Залетова Е.Н. Работа практикума «Изучение явления фотоэффекта»

Цель работы (ее минимальный объем): снять вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента и фоторезистора.

Оборудование: фотоэлемент Ф-9; фоторезистор ФР-765; блоки питания: 0-30 Vи 0-6,3 V; микроамперметр постоянного тока (на 50 или 100 мкА); вольтметры постоянного тока на 50 Vи 15 V(последний — для измерения напряжения на лампах); 2 лампы накаливания на 6,3 В; соединительные провода; миллиметровая бумага.

Примечание. Для выполнения работы автор предлагает изготовленные им приборы, обеспечивающие необходимую чистоту эксперимента. В светонепроницаемый корпус, имеющий форму прямоугольного параллелепипеда, вмонтирован фотоэлемент (или фоторезистор), зажимы которого выведены на переднюю панель прибора. Над фотоэлементом (или фоторезистором) — внутри прибора расположены 2 миниатюрные лампы накаливания (рассчитанные на 6,3 В), зажимы которых, схема их соединения и тумблеры расположены на верхней панели прибора. Лампы могут включаться как по одной, так и параллельно. Все зажимы и тумблеры промаркированы.

Подготовка к лабораторной работе

1. Выполните задания.

1) Опишите назначение, устройство и принцип действия вакуумного фотоэлемента.

2) Сформулируйте и объясните законы внешнего фотоэффекта.

3) Начертите в одних осях координат 2 вольт-амперные характеристики вакуумного фотоэлемента (при различных световых потоках) и объясните зависимости, которые они выражают.

4) Опишите назначение и принцип действия фоторезистора.

5) Начертите в одних осях координат 2 вольт-амперные характеристики фоторезистора (при различных световых потоках) и объясните зависимости, которые они выражают.

2. Изучите ориентировочное описание хода работы и, руководствуясь им, выполните работу.

Ориентировочное описание хода работы

I. Снятие вольт-амперной характеристики вакуумного фотоэлемента.

1. Установите на блоке питания переключатели «0- 30 V» и «0-6,3 V» в положение «–», а ручки соответствующих потенциометров (внизу) — в крайнее левое положение.

2. Соберите цепь фотоэлемента по схеме рисунка 1, используя клеммы «0-30 V».

Рис. 1

3. Соберите другую цепь: подключите лампы накаливания к клеммам «0-6.3 V», а к лампам — вольтметр на 15 V.

4. Включите блок питания нажатием черной кнопки.

5. Включите одну лампу (тумблером «Вкл Л1». Установите на ней напряжение 3 В (ручкой потенциометра «0-6,3 V»).

6. Изменяя напряжение на фотоэлементе от 0 до 15-30 В ручкой потенциометра, снимите 5-7 показаний приборов (причем минимум 3 из них должны соответствовать фототоку насыщения). Результаты измерений запишите в таблицу:

Таблица 1

7. Уменьшите напряжение на фотоэлементе до 0 V.

8. Включите вторую лампу (параллельно первой) — тумблером «Вкл Л2».

Напряжение на лампах из-за этого сразу же уменьшится (объясните, почему?).

9. Снова установите на лампах такое же напряжение, как и на одной (3 В).

10. Повторите опыты при большей освещенности фотоэлемента.

11. Уменьшите напряжение на фотоэлементе до 0 V.

12. Уменьшите напряжение на лампах до 0 V.

13. И только после этого отключите обе лампы (тумблерами).

14. Отключите блок питания нажатием красной кнопки. Примечание. После этого обязательно пригласите преподавателя, чтобы он сам разрядил конденсатор в блоке питания.

15. На миллиметровой бумаге постройте 2 вольт-амперные характеристики фотоэлемента.

16. Сравнив их, сделайте соответствующий вывод.

П. Снятие вольт-амперной характеристики фоторезистора.

1.Соберите цепь по схеме рисунка 2, используя клеммы «0-30 V».

Рис. 2

2. Далее выполните эксперименты с фоторезистором строго в той же последовательности, которая была указана выше для вакуумного фотоэлемента.

Примечание:

3. Занесите результаты измерений в таблицу 2:

Таблица 2

4. Постройте 2 вольт-амперные характеристики фоторезистора.

5. Сравните их, сделайте соответствующий вывод.

III. «Черный» ящик.

Примечание. На корпусах приборов, в которые вмонтированы фотоэлементы и фоторезисторы, отсутствует маркировка.

Установите, в каком из них 1) фотоэлемент, 2) фоторезистор, выполнив соответствующие эксперименты.

IV. Продумайте и предложите методику проведения экспериментов, которые позволили бы Вам определить работу выхода электрона из металла.

Указания.

1. Воспользуйтесь уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта. Запишите его.

2. Какие другие величины Вам понадобится знать? Можно ли определить их экспериментально? Для этого привлеките на помощь:

3. Какое дополнительное оборудование Вам понадобится?

4. Изобразите схему электрической цепи для данного задания.

5. Поставьте эксперименты по Вашей методике.

6. Вычислите работу выхода электрона.

7. По найденной ее величине установите, из какого металла изготовлен катод фотоэлемента (для этого воспользуйтесь справочником).

8. Какую еще характеристику Вы можете рассчитать для данного металла катода?

9. Сделайте обобщающий вывод.

V. Контрольные вопросы для зачета.

1.Есть ли ток в цепи фотоэлемента, открытого для доступа света (см. пункты Iи IV), при отсутствии напряжения на нем?

2. Если «да», то объясните причину его возникновения.

3. Если он невелик, то как его сделать заметным и удобным для наблюдения за его изменениями (или для измерения)?

4. Можно ли его изменять? Если «да», то как?

5. Что такое задерживающее напряжение?

• Каков его физический смысл?

6. Что такое «красная» граница фотоэффекта?

7. Приведите примеры красных границ фотоэффекта для Zn, Na, К, Cs(цезия). Назовите области спектра, в которых они находятся.

8. Что такое фотореле? Каково его назначение? Изобразите схему фотореле и объясните его принцип действия.

9. Приведите примеры применения фотореле:

1) не касающиеся вашей будущей специальности, или

2) прямо относящиеся к ней (или к родственной с ней).

10. Назовите другие области применения фотоэффекта, акцентируя внимание на тех из них, которые имеют отношение к вашей будущей профессии.

11. Решите задачи: 28.16; 28.19; 28.21; 28.23; 28.24 (из «Сборника задач и вопросов по физике» под редакцией Р.А.Гладковой).

Методические рекомендации

1.Общее требование (к пунктам I-III):

на лампы больше 3 В подавать нельзя (подумайте, почему?).

2. Эксперименты, описанные в заданиях I-III,могут быть выполнены аналогичным образом и с фотоэлементами и фоторезисторами других марок.

Дополнительная литература

1. Данилов И.А., Иванов П.М. Общая электротехника с основами электроники. — М.: Высш. шк., 1989. — § 17.1-17.5.

2. Федотов В.И. Основы электротехники. — М.: Высш. шк., 1990. — § 3.1-3.2.

3. Криштафович А.К. Промышленная электроника. — М.: Высш. шк., 1984. — § 4.1-4.2.