Вивчення вольт-амперної характеристики вакуумного фотоелемента.

Прилади та приладдя: фотоелемент, мікроамперметр, вольтметр на 300В, джерело постійної напруги на 300 В, джерело світла, оптичний ослін.

Мета роботи: ознайомитись з властивостями вакуумного фотоелемента.

 

Коротка теорія та методика вимірювань

 

В основу роботи вакуумних фотоелементів покладено явище фотоелектричного ефекту (фотоефекту).

Під фотоефектом мають на увазі явище виривання електронів різними видами випромінювань. Якщо електрони, відірвані світлом від атомів, залишаються в межах тіла, то фотоефект називається внутрішнім, якщо ж електрони виходять за межі тіла, то – зовнішнім.

Явище зовнішнього фотоефекту вперше виявлено Герцем, а потім детально досліджене Столєтовим та іншими вченими. В закономірностях фотоефекту чітко виявляються квантові властивості світла. Теорія зовнішнього фотоефекту розроблена Ейнштейном, який припустив, що світло не тільки випромінюється квантами, як це встановив М. Планк, але й поглинається також квантами. Ейнштейн ввів поняття про частку - фотон, енергія якого пов’язана з частотою світла співвідношенням

ε = h υ, (1)

де h - стала Планка; υ - частота випромінювання.

При дії на речовину світла з довжиною хвилі λ>200нм поглинання світла відбувається в поверхневому шарі речовини. Виявляється справедливим співвідношення Ейнштейна:

h υ = A + mv² /2, (2)

де А - робота виходу електрона з поверхневого шару речовини; mv²/2 - кінетична енергія вирваного електрона.

На основі теорії Ейнштейна успішно пояснються закономірності зовнішнього фотоефекту, а саме той факт, що фотоефект спостерігається не при довільних частотах. Якщо зменшувати частоту падаючого випромінювання, то, згідно з (2), зменшується кінетична енергія вилітаючих електронів, а при деякій частоті υ_k кінетична енергія електронів дорівнює нулю. При ще менших частотах фотоефект не виникає. Ця мінімальна частота, при якій ще спостерігається фотоефект, має назву червоної межі фотоефекту. При частотах, що перевершують граничну частоту, число вирваних фотоелектронів пропорційне падаючому світловому потокові.

В даній роботі досліджується вакуумний сурм’яно–цезієвий фотоелемент з центральним анодом. Цей фотоелемент являє собою скляний балон, на одну половину внутрішньої поверхні якого нанесені один на одний тонкі шари сурьми і цезію шляхом конденсації пари цих металів у вакуумі. Утворене при цьому з’єднання грає роль катода, який має малу роботу виходу для електронів. Червона границя фотоефекту знаходиться у видимій області спектру, тому фотоефект спостерігається при освітленні видимими променями.

Електрони, що вириваються світлом з освітленого катоду, захоплюються на анод електричним полем. Фотострум, що йде в колі фотоелемента і увімкненій батареї, вимірюється мікроамперметром.

В роботі вивчається одна із основних характеристик фотоелементу - залежність сили фотоструму I від прикладеної до фотоелементу напруги U. За даними вимірювань будується графік залежності I = f(U) - вольт-амперна характеристика фотоелемента.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Ознайомтеся з приладами і установкою, зберіть електричне коло за схемою (рис.1,2), застосовуючи джерелом струму випрямляч на 220 В.

2. Установіть джерело світла на відстані 35см від фотоелементу. Установіть найменшу напругу на потенціометрі R, включіть джерело світла в мережу, відкрийте ковпачок фотоелементу і запишіть значення струмів, підвищуючи потенціометром напругу від 0 через 5-10В до максимальної, допустимої діапазоном струмів, вимірюваних мікроамперметром.

 

Рис.1

3. Виконайте вимірювання за пунктом 2 для відстаней 25 та 15см між лампою та фотоелементом.

Рис.2

4. Результати вимірювань занесіть до таблиці. В одній координатній системі I=f(U) побудуйте на міліметровому папері три вольт-амперні характеристики фотоелемента.

 

№	U	I для 15 см	I для 25 см	I для 35 см
…

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Які характерні особливості вольт-амперної характеристики вакуумного фотоелемента?

2. Які причини виникнення струму насичення?

3. Як залежить сила струму насичення від величини падаючого на фотоелемент світлового потоку?

