Описание экспериментальной установки

Измерение времени жизни неравновесных носителей производится с помощью панели, на которой смонтированы фоторезистор ФСК-1, неоновая лампа ТН-0,2 и полупроводниковый диод. Клеммы панели подключаются к измерительным приборам согласно схеме, приведенной на рис.2.

Рис.2. Принципиальная схема измерительной установки

Исследуемое фотосопротивление освещается короткими импульсами света от лампы ТН-0,2. Неоновая лампа загорается, когда переменное синусоидальное напряжение, вырабатываемое ЗГШ, достигает напряжения зажигания – U₃. Для уменьшения частоты световых вспышек (чтобы лампа загоралась один раз за период колебаний напряжения), в ее цепи питания включен полупроводниковый диод VD. Частоту вспышек можно изменять с помощью регулятора частоты ЗГШ.

Измерение и обработка результатов

Собрать установку по схеме рис.2.  

Неоновую лампу подключить к клеммам ГЗШ “общ” и “5000 Ом”. 

1. Ознакомиться с правилами эксплуатации осциллографа. Включить осциллограф и дать ему прогреться в течение 3-5 мин. Включить генератор ЗГШ и ВУП-2.

2. Рукояткой "Усиление" ЗГШ добиться загорания неоновой лампы ТН-0,2. Рукоятками регулировки входного напряжения ВУП-2 и "Усиление" на осциллографе добиться, чтобы вертикальный размер осциллограммы составлял 3 см.

3. Добиться устойчивой осциллограммы, соответствующей рисунку 1.

4. Зная скорость горизонтальной развертки осциллографа, по осциллограмме (по шкале на экране осциллографа) определить время жизни неравновесных носителей – время, за которое величина сигнала уменьшится в ераз.

5. Повторить 5-7 раз операции пунктов 4 и 5, изменяя частоту подаваемых от ЗГШ колебаний. Данные занести в таблицу 1.

6. Найти среднее значение <t>.

7. Оценить погрешность измерения.

Таблица 1

№ п/п	f	t	t

Вопросы и упражнения

1. Что такое электропроводность?

2. Чем вызвано сопротивление проводников?

3. В чем состоит явление фотопроводимости?

4. Каково различие между равновесными и неравновесными носителями?

5. Дайте определение времени жизни неравновесного носителя.

6. Чем обусловлена большая инерционность фотосопротивлений?

7. Где применяют фотосопротивления?

 

 

Лабораторная работа №7

Изучение законов теплового излучения

Цель работы:

определение постоянной Стефана-Больцмана и постоянной Планка.

Приборы и принадлежности:

лампа накаливания К-21-150, выпрямитель ВС-24, оптический пирометр “Проминь”, селеновый фотоэлемент, милливольтметр, красный и синий светофильтры.

Литература:

1. И.В.Савельев. Курс общей физики. т. 3. – М.: Наука. 1982. Гл. 1.

2. Д. В. Сивухин. Общий курс физики. т. 5, часть1. – М.: Наука. §2. 

3. Э.В.Шпольский. Атомная физика. т. 1. – М.: Наука. 1982. т. 1. Гл. 6.

Введение

Тепловым излучением называют излучение электромагнитных волн телами за счет энергии теплового движения частиц составляющих это тело. Любое тело одновременно излучает и поглощает электромагнитные волны. Тепловое излучение тел описывается несколькими законами.

· Закон Кирхгофа утверждает:

отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности  в узком интервале длин волн от l до l +d l  не зависит от природы тела, а является универсальной функцией температуры и длины волны:

.                                             (1)

Поглощательная способность абсолютно черного тела тождественно равна единице (), поэтому функция описывает излучательную способность абсолютно черного тела. Тело, у которого поглощательная способность меньше единицы называют серым. Из закона Кирхгофа следует, что излучательная способность серого тела равна

.                                                        (1а)

· Исследования Стефана и Больцмана показали, что

интегральная излучательная способность – энергетическая светимость – абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

,                                                         (2)

где s – постоянная Стефана-Больцмана.

Два количественных закона, установленных Вином, не имеют непосредственного отношения к решению задач, поставленных в данной работе.

Характеристики теплового излучения, входящие в законы (1) и (2) определяют следующим образом.

· Энергетическая светимость R – энергия электромагнитного излучения, излучаемая  в единицу времени единицей площади поверхности тела во всем интервале длин волн от нуля до бесконечности. Энергетическая светимость является интегральной характеристикой излучения.

· Излучательная способность тела  (или испускательная способность, или спектральная плотность излучательности) равна первой производной энергетической светимости R по длине волны излучения l:

.                                                                (3)

Излучательная способность определяет энергию, излучаемую  в единицу времени единицей площади поверхности тела в единичном интервале длин волн. Излучательная способность является спектральной характеристикой.

· Поглощательная способность тела а_l,Т – также спектральная характеристика: она равна отношению потока энергии, поглощенного поверхностью тела к  потоку энергии, падающему на его поверхность:

.                                                                        (4)

Поглощательная способность показывает, какую часть или долю энергии электромагнитных волн падающих на поверхность, поглощает поверхностью тела.

Отношение интегральной испускательной способности реальных R_СЕР тел к интегральной испускательной способности R абсолютно черного тела при одной и той же температуре меньше единицы. Экспериментальная зависимость отношения

                                       (5)

от температуры для вольфрама (из которого делается нить накала лампы, служащей источником света)  дана на рис.1.

Рис. 1. Зависимость коэффициента АТ от температуры.

В установившемся – стационарном режиме работы электрической лампочки мощность электрического тока Р, идущая на нагрев ее нити накала, почти полностью уходит в окружающее пространство в виде излучения. Можно записать:

,                                                      (6)

где I – сила тока накала лампы, U – напряжение накала, S- площадь поверхности нити накала лампы. Из соотношения (6) следует:

                                                                   (7)

Явный вид функции, описывающей излучательную способность абсолютно черного тела, был найден М. Планком:

,                                                     (8)

здесь h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, k – постоянная Больцмана, l – длина волны излучения.

Используя соотношения (1а) и (8), выразим отношение спектральных излучательных способностей серого тела для двух длин волн l₁ и l₂ (в эксперименте l₁ и l₂ соответствуют спектральным интервалам, пропущенным светофильтрами):

.                                (9)

Поскольку для длин волн, лежащих в видимой области спектра, выполняется условие exp(hc/kTl)>>1, то в формуле (9) можно пренебречь единицей. Тогда имеем:

.                                     (10)

Запишем соотношение (10) для двух температур излучающего тела – T₁ и T₂ и поделим их почленно:

                   (11)

Рис. 2 Поглощательная способность вольфрама для различных длин волн в зависимости от температуры.

Рассмотрим коэффициент , содержащийся в формуле (11). Из рисунка 2, на котором представлена зависимость поглощательной способности а _lТ  для вольфрама от температуры следует, что этот коэффициент близок к единице и его можно опустить:

.                                  (12)

Полученное выражение связывает постоянную Планка h с излучательной способностью тела на различных длинах волн при различных температурах. Логарифмируя соотношение (12), и решая полученное уравнение относительно h, получим:

,                                         (13)

где введено обозначение

                                                   (14)