Лабораторная работа № 8 Исследование фотоэлементов с внешним фотоэффектом

Цели работы:

учебные:

- ознакомиться с работой фотоэлемента;

- изучить внешний фотоэффект;

- изучить световые характеристики фотоэлемента;

- экспериментально исследовать фотоэлемент с внешним фотоэффектом;

- построить вольтамперные характеристики фотоэлемента;

воспитательные:

- формирование умения четко организовывать самостоятельную работу;

- формирование осознанных мотивов учения;

- развивать познавательный интерес к электронной технике;

Время выполнения – 2 часа.

Место выполнения работы – компьютерный класс на 11 компьютеров.

Оснащение работы:

- ПК с минимальным набором технического оснащения;

- Windows XP, MS Office;

- программный комплекс Electronics Workbench для разработки радиоэлектрон-ных устройств;

- Усатенко С.Т., Каченюк Т.К., Терехова М.В. Выполнение электрических схем по ЕСКД. Справочник. – М.: Издательство стандартов, 1989.

1 Пояснение к работе

Фотоэффектом называется освобождение (полное или частичное) элек­трона от связей с атомами и молекулами вещества под воздействием света (ви­димого, инфракрасного, ультрафиолетового).

Если электроны выходят за пределы освещаемого вещества (полное осво­бождение), то фотоэффект называется внешним. Если же электроны не только теряют связь только со «своими» атомами и молекулами, но и остаются внутри освещаемого вещества в качестве «свободных электронов» (частичное освобожде­ние), увеличивая тем самым электропроводность вещества, то фо­тоэффект называется внутрен­ним. Внешний фотоэффект наблюдается у ме­таллов. На рисунке 8.1 приведена схема, с помощью которой можно наблю­дать внешний фотоэффект.

Рисунок 8.1 – Схема наблюдения внешнего фотоэффекта

Отрицательный полюс батареи присоединен к металлической пластине К (катод), положительный – к вспомогательному электроду А (анод). Оба элек­трода помещены в откачанный сосуд, имеющий окно F, прозрачное для опти­ческого излучения.

Поскольку электрическая цепь оказывается разомкнутой, ток в ней от­сутствует. При освещении катода К свет вырывает из него электроны фото­электроны), устремляющиеся к аноду, и в цепи появляется ток (фототок). Зависимость силы тока от приложенного напряжения (вольтамперная характе­ристика) имеет вид, данный на рисунке 8.2.

Рисунок 8.2 – График вольт-амперной характеристики

Рисунок показывает, что с увеличением разности потенциалов между анодом и катодом фототок вначале растет, а затем достигает максимального значения I₀, которое называется током насыщения. Очевидно, ток насыщения соответствует максимальному числу электронов, которые могут быть выбиты из катода светом данной интенсивности.

На внешнем фотоэффекте основан физико – технический прибор, называемый вакуумным фотоэлементом.

Катодом вакуумного элемента служит слой металла, нанесенный на внутреннюю поверхность откачанного стеклянного баллона (рисунок 8.3).

Рисунок 8.3 – Схема фотоэлемента

Анод выполнен в виде металлического кольца, помещенного в центральной части баллона. Большинство современных фотоэлементов имеют сурьмяно - цезиевые катоды или кислородно - цезиевые катоды, обладающие высокой фоточувствительностью.

2. Запустить программу ELECTRONICS WORKBENCH. Создать файл lab8.cir, собрать схему согласно рисунку 8.4. Выполнить зада­ния на экспери­ментальные исследования и методические указания к ним.

Рисунок 8.4 – Схема исследования

Задание 2.1 Измерение вольтамперные характеристики (ВАХ) фотоэлемента

2.1.1 Включите источник света, изменяя напряжение между анодом и катодом фотоэлемента на 10 В и, оставляя неизменной его освещенность, измерьте значение силы тока. Результаты измерений запишите в таблицу 8.1.

Таблица 8.1- Результаты измерений ВАХ

l1		l2		l3
U	I	U	I	U	I

2.1.2 Повторите п. 2.1.1 для различных освещенностей E (для различных расстояний l между фотоэлементом и источником света).

2.1.3 Постройте семейство вольтамперных характеристик для различных освещенностей Е используя шкалу рисунка 8.5.

Рисунок 8.5 – Шкала для построения ВАХ

Задание 2.2 Измерение световой характеристики фотоэлемента

2.2.1 При постоянном значении напряжения для различных освещенностей

(где Iсв – сила света) снимите значения тока насыщения. Результаты измерений запишите в таблицу 8.2.

Таблица 8.2 – Результаты измерения световой характеристики

l, (м.)	1/l2	Iф (мкА)

2.2.2 Постройте график зависимости фототока от расстояния между фотоэлементом и источником света используя шкалу рисунка 8.6.

Рисунок 8.6 – Шкала для построения световой характеристики

Содержание отчета

1. Название и цель работы

2. Схемы исследуемого устройства

3. Графики по результа­там измерений

4. Выводы по работе

5. Ответы на контрольные вопросы

Контрольные вопросы

1. Что такое фотоэффект?

2. Какое условие необходимо для возникновения внешнего фотоэффекта?

3. Объясните вольтамперную характеристику фотоэлемента, физический смысл задерживающего напряжения U₃ и тока насыщения  J_н.