 

Лабораторна робота № 46.

Визначення чутливості напіпровідникового фотоелементу.

Прилади та приладдя: установка з селеновим фотоелементом, мікроамперметр, джерело світла, трансформатор.

Мета роботи: вивчення принципу роботи напівпровідникових фотоелементів і визначення їх чутливості.

Коротка теорія та методика вимірювань

Напівпровідниковий фотоелемент можна схематично представити таким, що складається з приведених до контакту напівпровідників р – і n - типів і двох електродів (рис.1). Електрони (чорні крапки) із n- напівпровідника і дірки (кружки) із р-напівпровідника дифундують через контактний шар і закріпляються на атомах домішки (+ і -) до тих пір, доки виникаюча і зростаюча різниця потенціалів не перешкодить їх подальшому переходові. В результаті цього контактний шар у n - напівпровідника заряджається позитивно, а у р-напіпровідникові - негативно. На грані цих напівпровідників (у р–n-переході) утворюється так званий подвійний електричний шар товщиною 1 (рис.1,а), що створює поле напруженістю Е, спрямоване від n-напівпровідника до р-напівпровідника.

Товщина шару має порядок 10 ^-5см, контактна різниця потенціалів у шарі порядку 0,1 – 0,5В. Таку різницю потенціалів (потенціальний бар’єр) можуть подолати тільки електрони, що мають велику кінетичну енергію, відповідну кільком тисячам градусів. При нормальній температурі шар 1 є непроникним (має надвеликий опір) для переходу електронів у напрямку від n до р, а дірок - від р до n. В зв’язку з цим пограничний шар називають запираючим, а фотоелементи, дія котрих основана на його використанні, носять назву фотоелементів з запираючим шаром. Важливою характерною особливістю електричного поля в області контакту є те, що воно виштовхує в область контакту електрони в n -напівпровідник, а дірки - в р-напівпровідник.

При опроміненні приконтактного шару світлом, енергія фотонів якого достатня для відриву електрона від атому, в напівпровідникові утворюються вільні електрони і дірки. Явище відриву електронів від атомів внаслідок поглинання ними світла називається фотоефектом. Якщо процес завершується виходом електронів за межі речовини, фотоефект називається зовнішнім, якщо ж електрони залишаються всередені речовини - внутрішнім.

Рис. 1

На рис.1,б показано утворення електронів і дірок при освітленні n- напівпровідника. Фотони зображені стрілками. В даному випадку при освітленні напівпровідника внутрішній фотоефект призводить до виникнення вільних електронів і дірок незалежно від того, який напівпровідник освітлюється. Електрони і дірки, що вивільнилися в результаті дифузії, досягають області контакту. Електричне поле виштовхує електрони назад в n -напівпровідник, а дірки перекидаються в р-напівпровідник. В результаті в n - напівпровіднику концентруються електрони, і він заряджається негативно, а на р-напівпровідникові концентруються дірки, і він заряджається позитивно. Між шарами напівпровідників утворюється різниця потенціалів, яка є ЕРС фотоелементу. При замиканні електродів фотоелемента на зовнішнє коло у ньому піде електричний струм (фотострум), величина якого пропорційна кількості дірок, що утворюються в одиницю часу і дифундують через контактний шар. Фотострум приблизно пропорційний падаючому на фотоелемент світловому потокові.

Напівпровідникові фотоелементи є безпосередніми перетворювачами світлової енергії в електричну. Для одержання великих ЕРС і струмів ці фотоелементи збирають у батареї на загальному каркасі, з’єднуючи їх в групи послідовно та паралельно. Батареї, зібрані з напівпровідникових фотоелементів та призначені для використання випромінювання Сонця, дістали назву сонячних. Сонячні батареї мають широке застосування.

В даній роботі вивчається селеновий фотоелемент. Він складається (рис.2) із сталевої пластинки 1, що є одним з електродів, покритої тонким шаром селену 2 з дірковою провідністю. Зверху селену шляхом розпиленння нанесений тонкий напівпрозорий шар срібла 3, що слугує другим електродом. В процесі напилення атоми срібла проникають в прилягаючий шар селену і надають йому електронної провідності; між верхнім та нижнім шарами селену утворюється запираючий шар. Фотоелемент міститься в пластмасовому відкритому зверху корпусі 4, на якому закріплені затискачі, з’єднані з електродами.

