wyznaczanie charakterystyk - Marini1000lecie.website.pl

WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYK
FOTOKOMÓRKI GAZOWANEJ
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
1.WSTĘP TEORETYCZNY
Celem doświadczenia było wyznaczenie charakterystyki fotokomórki
gazowanej .
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega na wybijaniu elektronów z metalu
pod pływem światła . Można je zaobserwować w fotokomórkach , które zasadniczo
zbudowane są z dwóch elektrod umieszczonych w bańce szklanej : anody , którą
stanowi drut w kształcie pętli oraz katody , którą stanowi metal naparowany na
wewnętrzną stronę bańki . Od fotokomórek próżniowych większą czułość
wykazują fotokomórki gazowane . Dzieje się to na wskutek jonizowania
cząsteczek gazu przez elektrony co powoduje znaczny wzrost natężenia prądu .
Zjawisko fotoelektryczne posiada następujące właściwości :
- maksymalna prędkość początkowa elektronów zależy od częstotliwości światła ,
a nie zależy od jego natężenia
- dla każdego metalu istnieje długofalowa granica fotoelektryczna
- liczba emitowanych elektronów w jednostce czasu jest proporcjonalna do
natężenia światła
Elektrony mogą opuścić powierzchnię metalu jeśli ich energia będzie większa od
pracy wyjścia , która jest powiązana z długofalową granicą fotoelektryczną :
W = h * 
gdzie W - praca wyjścia
h - stała Plancka
częstość graniczna
Zależność między energią elektronów a pracą wyjścia ilustruje wzór Einsteina :
h *  = W + m*vmax2/2
2. OPIS STANOWISKA
Do badania fotokomórki stosujemy w pracowni rurę fotometryczną (5),wewnątrz
której znajduje się oprócz fotokomórki (2) żarówka (4) z przesłoną (3). Drążek (7)z
naniesiona podziałką cementytową umożliwia przesuw żarówki od fotokomórki.
Zaciski (1) służą do podłączenia zasilania fotokomórki. Rura pokryta jest wewnątrz
czarnym, matowym lakierem zmniejszającym nie pożądane odbicia.
3.) PRZEBIEG ĆWICZENIA
2
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
Do przeprowadzenia ćwiczenia wykorzystany został następujący układ :
SCHEMAT UKŁADU POMIAROWEGO
Ćwiczenie składało się z trzech części .
PIERWSZA CZĘŚĆ ĆWICZENIA.
Przy ustalonym napięciu żarówki Uż = 220 V o mocy Pż = 29 W i stałej
odległości fotokomórki od żarówki d = 50 cm dokonany został pomiar zależności
natężenia prądu fotokomórki od napięcia fotokomórki . Przebieg ćwiczenia
ilustruje następująca tabela :
Tabela pomiarowa 1
3
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
NAPIĘCIE
NATĘŻENIE
FOTOKOMÓRKI
PRĄDU
[V]
[ A]
0
0,04
5
0,33
10
0,43
15
0,48
20
0,52
25
0,61
30
0,7
35
0,8
40
0,88
45
0,98
50
1,1
55
1,26
60
1,38
65
1,56
70
1,72
75
1,94
Na podstawie pomiarów wykonany został następujący wykres :
WYKRES ZLEŻNOŚCI NATĘŻENIA PRĄDU FOTOKOMÓRKI OD
NAPIĘCIA FOTOKOMÓRKI
Natężenie fotokomórki I [ A]
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Napięcie fotokomórki U [V]
DRUGA CZĘŚĆ ĆWICZENIA.
Przy ustalonym napięciu fotokomórki Uf = 60 V i odległości fotokomórki od żarówki
d = 50 cm wykonany został pomiar natężenia prądu fotokomórki oraz mocy żarówki w
zależności od zmienianego napięcia żarówki w zakresie od 50 do 220 V .
Tabela pomiarowa 2
4
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
NAPIĘCIE NATĘŻENIE
ŻARÓWKI
PRĄDU
U [V]
I [ A]
50
0,02
60
0,03
70
0,04
80
0,05
90
0,08
100
0,11
110
0,15
120
0,2
130
0,27
140
0,34
150
0,42
160
0,52
170
0,64
180
0,74
190
0,88
200
1,02
210
1,2
220
1,42
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
220
210
200
190
180
170
160
150
140
130
120
110
100
90
80
70
60
0
50
Natężenie prądu fotokomórki I [ A]
WYKRES ZALEŻNOŚCI NATĘŻENIA PRĄDU FOTOKOMÓRKI OD
NAPIĘCIA ŻARÓWKI
Napięcie żarówki U [V]
Tabela pomiarowa 3
5
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
MOC
NATĘŻENIE
ŻARÓWKI
PRĄDU
P [W]
I [ A]
3
0,02
4
0,03
5
0,04
6
0,05
7,5
0,08
8,5
0,11
10
0,15
11,5
0,2
13
0,27
14,5
0,34
16
0,42
18
0,52
19,5
0,64
21,5
0,74
23
0,88
25
1,02
27
1,2
30
1,42
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
30
27
25
23
21,5
19,5
18
16
14,5
13
11,5
10
8,5
7,5
6
5
4
0
3
Natężenie prądu fotokomórki I [ A]
WYKRES ZALEŻNOŚCI NATĘŻENIA PRĄDU FOTOKOMÓRKI OD MOCY
ŻARÓWKI
Moc żarówki P [W]
TRZECIA CZĘŚĆ ĆWICZENIA.
