602
7.04.2009r.
Ćwiczenie nr 45
WYZNACZANIE CHARAKTERYSTYKI PRĄDOWO – NAPIĘCIOWEJ I CZUŁOŚCI INTEGRALNEJ FOTOKOMÓRKI
I. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne, wzór Einsteina i praca wyjścia elektronów z metalu.
Jak wiadomo, elektron nie może sam opuścić metalu. Musi dostać z zewnątrz potrzebną do tego energię w postaci: energii cieplnej, silnego pola elektrycznego, bombardowania lub energii świetlnej. Jeżeli opuszczenie elektronu spowodowane jest ostatnim z wymienionych czynników, wtedy nazywamy to fotoemisją lub zjawiskiem fotoelektrycznym. Rozróżniamy dwa rodzaje zjawisk fotoelektrycznych: zewnętrzne i wewnętrzne.
Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne polega on na uwalnianiu elektronów z metali pod wpływem oświetlenia. W zjawisku tym:
§ fotoelektrony, czyli uwolnione pod wpływem światła elektrony, pojawiają się natychmiast po naświetleniu metalu (dokładnie po );
§ im mocniejsze oświetlenie tym większa ilość emitowanych fotoelektronów i na odwrót: im mniejsze oświetlenie tym mniej emitowanych fotoelektronów;
§ natężenie światła nie wpływa na energię fotoelektronów;
§ energia najszybszych fotoelektronów jest wprost proporcjonalna do częstości drgań fali świetlnej.
Prawa te można wyjaśnić w oparciu o korpuskularną teorię światła, ale przeczą one falowej jego naturze. Według korpuskularnej teorii światła składa się ono z drobnych cząsteczek zwanych kwantami. Kwant taki padając na metal oddaje swoją energię, która równa jest iloczynowi stałej Plancka h () i częstości drgań fali świetlnej , tylko jednemu elektronowi. Dzięki temu elektron taki może pokonać barierę potencjału Ф oddzielającą go od otoczenia. Nadmiar energii elektron otrzymuje w postaci energii kinetycznej, dzięki czemu nabywa prędkości.
Równanie Einsteina możemy zatem zapisać w następującej postaci:
Zjawisko fotoelektryczne obserwujemy, jeżeli częstość drgań fali świetlnej przekracza wartość częstości progowej . Częstością progową nazywamy częstość drań fali świetlnej, której iloczyn przez stałą Plancka jest równy pracy wyjścia elektronu z metalu :
.
W takim przypadku nie ma więc nadmiaru energii, która mogłaby zmienić się w energię kinetyczną.
Dla dużej części metali częstość progowa jest wyższa niż częstość światła widzialnego, czyli leży w nadfiolecie. Częstość progowa znajduje się w granicach światła widzialnego tylko dla metali alkaicznych. Zjawisko fotoelektryczne zewnętrzne znalazło zastosowanie w fotokomórkach.
II. Pasmowy model ciała stałego.
Pasmowy model ciała stałego wyjaśnia różnice w zachowaniu się elektronów w różnych rodzajach ciał stałych, a mianowicie przewodnikach, dielektrykach i półprzewodnikach. Model ten jest naturalną konsekwencją kwantowego modelu budowy atomu. Pasma powstają, ponieważ elektrony związane z pojedynczym atomem zajmują dyskretne poziomy energetyczne a poza tym w sieci krystalicznej ciała stałego elektrony poruszają się w polu elektrycznym wytworzonym przez inne atomy, co w rezultacie prowadzi do rozszczepienia poziomów energetycznych i powstania pasm energetycznych.
Według modelu tego w atomach ciał stałych wyróżniamy pasma podstawowe, przewodnictwa i wzbronione. Ich rozkład przedstawia poniższy rysunek:
Pasma wzbronione są zakresami stanów energetycznych, których elektrony nie mogą przyjmować. Można jednak wyróżnić co najmniej dwa pasma energetyczne, z których jedno jest całkowicie wypełnione elektronami(pasmo podstawowe), drugie położone wyżej nie zawiera elektronów(pasmo przewodnictwa). Przeniesienie elektronu z pasma podstawowego do przewodnictwa musi odbyć się bez pośrednictwa pośrednich poziomów energetycznych, które w tym przypadku są zabronione i wymaga znacznego nakładu energii. Przeniesienie to pozostawia w tym pierwszym wolny poziom energetyczny. Poziom taki nazywamy dziurą elektronową, która może się przemieszczać w paśmie podstawowym. Formalnie można to traktować jako przemieszczanie się dodatniego ładunku elektrycznego.