Важливою характеристикою фотоелемента є його чутливість. Чутливістю фотоелемента називають відношення величини струму - і, що дає фотоелемент, до величини падаючого на нього світлового потоку Ф

γ = i / Ф. (1)

Чутливість звичайно виражають в мікроамперах на люмен. Світловий потік визначають як добуток освітленості на площу світлочутливого шару фотоелемента: Ф = ES. Освітленість поверхні фотоелемента пропорційна силі світла I, обернено пропорційна квадрату відстані r від джерела світла до фотоелемента і залежить від кута падіння променів α на освітлювану поверхню

E = I cosα / r². (2)

При нормальному падіння променів на фотоелемент косинус дорівнює 1, і чутливість фотоелемента може бути подана як

γ = i / Ф = i r² / IS.

 

Рис. 2 Рис. 3

Якщо D - діаметр діафрагми, відкриваючої світлочутливий шар на поверхні фотоелемента, то S=πD²/ 4, і чутливість фотоелемента подається співвідношенням

γ = . (3)

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть схему згідно з рис. 3. Відведіть лампу розжарення на велику відстань r від фотоелемента.

2. Увімкніть лампу і, поступово наближаючи її до фотоелемента, добивайтеся відхилення стрілки мікроамперметра на 2-3 поділки.

3. Наближаючи лампу через кожні 3 – 5 см, записуйте відстані і відповідні фотоструми.

4. Для кожної відстані обчисліть чутливість фотоелемента за формулою (3). Результати вимірювань і розрахунків подайте в таблиці. Oцініть похибки вимірювань:

 

№№	r	i	I	D	γ	(Δγ)^2
…
Середні значення

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Чому із зменшенням відстані від фотоелемента до джерела світла сила фотоструму збільшується?

2. Який принцип роботи напівпровідникового фотоелемента?

3. Як залежить чутливість фотоелемента від відстані до джерела світла?

 

Лабораторна робота № 47.

Дослідження розчинів оптично активних речовин поляризованим світлом.

Прилади та приладдя: поляриметр, набір циліндричних кювет з розчинами цукру різних концентрацій.

Мета роботи: засвоїти метод визначення концентрацій водних розчинів цукру за кутом повороту площини поляризації світлового променя.

 

Коротка теорія та методика вимірювань

 

Рис. 1

Рис. 2

Світло являє собою сукупність електромагнітних хвиль. Електромагнітна хвиля, як процес поширення в просторі зв'язаних між собою змінного електричного і магнітного полів, носить поперечний характер, тобто напруженості електричного Е та магнітного Н полів в хвилі направлені перпендикулярно до швидкості її поширення v. Крім того вектори Е і Н взаємно перпендикулярні і їх зміна в хвильовому процесі відбувається синфазно (Рис.1). Хімічна та біологічна дія світла в основному пов'язана з електричною складовою поля електромагнітної хвилі. Тому вектор напруженості електричного поля Е називають світловим вектором.

Природне світло випромінюється сукупністю багатьох окремих атомів джерела світла. Цей процес відбувається неузгоджено, як кажуть, некогерентно, тому коливання світлових векторів окремих хвиль для будь-якого променя світла здійснюються в різних, довільно орієнтованих площинах. Таким чином, для природного світла характерний рівномірний розподіл напрямків векторів Е відносно осі променя. Якщо один із напрямків такого розподілу стає переважаючим, то говорять про частково поляризований світловий промінь. Зокрема, коли коливання вектора відбувається тільки в одній площині, то такий промінь називають плоскополяризованим. На рис. 2. схематично зображені б/ - природний промінь світла: в/ - частково і а,г/ - плоскополяризований світлові промені (напрям поширення променя v пер­пендикулярний до площини рисунка, (вектори на рисунку відповідають амплітудним значенням).

Існують різні способи одержання плоскополяризованого світла, але основними є способи, засновані на подвійному заломленні променів, коли в деяких кристалах з’являються два заломлених промені, котрі обидва є плоскополяризовані.