6
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
Przy stałym napięciu fotokomórki Uf = 60 V , napięciu żarówki Uż = 180 V oraz mocy
żarówki P = 21.5 W , zmieniając odległość fotokomórki od żarówki od 60 do 30 cm
co 2 cm , mierzone było natężenie prądu fotokomórki .
Tabela pomiarowa 4
ODLEGŁOŚĆ
NATĘŻENIE
ŻAROWKI OD
PRĄDU
FOTOKOMÓRKI FOTOKOMÓRKI
d [cm]
I [ A]
60
0,56
58
0,58
56
0,62
54
0,66
52
0,7
50
0,74
48
0,8
46
0,88
44
0,93
42
1,02
40
1,12
38
1,21
36
1,36
34
1,52
32
1,68
30
1,88
Natężenie prądu fotokomórki I [ A]
WYKRES ZALEŻNOŚCI NATĘŻENIA PRĄDU FOTOKOMÓRKI OD
ODLEGŁOŚCI ŻAROWKI OD FOTOKOMÓRKI
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
60
58
56
54
52
50
48
46
44
42
40
38
36
34
32
30
Odległość żarówki od fotokomórki d [cm]
Na podstawie tego pomiaru wykonany został również wykres zależności natężenia
fotokomórki od kwadratu odwrotności odległości .
7
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
Tabela 5
KWADRAT
NATĘŻENIE
ODWROTNOŚCI
PRĄDU
ODLEGŁOŚCI FOTOKOMÓRKI
1/d [cm]
I [ A]
0,00027
0,56
0,00029
0,58
0,00031
0,62
0,00034
0,66
0,00037
0,7
0,0004
0,74
0,00043
0,8
0,00047
0,88
0,00051
0,93
0,00057
1,02
0,00062
1,12
0,00069
1,21
0,00077
1,36
0,00086
1,52
0,00097
1,68
0,00111
1,88
Natężenie prądu fotokomórki I [
A]
WYKRES ZALEŻNOŚCI NATĘŻENIA PRĄDU FOTOKOMÓRKI OD
KWADRATU ODWROTNOŚCI ODLEGŁOŚCI ŻARÓWKI OD
FOTOKOMÓRKI
2
1,8
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
0,00027
0,00031
0,00037
0,00043
0,00051
0,00062
0,00077
0,00097
Kwadrat odwrotności odległości d [cm]
8
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
4.) ANALIZA BŁĘDÓW
bł. całkowity = + (niepewność pomiaru + dokładność odczytu)
gdzie
niepewność pomiaru = (klasa * zakres)/100
1) WOLTOMIERZ Uż
klasa - 0.5%
zakres - 300 V
dokładność odczytu - 4 V
niepewność pomiaru - 1.5 V
błąd całkowity Uż = 6.5 V
2) WOLTOMIERZ Uf
klasa - 0.5%
zakres - 75 V
dokładność odczytu - 1 V
niepewność pomiaru - 0.375 V
błąd całkowity Uf = 1.375 V
3)WATOMIERZ
klasa - 0.5%
zakres - 100 W
dokładność odczytu - 1 W
niepewność pomiaru - 0.5 W
błąd całkowity P = 1.5 W
4)MIKROAMPEROMIERZ If
klasa - 1%
zakres - 2 A
dokładność odczytu - 0.01A
niepewność pomiaru - 0.02 A
błąd całkowity If = 0.03 A
5)DOKŁADNOŚĆ POMIARU ODLEGŁOŚCI d = 0.5 cm
9
Sprawozdanie z ćwiczenia laboratoryjnego nr 5
5.) Wnioski.
Z wykresów wynika że wraz ze wzrostem napięcia żarówki rośnie jej moc a w wyniku tego
wzrasta także prąd na fotodiodzie.
Natomiast gdy zmniejszaliśmy odległość fotokomórki od żarówki natężenie prądu
fotokomórki również rosło.
Wszystkie te funkcje są rosnące ale zależności nie są liniowe.
10