.