ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ
Экспериментальная установка состоит из следующих приборов: электропечи ЭП, приемника излучения (термостолбик ТС), блока управления и индексации (БУИ). Блок-схема установки показана на рис. 5.1.
Электропечь состоит из нагревательного устройства, термопары для измерения температуры, регулятора нагрева и вентилятора.
Отверстие О в электропечи, служащее абсолютно черным телом, выведено на переднюю панель. На передней панели размещены также клавиши «Сеть» и «Вентилятор». На передней панели БУИ размещены цифровые трехразрядные индикаторы напряжения термостолбика и температуры электропечи.
Термостолбик представляет собой несколько последовательно соединенных термопар. Напряжение термостолбика пропорционально мощности падающего на поверхность излучения, которая, в свою очередь, пропорциональна энергетической светимости
Э
R
отверстия
U
Т
P
пад.изл.
Э
R
. (5.11)
Рис. 5.1. Блок-схема установки
u
(мВ) t (°C)
О
вентилятор сеть
БУИ
ТС
Э
Сняв зависимость напряжения термостолбика от температуры электропечи, можно исследовать зависимость энергетической светимости АЧТ от температуры и проверить закон Стефана–
Больцмана.
ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Ознакомиться с устройством экспериментальной установки, ее принципом действия.
2. Убедиться, что установка заземлена.
3. Убедиться в исправности сетевых шнуров.
4. Обязательно охладить печь вентилятором в конце работы, т. к. при работе установки происходит нагрев электропечи до 700 ºС.
ЗАДАНИЕ
Изучение зависимости энергетической светимости АЧТ от температуры.
МЕТОДИКА ВЫПОЛНЕНИЯ ЗАДАНИЯ
1. Установить термостолбик на расстоянии 2–3 см от отверстия печи так, чтобы оси диафрагмы термостолбика и отверстия печи совпадали.
2. Включить кнопку «Сеть» на задней панели БУИ (при этом на нем должны высветиться цифры индикатора). Дать установке прогреться 3–5 минут.
3. Включить электропечь кнопкой «Сеть» на ее передней панели. При этом должна загореться лампочка.
4. По цифровым индикаторам измерительного устройства снять с интервалом 50 ºС зависимость напряжения термостолбика (U
T
) от температуры электропечи. Измерения начать с температуры 50 ºС.
5. По достижении максимальной рабочей температуры 700 ºС выключить нагреватель и нажать кнопку «Вентилятор». При этом выше кнопки должна загореться лампочка. Охладить электропечь до
27 ºС и отключить сначала вентилятор, затем с помощью нажатия кнопки «Сеть» на задней панели БУИ установку.
6. Результаты измерения занести в табл. 5.1. При вычислении Т прибавить поправку ΔТ = Т
комн.
, т. к. термопара измеряет разность температур излучателя и корпуса электропечи. Температуры T
необходимо выразить в термодинамической температурной шкале
(в кельвинах (K)) с помощью соотношения T, K = t,ºC+273.
7. На основе табличных данных построить график зависимости
4
(
)
Т
U
f T
. Через экспериментальные точки провести прямую, наилучшим образом приближенную к экспериментальным точкам.
Для этого можно воспользоваться, например, программой Microsoft
Excel для обработки электронных баз данных: в двух столбцах вставить значения Т
4
и U
Т
, далее выбрать опции «Вставка» →
«Диаграмма» → «Точечная» и с помощью линии тренда аппроксимировать линейной зависимостью. Линейная зависимость
U
T
(T
4
) свидетельствует о справедливости закона Стефана–
Больцмана.
8. Рассчитать постоянную Стефана–Больцмана, учитывая коэффициент пропорциональности
а = 1,9·10 7
А/м
2
между энергетической светимостью АЧТ и напряжением термостолбика
R
e
= а · U
Т
, (5.12)
4 4
tg
e
T
R
aU
a
T
T
, (5.13) где tg α – отношение U
Т
к Т
4
для любой пары точек линейной зависимости U
T
от T
4 9. Сравнить полученные значения σ с табличным (5.10).
Таблица 5.1
t,ºС
U
Т
, В
Т, К
Т
4
, К
4
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление теплового излучения? Какова его природа?
