Опис вимірювального приладу.

Світло лазера Л (рис. 6) падає на дифракційну гратку ДГ. Досліджувальна дифракційна картина розташована за граткою, її можна побачити на екранній лінійці ЕЛ за граткою, на якій нанесені міліметрові поділки. Спостерігач розташований за лазером. Дифракційні максимуми він бачить спроектованими на екранну лінійку.

При такому способі спостереження в формулі (12) маємо L – відстань від дифракційної гратки до лінійки, - відстань від центрального максимуму до спостережуваного максимуму.

Примітка: вмикати лазер тільки під керівництвом лаборанта, не допускати потрапляння лазерного променя в око.

 

4. Контрольні запитання.

1. Яке явище називається дифракцією?

2. Як працює плоска періодична дифракційна гратка? Як розподіляється інтенсивність світла за дифракційною граткою.

3. На яких відстанях за перешкодою картина розподілу світла повністю підкоряється дифракції, а закони геометричної оптики не застосовні до цього розподілу. Чому?

4. Викладіть принцип Гюйгенса - Френеля.

5. Запишіть умови головних дифракційних максимумів при нормальному падінні на гратку паралельних променів. Виходячи з цієї умови поясніть розклад падаючого світла в спектр.

6. В чому полягає методика виконання даної роботи?

 

Домашнє завдання.

Для виконання роботи необхідно вивчити вказані нижче питання по курсу фізики:

Явище дифракції світла. Принцип Гюйгенса – Френеля. Дифракція паралельних променів (дифракція Фраунгофера) на дифракційній гратці.

 

Послідовність виконання роботи.

1. Зібрати на оптичній лаві установку відповідно до схеми наведеній на рис. 6. Виберіть відстань від гратки до екранної лінійки, яка дорівнює 30 см. Площини гратки і екранної лінійки встановити перпендикулярно до лазерного променя.

2. Ввімкнути джерело світла і від’юстувати установку так, щоб світловий пучок проходив через дифракційну гратку, а дифракційна картина спостерігалась на екранній лінійці.

3. Для проведення вимірюванні необхідно дивитися на екранну лінійку вздовж променя, знаходячись за джерелом світла. Якщо установка від’юстована, то на екранній лінійці на однакових відстанях від центрального буде видно головні дифракційні максимуми.

4. Виміряти на екранній лінійці відстань від центрального максимуму до дифракційного максимуму під номером m, для m = 1, -1, +2, -2. Вважати, що на лінійці вправо від щілини розташовані максимуми з номерами m > 0, вліво - максимуми з номерами m < 0.

5. Заміряти відстань спостереження L (рис. 6).

6. Обчислити вимірювані довжини хвилі λ за формулою (12). При цьому для використовувати середнє арифметичне значення

 

при , (14)

 

при . (15)

 

7. Результати вимірювань і обчислень занести в таблицю.

8. Збільште відстань від гратки до екранної лінійки до 40 см. Повторіть проведені вимірювання (п.2 – п.8).

9. Збільште відстань від гратки до екранної лінійки до 50 см. Повторіть проведені вимірювання (п.2 – п.8).

10. За результатами вимірювань визначите середнє значення довжини світлової хвилі.

 

Прилади та обладнання.

1. Оптична лава.

2. Лазер типу ЛГ-28.

3. Екранна вимірювальна лінійка.

4. Дифракційна гратка.

 

Література.

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.2. М.:Наука. 1979.

2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.:Наука.. 1976.

3. Зисман ГА. Тодес О.М. Курс общей физики, М.: Наука. 1972.

4 Детлаф А. А. Яворский В. М. Курс физики М Высшая школа 1979

 

 

Лабораторне заняття № 4

Вивчення фотоелектрорушійної сили

 

Мета роботи.

Вивчення вентильного фотоефекту в р-п переході.

 

Теоретичні відомості.

Фотоелектрорушійна сила (фотоерс) являє собою різницю потенціалів, що виникає в р-n переході під дією опромінення електромагнітними хвилями.

Так званий р-n перехід виникає в перехідній області напівпровідника з різними типами провідності. На рис. 1. зліва від межі поділу розміщено область напівпровідника р - типу, а праворуч показано напівпровідник n - типу.

 

Виникнення р-n переходу:

 

 

Рис. 1.

 

Різниця концентрації однотипних вільних носіїв електричного заряду в n - і р - областях напівпровідника призводить до дифузії дірок з р - області в n - область і дифузії електронів у протилежному напрямку. Внаслідок цього на межі р - і n - області виникає контактна різниця потенціалів: електрони, що вийшли з n - області, залишають в цій області нескомпенсований позитивний заряд, а дірки, що вийшли з р - області неврівноважений негативний заряд. Дифузія змінює концентрацію носіїв до тих пір, доки не встановиться динамічна рівновага: потік носіїв внаслідок дифузії врівноважується потоком носіїв у зворотному напрямку під дією різниці потенціалів, що виникла на межі р-n переходу.