Існують кристали, в яких один з поляризованих променів повністю поглинається, і на виході з кристалу одержують повністю плоскополяризоване світло. Якщо на шляху поширення поляризованого світла поставити подібний кристал, то в залежності від орієнтації кристалу щодо площини поляризації променя, із кристалу може вийти промінь, але може і поглинутися в кристалі. Обладнання, що створює поляризоване світло, називають поляризатором, а те, з допомогою якого можна провести аналіз поляризованого світла, - аналізатором. Якщо після аналізатора при довільних його орієнтаціях по відношенню до падаючого променя виходить світло незмінної інтенсивності, то таке світло або природнє, або поляризоване за колом. В даній роботі поляриметр (цукрометр) складається з поляризатора і аналізатора. Поляризатором П на рис.3 є плівка поляроїду, вставлена у віконце разом зі світлофільтром. Аналізатор А складається із двох поляроїдів з різними площинами пропускання. Світло від одного з поляроїдів потрапляє на одну частину світлового поля, а від другого – на іншу. Інколи цими частинами поля зору є дві половинки кругового поля зору, іноді ж ці дві частини поля зору являють картину, подану на рисунку 3,а. Така конструкція аналізатора забезпечує найбільш точну установку аналізатора, внаслідок чого підвищується точність вимірювань, тому що око найбільше розрізняє контраст освітленостей двох сусідніх ділянок.

Метод вимірювань грунтується на використанні явища повороту площини поляризації. Ряд речовин (кварц, розчини цукру і деяких білків) має властивість повертати площину поляризації світла, що пройшло крізь них. Кут повороту площини поляризації пропорційний товщині шару речовини 1 і концентрації розчину с:

Δψ = α c l. (1)

Величина α називається питомим обертанням або сталою обертання, вона залежить від довжини хвилі світла і характерна для кожної речовини. При малих концентраціях розчинів с залежністю α від с можна знехтувати, що полегшує виміри.

В даній роботі вимірювання проводять так. Дивляться в окуляр поляриметра і повертають аналізатор доти, поки щезне різниця освітленостей різних ділянок світлового поля. При отриманні рівномірної освітленості поля зору треба зафіксувати положення аналізатора по градусній шкалі. Тепер в світловий промінь можна помістити кювету з досліджуваним розчином. Поле зору при наявності кювети з розчином стає неоднорідним, і для досягнення його рівномірної освітленості доводиться повернути аналізатор на кут Δψ, що дорівнює куту повороту площини поляризації променя в розчині. Різниця кутів відліку положень аналізатора з кюветою і без неї визначає кут повороту площини поляризації. Якщо відомо питоме обертання Δψ для досліджуваної речовини, то при відомому куті повороту аналізатора і довжини кювети 1 за формулою (1) можна визначити концентрацію розчину с.

Речовини, що повертають площину поляризації, називають оптично активними. В залежності від напрямку повороту за годинниковою стрілкою чи проти неї - їх поділяють на право– (+) і лівообертаючі (-).

В довідниках для найбільш розповсюджених оптично активних речовин наводяться значення питомого обертання α для жовтого світла натрію при t =20˚С.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Увімкніть освітлювач поляриметра в мережу.

 

Рис.3

 

2. Закрийте кришку труби поляриметра. Спостерігаючи в окуляр маховика аналізатора знайдіть положення, що відповідає рівномірній освітленості поля зору.

3. Користуючись окуляром шкали, зробіть початковий відлік ψ₁ на лімбі градусної шкали.

4. Відкрийте кришку труби поляриметра, помістіть еталонну кювету з відомою концентрацією розчину c₁ і довжиною l₁, закрийте кришку і обертанням маховика аналізатора знову добийтеся рівномірної освітленості поля зору. Зніміть відлік на градусній шкалі ψ₂. За різницею показань визначить Δψ = ψ₁ – ψ₂ - кут повороту площини поляризації.

5. За формулою (1) визначте питоме обертання α для малої концетрації водного розчину цукру, користуючись значенням c₁, l₁ і Δψ.

6. Помістіть в поляриметр одну з кювет з розчином невідомої концентрації, повторіть дії пунктів 2 – 5 і визначте за (1) концентрацію розчину, користуючись знайденним значенням α.

7. Визначте концентрацію розчину в інших кюветах запропонованих викладачем. Результати вимірювань та розрахунків подайте в таблиці:

 

№ кювети	l	ψ 0	ψ	Δ ψ	α	c,%

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Яка різниця між природним та плоскополяризованим світлом?

2. Якою оптично активною речовиною є цукор - праворуч чи ліворуч обертаючою?

3. Чи можна виконати вимірювання, змінивши місцями поляризатор і аналізатор?