2. Каков физический смысл характеристик теплового излучения?
3. В чем заключается закон Кирхгофа для теплового излучения?
4. Как формулируется закон Стефана–Больцмана и квантовая гипотеза Планка?
5. Как вывести закон Стефана–Больцмана из формулы Планка?
6. Как экспериментально определить постоянную Стефана–
Больцмана?
Требования к содержанию и оформлению отчета Отчет по лабораторной работе должен содержать: 1. Краткое изложение теории, основные характеристики теплового излучения, расчетные формулы. 2. Блок-схему установки. 3. Таблицу с экспериментальными результатами. 4. График зависимости UТ от Т 4 5. Определение по графику значение σ. 6. Вывод, в котором содержится сравнение экспериментального и теоретического значения σ и указаны возможные причины расхождения. Критерии результативности выполнения лабораторной работы Лабораторная работа считается выполненной, если студент: – овладел понятиями спектральной плотности энергетической светимости, законами Стефана–Больцмана и Вина, понимает суть теории М. Планка; – правильно выполнил экспериментальную и расчетную части работы; – правильно построил график зависимости UТ от Т 4 ; – составил отчет, соответствующий предъявляемым к нему требованиям; – сформулировал выводы о проделанной работе; – грамотно ответил на все контрольные вопросы.
5.2. Лабораторная работа № 8 (93)
Изучение явления внешнего фотоэффекта
ЦЕЛЬ РАБОТЫ
Снятие вольт-амперной характеристики внешнего фотоэффекта, определение постоянной Планка.
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
Явление вырывания электронов из вещества под действием
света называется внешним фотоэффектом.
В 1888–1890-е гг. А. Г. Столетов систематически исследовал фотоэффект с помощью следующей установки
(рис. 5.2).
Конденсатор, образованный проволочной сеткой С и сплошной пластиной К, включен последовательно с гальванометром G в цепь батареи Б. Свет от дуги Д, проходя через сетку, падает на сплошную пластину, выполняющую роль фотокатода. В результате в цепи возникал ток. На основании опытов А. Г. Столетов пришел к следующим выводам: 1) наибольшее действие оказывают ультрафиолетовые лучи; 2) сила тока возрастает с увеличением освещенности пластины; 3) вырываемые под действием света заряды имеют отрицательный знак.
Рис. 5.2. Установка для наблюдения фотоэффекта
Типичная вольт-амперная характеристика фотоэффекта (т. е. кривая зависимости фототока I от напряжения между сеткой и пластиной) имеет вид, представленный на рис. 5.3. Кривые приведены для двух различных световых потоков, частоты которых также различны. Существование тока в области отрицательных напряжений от 0 до – з u объясняется тем, что фотоэлектроны, выбитые светом из пластины, обладают отличной от нуля начальной кинетической энергией. За счет уменьшения этой энергии электроны могут совершать работу против сил задерживающего электрического поля между пластиной и сеткой и достигать анода (сетки). Очевидно, что максимальная начальная скорость макс υ фотоэлектронов связана с задерживающей разностью потенциалов з u соотношением 2 max з 2 meυu , (5.14) где e и m – заряд и масса электрона. При u = – з uсила фототока I = 0. А. Г. Столетов экспериментально показал, что задерживающая разность потенциалов з u не зависит от интенсивности падающего на фотокатод светового потока, но является линейной функцией частоты падающего света з 0 kuυ , (5.15) Рис. 5.3. Вольтамперная характеристика фотоэффекта где k и 0 υ – константы, зависящие от природы атомов вещества антикатода и состояния его поверхности. Из соотношений (5.14) и (5.15) следует уравнение 2 max 0 2 me keυυ . (5.16) Это уравнение имеет физический смысл ( max 0 υ ) при условии 0 0 e keυ , при 0 0 0 e keυ 0 0 kυ и 0 υ , т. е. фотоэффект прекращается. Максимальное значение тока называется фототоком насыщения н I и соответствует таким значениям ускоряющей разности потенциалов u, при которых все электроны, выбитые из катода ( К) достигают анода ( С) н Ie n , (5.17) где n – число фотоэлектронов, вырываемых из катода за единицу времени. Таким образом, опытным путем установлены следующие основные законы внешнего фотоэффекта: 1. Число фотоэлектронов n, вырываемых из катода за единицу времени, пропорционально интенсивности падающего светового потока. 