ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ

Оси и плоскости тела человека - Тело человека состоит из определенных топографических частей и участков, в которых расположены органы, мышцы, сосуды, нервы и т.д.

Отёска стен и прирубка косяков - Когда на доме не достаёт окон и дверей, красивое высокое крыльцо ещё только в воображении, приходится подниматься с улицы в дом по трапу.

Дифференциальные уравнения второго порядка (модель рынка с прогнозируемыми ценами) - В простых моделях рынка спрос и предложение обычно полагают зависящими только от текущей цены на товар.

I. Снятие световой характеристики

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Явление испускания электронов веществом под действием падающего света получило название фотоэффекта. Различают внешний фотоэффект, когда испущенные электроны покидают пределы тела, и внутреннийфотоэффект, когда электроны, потерявшие связь со своими атомами, остаются внутри тела, изменяя его электропроводность.

Основные закономерности внешнего фотоэффекта впервые были исследованы русским физиком А.Г. Столетовым в 1888-90 г.г. На основании обобщения опытных данных установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта:

1. При неизменном спектральном составе света сила фототока насыщения прямо пропорциональна падающему на катод световому потоку.

2. Максимальная кинетическая энергия вырванных светом электронов линейно растет с увеличением частоты света и не зависит от его интенсивности.

3. Фотоэффект не возникает, если частота света меньше некоторой, характерной для каждого вещества, величины ν_min,называемой"красной границей"фотоэффекта.

Явление фотоэффекта может быть объяснено только, исходя из квантовых представлений о природе света. Развивая квантовую теорию планка, Эйнштейн выдвинул гипотезу, согласно которой не только испускание и поглощение, но и распространение света происходит порциями (квантами), энергия которых пропорциональна частоте света:

( 1 )

Применив закон сохранения энергии для объяснения явления фотоэффекта, Эйнштейн установил соотношение, которое получило название основного уравнения фотоэффекта:

( 2 )

где A – работа выхода электрона из вещества;

– кинетическая энергия вырванного электрона;

h – постоянная Планка.

Согласно Эйнштейну, каждый фотон взаимодействует только с одним электроном. Энергия фотона полностью передается электрону, при этом часть энергии тратиться на совершение работы выхода электрона из вещества, а оставшаяся часть идет на сообщение ему кинетической энергии. Из (2) для красной (низкочастотной) границы фотоэффекта имеем:

(3)

Если подать на фотоэлемент задерживающее напряжение, то электроны будут тормозиться на пути к аноду. При определенной величине задерживающего напряжения будет выполняться соотношение:

(4)

т.е. кинетическая энергия вырванных электронов полностью расходуется на преодоление задерживающего напряжения.

В этом случае даже самые быстрые электроны не достигают анода. Фототок пеерстает существовать и уравнение Эйнштейна (2) с учетом соотношения (4) может быть записано в виде:

(5)

На использовании явления внешнего фотоэффекта основана работа вакуумных и газонаполненных фотоэлементов. Основными характеристиками вакуумного фотоэлемента являются его вольтамперная, световая, спектральная характеристики и интегральная чувствительность.

Под вольтамперной характеристикойпонимают зависимость силы фототока от приложенного напряжения, т.е.

Световой характеристикой называется зависимость силы фототока от величины светового потока, т.е.

, (6)

где – световой поток.

Т.к. величина светового потока определяется по формуле

, (7)

где – сила света источника, а – телесный угол, в котором распространяется свет, равен

то для светового потока справедливо выражение:

, (8)

где – площадь светочувствительного слоя, на который опирается телесный угол (в нашем случае – площадь полусферы), – расстояние от источника света до фотоэлемента.

Под спектральной характеристикой понимают зависимость силы фототока от длины волны падающего света, т.е.

Интегральной чувствительностью фотоэлемента называется отношение силы фототока к величине светового потока .

