Лабораторная работа №23. Изучение работы фоторезистора.

Цель работы: ознакомиться с устройством и принципом работы фоторезистора.

Оборудование: конструктор «Знаток».

Теория:  Фотоэлемент  -  двухэлектродный электровакуумный прибор, служащий для преобразования световых сигналов в электрические. Датой его рождения можно считать 1873г, когда учёные Смит и Мейем зафиксировали изменение сопротивление селена под действием света. Это явление получило название внутреннего фотоэффекта или фотопроводимости.

Фотоэлемент состоит из стеклянного баллона с двумя электродами в нем, катодом и анодом.  Электроды выводятся в виде жестких штырей в общий цоколь или разносятся в два самостоятельных цилиндрических вывода. Катод - слой металла с малой работой выхода, покрывающий часть внутренней поверхности баллона. Анодом служит проволочное кольцо (сетка, петля из тонкой проволоки), расположенное так, чтобы не мешать освещению катода. В центре баллона находится небольшое металлическое кольцо - анод фотоэлемента. Чтобы электроды фотоэлемента не окислялись, воздух из баллона выкачан и добавлено небольшое количеством химически инертного газа (гелия), повышающего также чувствительность фотоэлемента.

Рис. Принципиальная схема включения фотоэлемента в электрическую цепь. Здесь Ф – световой поток, падающий на катод фотоэлемента; R - нагрузка, Е - источник высокого постоянного напряжения (примерно 250 В).

Если к аноду и катоду подключить батарею и чувствительный электроизмерительный прибор - гальванометр, то при освещении фотоэлемента стрелка гальванометра отклонится. Значит, внутри баллона фотоэлемента течет ток. Дело в том, что свет, падая на поверхность катода, выбивает с его поверхности электроны. Анод подключен к «плюсу» батареи и поэтому электроны притягиваются к нему. Следовательно, электроны из катода попадают на анод, во внешней цепи появляется электрический ток, заставляющий стрелку гальванометра отклониться. Инертный газ в баллоне увеличивает ток, т. к. электроны, летящие от катода к аноду, сталкиваются с атомами газа и выбивают из них новые электроны, которые также летят к аноду. Образовавшиеся положительные ионы летят к катоду. В результате общий заряд, проходящий между анодом и катодом, получается больше, чем в вакууме. 

Изменяя освещенность фотоэлемента, можно регулировать силу тока. Чем сильнее освещен катод, тем больше электронов вырывается из него и тем больше будет сила тока во внешней цепи. Ток через фотоэлемент при сильной освещенности катода и высоком напряжении на аноде составляет сотни микроампер. В последнее время вместо вакуумных фотоэлементов используются полупроводниковые приборы, например, фотодиоды, фототранзисторы, фоторезисторы и др.

Полупроводниковый фотодиод имеет небольшие размеры, по сравнению с хрупким стеклянным баллоном фотоэлемента. Конструкция фотодиода мало чем отличается от полупроводникового диода: p-n-переход между двумя полупроводниковыми кристаллами с разной электрической проводимостью. При освещении фотодиода один его электрод заряжается положительно, а другой - отрицательно. Если к электродам, соединенным с кристаллами подключить нагрузку, например резистор, то через него потечет постоянный ток. Следовательно, в фотодиоде световая энергия непосредственно превращается в электрическую.  При освещении светом рабочей (светочувствительной) поверхности фоторезистора, его сопротивление уменьшается во много раз.

Фотоаппаратура, автоматы регулировки уличного освещения, охранные и противопожарные системы, солнечные батареи также содержит фотоэлементы.

Фоторезистор – полупроводниковый элемент, сопротивление которого зависит от уровня освещённости. Под действием света сопротивление фоторезистора уменьшается в тысячи раз, в лабораторной работе – от 20 Мом до 250 Ом.

Фоторезисторы при неизменном световом потоке имеют линейную ВАХ, а при изменяющейся освещённости – нелинейную.

Внешний вид и условное обозначение фоторезистора:

Ход работы:

1. Соблюдая полярность, соберите схему 1

2. Замкните выключатель.

3. Заслоните фоторезистор от света. Объясните увиденное. Где может применяться данная схема?

4. Поменяйте местами резистор 100 кОм и фоторезистор. Объясните увиденное.

5. Соблюдая полярность, соберите схему 2а

6. Регулируя реостат, добейтесь, чтобы стрелка гальванометра отклонилась на максимальное значение, но не более отметки 10.

7. Закройте фоторезистор рукой. Закрывая и открывая фоторезистор, наблюдайте за показаниями гальванометра. Сделайте вывод о зависимости сопротивления и силы тока в цепи от освещённости.

8. Отрегулируйте реостат так, чтобы стрелка гальванометра находилась на одном из делений в первой половине шкалы. Учитывая диапазон измерения гальванометра 300 мкА, рассчитайте цену деления и запишите показания в таблицу.

№	U(В)	I(А)	R(Ом)
1
2

9. Разомкните выключатель и подключите ещё одну батарею (схема 2б).

10. Замкните выключатель. Занесите в таблицу новые показания гальванометра.

11. Определите значения напряжения в схемах 2а и 2б и занесите в таблицу.

12. Пользуясь законом Ома для участка цепи R = U/I рассчитайте значение сопротивления фоторезистора с учётом погрешностей.

13. Сделайте вывод о том, выполняется ли для фоторезистора закон Ома.

14. Разомкните ключ. Поменяйте полярность фоторезистора. Сделайте вывод о зависимости сопротивление фоторезистора и силы тока от полярности прикладываемого напряжения.

Контрольные вопросы:

1. Опишите работу и устройство лампового и полупроводникового фотоэлемента.

2. Зачем слой полупроводника в виде волны покрывают лаком?

3. Какова область применения фоторезисторов? Можно ли их использовать в турникетах в метро? на бензоколонках для контроля уровня жидкости?

4. Каковы достоинства и недостатки этих приборов?