2. Скорость фотоэлектронов не зависит от интенсивности падающего светового потока. 3. Максимальная начальная скорость фотоэлектронов определяется частотой падающего света. 4. Для каждого вещества существует красная граница фотоэффекта, т. е. максимальная длина волны λ 0 (или минимальная частота 0 ), при которой фотоэффект еще возможен. Величина λ 0 зависит от химической природы вещества и состояния его поверхности 0 0 0 cc kυ . (5.18) При объяснении законов внешнего фотоэффекта волновая электромагнитная теория света встретилась с серьезными трудностями. Согласно этой теории вырывание свободных электронов из металла возникает вследствие вынужденных колебаний электронов под действием поля световой волны. Если амплитуда вынужденных колебаний велика, то электрон может выйти за пределы вещества и кинетическая энергия, которую он приобретает, должна зависеть от амплитуды вынужденных колебаний, а следовательно, от интенсивности падающего излучения. Это противоречит эксперименту: ИК-излучение большой интенсивности фотоэффект не вызывает, а УФ-излучение даже малой интенсивности вызывает существенный фотоэффект. Следовательно, не существует зависимости кинетической энергии и, следовательно, скорости υ фотоэлектронов от интенсивности падающего светового потока. Скорость зависит от частоты падающего светового потока. Эти затруднения привели А. Эйнштейна к созданию в 1905 г. квантовой теории света. Согласно этой теории свет не только излучается (гипотеза Планка), но также распространяется в пространстве и поглощается веществом в виде дискретных порций энергии – квантов электромагнитного излучения. В результате поглощения кванта электрон приобретает энергию ν h . Для выхода из металла, в котором много свободных электронов, электрон должен совершить работу выхода Авых . Остаток энергии поглощенного фотона переходит в кинетическую энергию фотоэлектрона. Следовательно, в соответствии с законом сохранения энергии можно записать 2 max вых ν 2 hh =Aυ . (5.19) Это уравнение называется уравнением Эйнштейна для фотоэффекта. Внешний фотоэффект возможен в том случае, когда вых ν hA . При 0 вых ν h =A частота 0 ν соответствует красной границе фотоэффекта, т. е. минимальной частоте или максимальной длине волны, при которой фотоэффект еще возможен 0 0 вых λ ν сс hA . (5.20) ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ Основные блоки установки – блок облучения, содержащий лампу ДРС-50; блок, содержащий фотоэлемент; блок управления и индикации, на передней панели которого размещена кнопка «прям.- обр.» для выбора режима измерения прямой и обратной ветви вольт- амперной характеристики
(ВАХ) фотоэлемента; цифровой индикатор значений фототока (мкА) и напряжения (В) фотоэлемента. Интервал регулирования напряжений кнопками «+»,
«–», «сброс» от 0 до 10 В в прямом режиме и от 0 до 1 В в обратном.
ТРЕБОВАНИЯ ПО ТЕХНИКЕ БЕЗОПАСНОСТИ
1. Ознакомиться с устройством экспериментальной установки, ее принципом действия.
2. Убедиться, что установка заземлена.
3. Убедиться в исправности сетевых шнуров.
4. При выполнении эксперимента напряжение менять только в указанных пределах.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Включить тумблер «Сеть» на задней панели блока управления и индикации. При этом должны загореться индикаторы 000.
2. Нажать «Сброс». Установить режим измерения прямой ветви ВАХ.
3. Включить тумблер «Сеть» блока облучения на задней панели, установить светофильтр 5. Регулятором «Установка нуля» установить на цифровом индикаторе значение фототока 0 (мкА).
4. Установить светофильтр 1 и выждать 1 минуту. При этом на цифровом индикаторе должно появиться значение тока при
u
= 0.
5. С помощью кнопок «+» и «–» изменять подаваемое на анод фотоэлемента напряжение в пределах от 0 до 10 В с шагом 1 В, одновременно считывая значения фототока на блоке индикации.
6. Нажать «Сброс». Установить режим измерения обратной ветви ВАХ.