При опроміненні переходу в р - області виникають додаткові електронно-діркові пари. Вільні електрони з цих пар дифундують до р-n переходу і під дією контактного поля переводяться в n - область. Однак дірки подолати потенціальний бар’єр не в змозі і залишаються в р - області. Тому р- область заряджується позитивно, а n - область негативно, і в р-n переході виникає додаткова різниця потенціалів, її називають фотоелектрорушійною силою (фотоерс). Величина фотоерс визначається природою напівпровідникових матеріалів, що створюють р-n перехід, і залежить від світлового потоку.

Світловий потік Ф від точкового джерела визначається виразом:

 

, (1)

 

де j - сила світла джерела, r - відстань від джерела, σ - площа освітлюваної поверхні.

Отже, залежність величини фотоерс від світлового потоку можна вивчати, визначаючи її як функцію від величини 1/r₂

Явище виникнення фотоерс закладено в основу дії вентильного фотоелемента, в якому світлова енергія безпосередньо перетворюється в електричну.

Основною характеристикою вентильного фотоелемента є його світлова характеристика, тобто залежність величини фотоструму або напруги на його затискачах від величини світлового потоку в різних режимах роботи фотоелемента.

Вентильний фотоефект є одним з видів внутрішнього фотоефекту. Варто відрізняти внутрішній фотоефект від зовнішнього, який полягає у емітуванні електронів з поверхні речовини під дією світла.

 

3. Контрольні запитання.

1. Як і чому виникає внутрішня контактна різниця потенціалів?

2. Що являє собою р-n перехід?

3. Що називається фотоерс і як вона виникає?

4. Від чого залежить величина фотоерс?

5. Що закладено в основу конструкції вентильних фотоелементів?

6. Що називається світловою характеристикою вентильного фотоелемента?

7. В якому режимі знімається світлова характеристика в даній роботі?

8. Яким методом визначається величина фотоерс в даній роботі?

9. Який графік потрібно побудувати за результатами вимірювання в даній роботі?

Домашнє завдання.

Для виконання роботи необхідно вивчити наступні питання: внутрішня контактна різниця потенціалів для металів і напівпровідників; р-n перехід в напівпровідниках; внутрішній фотоефект; виникнення електрорушійної сили в р-n переході; вентильні фотоелементи; напівпровідникові фотодіоди.

 

Лабораторне завдання.

В даній роботі знімається світлова характеристика вентильного фотоелемента при роботі його в режимі фотоерс.

В цьому режимі опір навантаження, на яке працює фотоелемент, повинен бути нескінченно великим, отже електричний струм у зовнішньому колі повинен бути відсутній. Для здійснення такого режиму затискачі фотоелемента можуть бути незамкнутими.

Однак безпосереднє вимірювання фотоерс шляхом вмикання мілівольтметра привело б до виникнення струму в зовнішньому колі, тобто до порушення режиму фотоерс. Тому для вимірювання фотоерс застосовується компенсаційна схема, зображена на рис. 2. На оптичній лаві розміщені джерело світла Л та фотоелемент ФЕ.

 

 

 

Рис. 2.

 

За допомогою потенціометра П підбирається напруга, рівна величині фотоерс і протилежна їй за знаком. Напруга вимірюється мікровольтметром μV. В даному випадку при замиканні ключа К струму в колі не буде, в цьому можна переконатись за допомогою гальванометра G. Баластний опір R_б призначено для обмеження сили струму в колі фотоелемента.

Якщо регулюванням напруги на потенціометрі П не можна звести до нуля покази гальванометра G, то це означає, що не забезпечено зустрічного вмикання фотоерс і компенсаційної напруги.

 

Порядок виконання роботи.

1. Зібрати схему відповідно рис. 2.

2. Розташувати джерело світла Л на найбільшій відстані від ФЕ і виміряти цю відстань.

3. Замкнути ключем К коло фотоелемента і, переміщуючи повзунок потенціометра П, встановити стрілку гальванометра на нульову поділку.

4. Визначити величину фотоерс в цьому випадку, вважаючи її рівною показам мілівольтметра.

5. Такі ж вимірювання здійснити для різних положень джерела світла відносно ФЕ.

6. Вирахувати для всіх вимірювань величину 1/ r², вважаючи, що світловий потік прямо пропорційний до неї.

7. Результати вимірювань та обчислень занести до таблиці:

 

r, см
Е, мВ
1/r^2, см^-2

 

8. Побудувати графік залежності E=f(1/r²).

9. У висновках по роботі зазначити, який вигляд має світлова характеристика вентильного фотоелемента в режимі фотоерс.

Прилади та обладнання.

Джерело світла, фотоелемент, оптична лава, ключ, джерело електричної напруги, потенціометр, баластний опір, мілівольтметр, гальванометр.

Література.

1. Савельев И.В. Курс общей физики. т.2 М., "Наука", 1982, с 77,78

2. Савельев И.В. Курс общей физики. т.З, М., "Наука", 1987, с 65.

З. Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.З, М., "Наука", 1970, с 36.

4. Ландсберг Г.С. Оптика, М., "Наука", 1976, с 180, 181.

5. Кучерук І.М., Горбарчук І.Т. Загальна фізика. Електрика і магнетизм. К., "Вища школа", 1990, сс 41-44.

 

 

Лабораторне заняття № 5