(9)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Установка для изучения основных характеристик фотоэлемента (рис.1) состоит из оптического рельса, на котором размещаются исследуемый фотоэлемент и источник света. Вакуумный фотоэлемент представляет собой стеклянную колбу, на внутреннюю поверхность которой нанесен слой щелочного металла, служащий катодом. Анод изготовлен в виде металлического кольца. Для питания лампы и фотоэлемента применяют источники постоянного тока. Сила фототока измеряется с помощью чувствительного микроамперметра, напряжение – с помощью вольтметра постоянного тока.

Помимо вакуумных фотоэлементов, чувствительность которых сравнительно невелика (не превышает нескольких микроампер на люмен), применяются газонаполненные фотоэлементы.

В этом случае в колбу вводится какой-либо нейтральный газ (неон, аргон, гелий) при давлении в сотые доли миллиметров ртутного столбика (мм. рт. ст.). При достаточных напряжениях между анодом и катодом электроны, вырываемые светом, под действием электрического поля приобретают такую скорость, что оказываются в состоянии ионизировать частицы газа, наполняющего фотоэлемент (ударная ионизация). Ионы, образовавшиеся таким образом, в свою очередь приходят в движение и ионизируют нейтральные частицы газа. В результате, к аноду устремляется все возрастающая лавина электронов, от чего сила фототока значительно увеличивается, чувствительность фотоэлемента все растет.

В таком фотоэлементе ток насыщения отсутствует, кривая зависимости тока от напряжения довольно круто поднимается вверх. При некотором напряжении, равном потенциалу энергии газа, внутри фотоэлемента образуется самостоятельный разряд (фотоэлемент начинает светиться), при котором фототок уже не будет управляться световым потоком, а начнет самостоятельно и неограниченно возрастать, ионы устремляются при этом к катоду и могут его разрушить. Недостатком газонаполненных фотоэлементов является отсутствие строгой пропорциональности между освещенностью катода и силой фототока, а также относительно большая инертность.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

I. Снятие световой характеристики

Для снятия световой характеристики на оптическую скамью помещают эталонную лампу 21 свечи. Эталонную лампу включают через трансформатор на 6 вольт. Фотоэлемент устанавливается на оптической скамье прозрачной стороной к лампе. Его включают по схеме, где – потенциометр, с помощью которого можно менять напряжение на клеммах фотоэлемента; – вольтметра, измеряющий напряжение; – микроамперметр для измерения фототока (рис.1).

Световой поток, падающий на фотоэлемент, рассчитывается из следующих соображений

где – сила света лампы = 21кд, – телесный угол, внутри которого распространяется световой поток, падающий на светочувствительный слой фотоэлемента (рис.2).

Телесный угол, выраженный в стерадианах, равен отношению площади входного отверстия (круг), диаметр которого равен к квадрату расстояния до источника света. Учитывая все это, световой поток равен

Снятие световой характеристики производим в следующей последовательности:

1. Включаем лампу на 6 вольт и фотоэлемент по схеме, располагая их центры на одной горизонтали.

2. Устанавливают фотоэлемент на расстоянии 10см от лампы и дают на него напряжение ; открывают колпачок, которым обычно закрыт фотоэлемент.

3. Записывают показания микроамперметра в делениях шкалы в таблицу. Зная цену деления микроамперметра, рассчитывают силу фототока в микроамперметрах и заносят в таблицу.

4. Поддерживая на фотоэлементе постоянное напряжение (70В), передвигают его на расстояние 15, 20, 25 и т.д., смотрят и производят не менее пяти измерений фототока.

5. Рассчитывают для каждого расстояния световой поток по формуле:

6. Если площадь светочувствительного слоя для фотоэлемента неизвестна, то измеряют штангенциркулем расстояние и вычисляют площадь круга с диаметром, равным (рис.2).

7. Увеличивают напряжение на фотоэлементе до 100В и всю серию измерений проводят снова.

8. Строят графики зависимости для двух напряжений на фотоэлементе.