К основным рабочим характеристикам фотоэлемента относятся: 1) вольтамперная характеристика – зависимость анодного тока (фототока) от анодного напряжения, 2) люкс-амперная характеристика характеристика – зависимость фототока от освещенности фотокатода. Эти

ния, измерьте величину фототока при 5–7 положениях фотоэлемента на оптической скамье. Результаты измерения фототока при различных расстояниях фотоэлемент - источник света занесите в таблицу 2. С помощью люксметра определите освещенность, создаваемую источником света в положениях, которые занимал фотоэлемент в предыдущих измерениях. Результаты занесите в таблицу 2.

Таблица 2.

r
I
Е

Постройте графики функций I=I(r) и I=I(Е).

3.4. Расчет чувствительности фотоэлемента и квантового выхода.

Световой поток, падающий на фотоэлемент, можно найти, зная освещенность Е катода и его площадь S:

Ф=ЕS (3)

Освещенность катода определяют при помощи люксметра. Площадь катода фотоэлемента находят, измерив диаметр колбы фотоэлемента. Используя соотношения ( 1 ) и ( 2 ), определите чувствительность вакуумного фотоэлемента при токе насыщения.

3.5. Пользуясь формулой ( 2 ) и результатами пункта 3.3, оцените величину квантового выхода для вакуумного фотоэлемента.

4. Вопросы и упражнения.

1. Что такое внешний фотоэффект?

2. Назовите закономерности внешнего фотоэффекта.

3. Приведите уравнение Эйнштейна для фотоэффекта.

4. Поясните механизм внутреннего фотоэффекта и физический смысл уравнения Эйнштейна.

5. Объясните различия в ходе вольтамперных характеристик вакуумного и газонаполненного фотоэлементов.

6. Что такое красная граница фотоэффекта?

7. Почему в фотоэлементах, работающих в области видимого света, светочувствительный слой делают из щелочных металлов?

8. Какие закономерности фотоэффекта не удается объяснить с помощью волновой теории света?

Лабораторная работа № 5

Исследование фотоэлементов

Цель работы: ознакомление с явлением внешнего фотоэффекта, устройством и принципом действия фотоэлементов, исследование зависимости фототока от анодного напряжения и освещенности, расчет чувствительности и квантового выхода фотоэлемента.

Литература:

1. С.Э. Фриш, А.Ф.Тиморева. Курс общей физики. Т.3. - М.: Наука. 1953. §§ 330-332.

2. Э.В. Шпольский. Атомная физика. Т.1. -М.: Наука. 1982.§ II7-II8.

3. И.В. Савельев. Курс общей физики. Т.3. -М.: Наука.1982.§9.

Приборы и принадлежности: вакуумный и газонаполненный фотоэлементы, выпрямитель ВУП-2, выпрямитель ВС - 24, вольтметр, миллиамперметр, люксметр, лампа накаливания.

1. Введение

Фотоэлементы, действие которых основано на внешнем фотоэффекте [1,2], бывают вакуумные и газонаполненные. На рис. 1 приведены вольтамперные характеристики вакуумного и газонаполненного фотоэлементов. Отметим, что фототок в вакуумном фотоэлементе (при постоянном световом потоке Ф) при увеличении анодного напряжения растет и достигает насыщения. Фототок в газонаполненном фотоэлементе при увеличении анодного напряжения плавно нарастает. При достаточно большом анодном напряжении (~300 В) сила тока резко увеличивается – начинается самостоятельный разряд (отмечен на рис. 1 штриховой линией). При возникновении самостоятельного разряда необходимо уменьшить анодное напряжение, так как происходит разрушение светочувствительного слоя фотоэлемента.

Рис. 1. Вольтамперные характеристики вакуумного (1) и газонаполненного (2) фотоэлементов (при Ф =const ).

К основным рабочим характеристикам фотоэлемента относятся: 1) вольтамперная характеристика – зависимость анодного тока (фототока) от анодного напряжения, 2) люкс-амперная характеристика характеристика – зависимость фототока от освещенности фотокатода. Эти характеристики исследуются в работе экспериментально.

Чувствительность фотоэлемента γ – отношение фототока к световому потоку Ф, падающему на фотоэлемент

( 1 )

Чувствительность фотоэлемента зависит от анодного напряжения и спектрального состава света; для вакуумного фотоэлемента γ определяют в области насыщения.

Квантовый выход фотоэлемента δ есть отношение числа электронов, достигающих анода, к числу падающих на катод фотонов:

( 2 )

В данной работе оценка квантового выхода вакуумного фотоэлемента проводится по значению энергии кванта в средней части видимого света.

λ = 550 нм, е – заряд электрона, А – коэффициент перевода фотометрических величин в энергетические (А = 0,0016 Вт/лм),h – постоянная Планка, ν – частота излучения на длине волны λ.

2. Описание экспериментальной установки

Установка состоит из источника анодного напряжения ВУП-2, фотоэлемента, измерительных приборов. Источником света является лампа накаливания с источником питания ВС - 24. Схема соединения приборов показана на рисунке 2.

Рис. 2. Схема установки для исследования фотоэлементов.

3. Измерение и обработка результатов

3.1. Собрать приборы по схеме, приведенной на рисунке 2.

3.2. Исследовать зависимость тока фотоэлемента от анодного напряжения (получить данные вольтамперной характеристики).

При некотором фиксированном расстоянии между фотоэлементом и источником света и при неизменной силе тока лампы накаливания измерьте величину фототока, постепенно повышая анодное напряжение от 0 до 240 В с шагом 15-20 В. Анодное напряжение и силу фототока занесите в таблицу 1.

Таблица 1.

ЦГ-4	U_а
ЦГ-4	I
СЦВ-4	U_а
СЦВ-4	I

Постройте графики I=I(U) для фотоэлементов обоих типов. Сделайте вывод, какой из них вакуумный, а какой – газонаполненный.

3.3. Исследовать зависимость фототока вакуумного фотоэлемента от освещенности.

Установите на фотоэлементе напряжение, соответствующее фототоку насыщения. Не изменяя силутока в цепи лампы накалива-

БРЯНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

имени академика И. Г. Петровского

КАФЕДРА ОБЩЕЙ ФИЗИКИ

ЛАБОРАТОРИЯ АТОМНОЙ, ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ И ФИЗИКИ ТВЕРДОГО ТЕЛА

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 5

ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОЭЛЕМЕНТОВ

БРЯНСК

2004