Градуировка фотоэлемента и измерение освещенностей

(фотоэлемент как фотоэлектрический датчик)

Цель работы: Научиться использовать фотоэлемент для измерения освещенности, научиться пользоваться люксметром.

Оборудование: селеновый фотоэлемент, микроамперметр, электрическая лампочка, сила света которой известна, вольтметр, ЛАТР.

 

Темы для изучения: Фотоэлектрический эффект и его законы. Уравнение Эйнштейна для фотоэффекта. Внешний фотоэффект. Вакуумный фотоэлемент и фотоэлектронный умножитель. Внутренний фотоэффект. Селеновый фотоэлемент. Люксметр. Законы освещенности.

Краткая теория:

В 1900 г. немецкий физик Макс Планк высказал гипотезу: свет излучается и поглощается отдельными порциями — квантами (или фотонами). Энергия каждого фотона определяется формулой , где  — постоянная Планка, равная ,  — частота света. Гипотеза Планка объяснила многие явления: в частности, явление фотоэффекта, открытого и 1887 г. немецким ученым Генрихом Герцем и изученного экспириментально русским ученым Александром Григорьевичем Столетовым.

Фотоэффект — это явление испускания электронов веществом под действием света. Различают фотоэффект внешний, внутренний, вентильный и многофотонный фотоэффект.

Внешним фотоэффектом называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твердых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация).

Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению электродвижущей силы (ЭДС).

Вентильный фотоэффект является разновидностью внутреннего фотоэффекта, – это возникновение ЭДС (фото ЭДС) при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла (при отсутствии внешнего электрического поля). Вентильный фотоэффект открывает пути для прямого преобразования солнечной энергии в электрическую.

Многофотонный фотоэффект возможен, если интенсивность света очень большая (например, при использовании лазерных пучков). При этом электрон, испускаемый металлом, может одновременно получить энергию не от одного, а от нескольких фотонов.

Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским ученым А.Г. Столетовым. Если зарядить цинковую пластину, присоединенную к электрометру, отрицательно и освещать ее электрической дутой (рис. 1), то электрометр быстро разрядится.

 

Рис.1

 

В результате опытов Столетов получил следующие законы:

— количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 с, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны;

— максимальная кинетическая энергия фото электронов линейно возрастает с частотой света и н зависит от его интенсивности.

Кроме того, были установлены два фундаментальных свойства. Во-первых, безынерционность фотоэффекта: процесс начинается сразу в момент начала освещения. Во-вторых, наличие характерной для каждого металла минимальной частоты — красной границы фотоэффекта. Эта частота такова, что при  фотоэффект не происходит при любой энергии света а если , то фотоэффект начинается даже при малой энергии.

Теорию фотоэффекта создал немецкий ученый А. Эйнштейн в 1905 г. В основе теории Эйнштейна лежит понятие работы выхода электронов из металла и понятие о квантовом излучении света. По теории Эйнштейна фотоэффект имеет следующее объяснение: поглощая квант света, электрон приобретает энергии . При вылете из металла энергия каждого электро на уменьшается на определенную величину, котору называют работой выхода (). Работа выхода -  это работа, которую необходимо затратить, чтобы удалить электрон из металла. Поэтому максимальная кинетическая энергия электронов после вылета (если нет других потерь) равна:  . Следовательно,

 

                                       (1)

Это уравнение носит название уравнения Эйнштейна.

Приборы, в основе принципа действия которых лежит явление фотоэффекта, называют фотоэлементами. Простейшим таким прибором является вакуумный фотоэлемент.

На рис.2. изображена принципиальная схема, с помощью которой можно исследовать внешний фотоэффект. Для этого используется вакуумный фотоэлемент, который представляет собой стеклянный откачанный, например, сферический баллон, в центре которого расположен анод в виде кольца или пластинки. Часть внутренней поверхности баллона покрыта тонким слоем металла, который служит катодом. Освещаемый светом катод называется Фотокатодом.

Рис.2

 

Между анодом и фото катодом источник тока создает электрическое поле. Так как электрическая цепь разомкнута, то при отсутствии света электрический ток через фотоэлемент не идет.

При освещении катода свет вырывает из него электроны, которые под действием сил электрического поля движутся к аноду. В цепи появляется электрический ток, называемый фототоком. Сила фототока измеряется гальванометром G, напряжение между Aнодом и Фотокатодом — вольтметром V.

Изменяя напряжение потенциометром R, находят зависимость силы фототока I от приложенного напряжения U — вольтамперную характеристику.

Недостатками такого фотоэлемента являются слабый ток, малая чувствительность к длинноволновому излучению, сложность в изготовлении, невозможность использования в цепях переменного тока. Применяется в фотометрии для измерения силы света, яркости, освещенности, в кино для воспроизведения звука, в фототелеграфах и фототелефонах, в управлении производственными процессами.

Фотоэлектрический эффект, наряду с явлением вторичной электронной эмиссии, используется в фотоэлектронных умножителях (ФЭУ).