7. С помощью кнопок «+» и «–» изменять подаваемое напряжение в обратном направлении в пределах от 0 до 1 В с шагом
0,1 В, считывая значения фототока.
8. Повторить пп. 4–7 для светофильтров 2–4. Результаты измерений для каждого светофильтра занести в табл. 5.2. Длины волн максимумов пропускания светофильтров 1–4 приведены в табл. 5.3.
9. Построить ВАХ для всех светофильтров.
10. Найти число фотоэлектронов, выбитых в единицу времени,
н
I
n
e
(5.21) для каждой ВАХ и результаты занести в табл. 5.3.
11. Для найденных задерживающих потенциалов з
u
, соответствующих каждым двум значениям λ, оценить постоянную
Планка по формуле з1
з2 1
2
(
)
1 1
(
)
λ
λ
e
h
c
u
u
, (5.22) где с = 3·10 8
м/с. Сопоставить среднюю величину h с табличным значением.
12. Оценить погрешность величины h.
Таблица 5.2
u
пр.
В
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
I
пр.
мкА
u
обр.
В
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0
I
обр.
мкА
Таблица 5.3
N
1 2
3 4
λ, нм
407 435 546 578
n
Контрольные вопросы
1. В чем заключается явление внешнего фотоэффекта?
2. Что называется «красной границей» фотоэффекта?
3. В чем заключаются законы фотоэффекта?
4. Как на основе уравнения Эйнштейна для фотоэффекта объяснить основные законы фотоэффекта?
5. Когда достигается ток насыщения?
6. Почему при
u
= 0 фототок не равен нулю?
7. В чем заключается физический смысл задерживающей разности потенциалов?
5.3. Лабораторная работа № 9 (99)
Изучение характеристик фотоэлемента
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время на основе внешнего и внутреннего фотоэффектов конструируется большое количество приемников излучения, преобразующих световой сигнал в электрический и объединенных общим названием – фотоэлементы. Они находят широкое применение в технике и научных исследованиях.
Разнообразные оптические измерения немыслимы без применения того или иного типа фотоэлементов. Современную фотометрию в широчайшей области спектра, спектральный анализ вещества, объективное измерение весьма слабых световых потоков, наблюдаемых, например, при изучении спектров комбинационного рассеяния света в астрофизике, биологии и т. д. трудно представить себе без применения фотоэлементов. Необычайно широко используется фотоэлементы в технике: контроль и управление производственными процессами, разнообразные системы связи от передачи изображения и телевидения до оптической на лазерах и космической техники представляют собой далеко не полный перечень областей применения фотоэлементов при решении разнообразных вопросов в современной промышленности и связи.
В течение многих месяцев безотказно работают «солнечные батареи» из кремниевых фотоэлементов на космических кораблях и спутниках, позволяя поддерживать радиосвязь с Землей. На фотоэффекте основано превращение светового сигнала в электрический.
Электрическое сопротивление полупроводника падает при освещении; это используется для устройства фотосопротивлений.
При освещении области контакта различных полупроводников возникает фото-ЭДС, что позволяет преобразовывать световую энергию в электрическую. Фотоэлектронные умножители позволяют регистрировать очень слабое излучение, вплоть до отдельных квантов. Анализ энергий и углов вылета фотоэлектронов позволяет исследовать поверхности материалов. В 2004 г. японские исследователи создали новый тип полупроводникового прибора ‒ фотоконденсатор, неразрывно соединяющий в себе фотоэлектрический преобразователь и средство хранения энергии.
В преобразовании света новый прибор оказался вдвое эффективнее простых кремниевых солнечных батарей. Фотоэлементы, чувствительные к невидимому излучению, используются для его обнаружения и изучения. В военном деле фотоэлементы применяются в самонаводящихся снарядах, для сигнализации и локации невидимыми лучами. Фотоэлементы используются в астрокомпасе ‒ автоматическом приборе, служащем для ориентации по Солнцу и звездам. Такие приборы заменяют магнитные компасы в полярной авиации и применяются в космических аппаратах. Выбор оптимального типа фотоэлементов для решения каждой конкретной задачи основывается на знании характеристик этих приборов. | 
Скачать 1.94 Mb.