III. Budowa i zasada działania fotokomórki próżniowej i gazowej.
Fotokomórka próżniowa zbudowana jest z dwóch elektrod. Jedną elektrodą (katodą) jest zazwyczaj warstwa metalu, naparowana na wewnętrzną stronę szklanej bańki próżniowej. Drugą elektrodą (anodą) jest wygięty pręt metalowy znajdujący się wewnątrz lampy. Nieoświetlona fotokomórka nie przewodzi prądu, prąd może się jednak pojawić jeżeli katoda zostanie oświetlona. Prąd płynący przez fotokomórkę zależy od ilości promieniowania elektromagnetycznego padającego na fotokatodę, a więc od oświetlenia fotokatody. Uderzające w materiał fotony światła powodują emisję elektronów (zaczyna płynąć prąd). Każda zmiana natężenia światła powoduje również zmianę natężenia prądu.
Natężenia prądów uzyskiwane dzięki fotokomórkom próżniowym są stosunkowo małe.
Fotokomórka gazowa tym się różni od fotokomórki próżniowej, że bańce szklanej znajduje się niewielka ilość gazu szlachetnego zamiast próżni. Można uzyskać w niej większe natężenia prądów, ponieważ ilość nośników prądu w takiej fotokomórce zwiększa się na skutek jonizacji atomów gazu. Liczna zjonizowanych atomów, a więc także natężenie prądu płynącego w takiej fotokomórce rośnie wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia. W fotokomórce gazowej nie uzyskuje się stanu nasycenia. Zbyt duże napięcie może jednak zniszczyć fotokomórkę.
IV. Wykorzystanie zjawiska fotoelektrycznego w praktyce.
Efekt fotoelektryczny jest powszechnie wykorzystywany między innymi w wyżej opisanych fotokomórkach oraz bateriach słonecznych, fotopowielaczach i noktowizorach, a także elementach CCD w aparatach cyfrowych i fotodiodach.
W elementach tych prąd wytwarzany jest dzięki pochłanianiu światła przez te elementy.
Efekt fotoelektryczny wewnętrzny znalazł również zastosowanie w fotoopornikach. Wiadomo, że opór zależy od ilości nośników prądu, zatem opór oświetlonego fotoopornika jest mniejszy niż nieoświetlonego. Fotooporniki znalazły zastosowanie w telewizorach, gdzie są częścią układów służących do regulacji jasności obrazu w zależności od oświetlenia pomieszczenia.
Efekt fotoelektryczny jest wykorzystany również w fotoogniwach. Fotoogniwo jest źródłem prądu, które powstaje na skutek oświetlania złącza półprzewodnik-metal. Wiązka światła, która spada na styk zakłóca stan równowagi dynamicznej. Kwanty światła przekazują energię elektronom w półprzewodniku, przenosząc je z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Zatem w półprzewodniku wrasta ilość elektronów swobodnych, które natychmiast przechodzą do metalu ładując go ujemnie. Istnieją dwa typy fotoogniw: miedziowe i talowe.
3. LITERATURA:
§ Henryk Szydłowski; „Pracownia Fizyczna”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1973; rozdział 28;
§ Jay Orear; „Fizyka” tom 2; Wydawnictwa Naukowo Techniczne; Warszawa 1993; rozdział 28;
§ Szczepan Szczeniowski; „Fizyka Doświadczalna. Część III: Elektryczność i magnetyzm”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1966;
§ David Halliday, Robert Resnick; „Fizyka 2”; Państwowe Wydawnictwo Naukowe; Warszawa 1993; rozdziały: 49-4, 49-5.
- 4 -
kamszym88