 

Рис.3. Устройство фотоэлектронного умножителя

 

ФЭУ используются для регистрации слабых световых сигналов с помощью многоступенчатого усиления слабых токов и представляют собой (рис. 3) вакуумированную трубку с фотокатодом ФК и анодом А, между которыми расположен набор дополнительных электродов — динодов (D).

Электроны, вырванные светом с фотокатода, попадают на первый динод D₁, пройдя разность потенциалов, имеющуюся между ним и ФК. Ускоренные электроны выбивают из этого динода электронов. Усилившийся электронный поток направляется на второй динод D₂. Поскольку между каждой парой динодов существует ускоряющая разность потенциалов, после каждого попадания на очередной динод количество электронов растёт — происходит умножение электронов. В результате, если в ФЭУ имеется N динодов, на анод попадает N электронов. То есть сигнал усиливается в N раз.

При соблюдении определённых условий (низкая температура, прецизионное изготовление) ФЭУ могут работать в так называемом режиме счёта квантов. То есть появляется возможность регистрировать отдельные световые кванты. Временное разрешение ФЭУ достигает 10^-9с.

Селеновый фотоэлемент представляет собой слой селена, на который напылением наносится тонкий слой серебра, а снизу находится стальная или железная пластинка (рис.4).

Рис. 4. Устройство селенового фотоэлемента.

Процессы, происходящие в селеновом фотоэлементе при действии света.

Свет, падая на прозрачный слой серебра (Ag), частично вступает во взаимодействие с ним, выбивая из него фотоэлектроны, а частично проходит в слой селена (Se), который, поглощая свет, увеличивает свою внутреннюю энергию и нагревается. В результате нагрева селен меняет свою модификацию на кристаллическую, и в этой части селена появляются свободные электроны. Возникает п-р переход (запирающий слой), открытый для дырок и закрытый для электронов. Дырки переходят в нижний слой селена, электроны остаются в его верхнем слое, в результате серебряная и железная пластинки заряжаются разноименно. Таким образом, возникает разность потенциалов, и гальванометр регистрирует ее величину.

Селеновый фотоэлемент, медно-закисный, германиевый, сернисто-таллиевый относятся к вентильным фотоэлементам, большим преимуществом которых является то, что они работают без источника тока.

Люксметр — это специальный прибор для измерения степени освещенности. Работа устройства основывается на таком явлении, как фотоэлектрический эффект. При воздействии света на полупроводниковый фотоэлемент происходит передача от него на электроны энергии. В результате этого осуществляется высвобождение электронов в полупроводниковом объеме, а затем через фотоэлемент наблюдается прохождение тока. Показатель силы тока пропорционален освещенности фотоэлемента. Освещенность измеряется в люксах.

Наблюдения показывают, что освещенность, создаваемая точечным источником света, зависит от силы света I этого источника, расстояния R от источника до освещаемой поверхности и угла падения световых лучей (угла между падающим лучом и перпендикуляром к этой поверхности). Причем это утверждение верно для любого источника.

Пусть точечный источник S освещает небольшую площадку , расположенную на расстоянии R  от источника (рис. 5).

 

Рис. 5.	Рис. 6.

 

 

Построим телесный угол , вершина которого лежит в точке S и который опирается на края площадки . Он равен . Поток, посылаемый источником в этот телесный угол, обозначим через Ф. Тогда сила света , освещенность . Отсюда:

— первый закон освещенности: освещенность поверхности лучами, падающими на нее перпендикулярно, прямо пропорциональна силе света точечного источника и обратно пропорциональна квадрату расстояния от источника до освещаемой поверхности.

Если бы площадка была расположена не перпендикулярно к оси потока, а повернута на угол , то она имела бы размеры (рис. 6), где  - площадка, пересекающая тот же телесный угол перпендикулярно к оси пучка, так что .

Мы предполагаем площадки и настолько малыми и столь удаленными от источника, что для всех точек этих площадок расстояние до источника может считаться одинаковым (R) и лучи во всех точках составляют с перпендикуляром к площадке один и тот же угол (угол падения).

В таком случае освещенность площадки есть

 

 - второй закон освещенности: освещенность поверхности параллельным световым пучком прямо пропорциональна косинусу угла падения.  - обобщенный закон освещенности.

 

Задание 1. Определите цену деления микроамперметра (гальванометра) в люксах.

1. Соберите схему в соответствии с рис.1 или воспользуйтесь готовой лабораторной установкой (пример такой установки, в каторой использован осветитель микроскопа, показан на рис.2).

 

 

Рис. 7

 

2. Установите на электрической лампочке такое напряжение, при котором известна сила ее света І.

3. Установите фотоэлемент на таком расстоянии, чтобы стрелка микроамперметра расположилась на каком - либо его делении n во второй половине шкалы. Измерьте расстояние R от нити лампочки до поверхности фотоэлемента. Данные занесите в таблицу 1.

Таблица-1

№	n, дел	R, м	I, кд	E0 лк\дел
1
2
3
Среднее