Работа 9. ИЗУЧЕНИЕ ЯВЛЕНИЯ ВНЕШНЕГО ФОТОЭФФЕКТА
Цель работы:
Исследование зависимости фототока от анодного напряжения при постоянном световом потоке (снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента) и изучение зависимости силы фототока насыщения от светового потока.
Описание установки
Принципиальная схема рабочей установки для изучения внешнего фотоэффекта приведена на рис. 9.1
Рис. 9.1
Здесь: Л – источник света (лампа накаливания), Ф – вакуумный фотоэлемент, К – ключ для подачи переменного напряжения, УИП – универсальный источник питания, Rф – потенциометр для плавного изменения напряжения, подаваемого на фотоэлемент, ℓ - шкала для измерения расстояния между лампой и фотоэлементом.
Элементы Л и Ф заключены в трубу прямоугольного сечения и, таким образом, изолированы от внешних источников света. Фотоэлемент помещен на тележку, которая с помощью специального устройства передвигается внутри трубы, при этом указатель расстояния между Л и Ф перемещается по шкале ℓ.
Если на фотоэлемент направить поток света и создать между анодом и катодом разность потенциалов Uф, то фотоэлектроны, ускоряемые электрическим полем, полетят к аноду. В электрической цепи возникнет фототок, величина которого зависит от интенсивности и спектрального состава света. Фототок Iф, измеряемый микроамперметром, растет с напряжением Uф, достигает насыщения (Iф = Iн) и дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к увеличению тока. Зависимость Iф(Uф) при неизменном световом потоке (Ф = const), падающем на фотоэлемент, называется вольтамперной характеристикой фотоэлемента.
В работе измеряется также световая характеристика фотоэлемента,которая определяет зависимость тока насыщения Iн от величины светового потока Ф. В соответствии с законом Столетова зависимость Iн(Ф) изображается прямой линией:
Iн = k·Ф. (9.6)
Считая источник света точечным, световой поток вычислим по формуле:
(9.7)
Световой поток Ф выражается в люменах (лм), сила света источника I0 в канделах (кд), расстояние ℓ - в метрах (м), а площадь светочувствительного слоя фотоэлемента S – в м2. Значения I0 и S указаны на установке.
Порядок выполнения работы
Снятие вольтамперной характеристики фотоэлемента.
1.Установить фотоэлемент на расстояние ℓ1, указанное преподавателем.
2. Включить постоянное напряжение Uф и установить с помощью потенциометра минимальное значение напряжения Uф
3. Включить лампу Л, замкнув ключ К, и снять показание микроамперметра Iф. Занести полученные значения в таблицу 9.1.
4. Увеличивая напряжение Uф, измерять Iф до тех пор, пока не установится ток насыщения. Результаты измерения заносить в таблицу 9.1.
5. Установить другое расстояние ℓ2, указанное преподавателем и повторить измерения.
Таблица 9.1.
| Uф, В | ||||||
| ℓ1= ,м | Iф, мкА | |||||
| ℓ2 = , м | Iф, мкА |
6. Построить график зависимости Iф(Uф).
Снятие световой характеристики фотоэлемента.
1.Фотоэлемент расположить на наименьшем расстоянии ℓ и установить минимальное значение Uф.
2. Постепенно увеличивая значение Uф, определить Iн при данном ℓ. Результаты занести в таблицу 9.2.
3. Удаляя фотоэлемент от лампы, определить ток насыщения Iн еще для двух значений ℓ и занести данные в таблицу 9.2.
Таблица 9.2.
| ℓ, м | |||
| Iн, мкА | |||
| Ф, лм | |||
| k, мкА/лм |
4.Для каждого значения ℓ вычислить световой поток Ф по формуле (9.7).
5.Вычислить интегральную чувствительность k = Iн/Ф.
6. Найти kср, абсолютную погрешность Δk и относительную ошибку δk.
7. Записать результат измерений в виде k=kср 
Δk.
8. Построить график зависимости Iн(Ф).
Контрольные вопросы
1. Какое явление называется внешним фотоэффектом?
2. Сформулируйте экспериментальные законы внешнего фотоэффекта.
3. Что такое вольтамперная характеристика фотоэлемента?
4. Что такое световая характеристика фотоэлемента?
5. Объясните устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.
6. Что такое сила света источника и световой поток? В каких единицах они измеряются?
7. Как определяется интегральная чувствительность фотоэлемента?