Фотоэффект. Фотоны

В 1887 году Г. Герцем был открыт фотоэлектрический эффект, а продолжить его исследования довелось А.Г. Столетову. Ф. Леонард в 1900 году серьезно занялся данным проектом. К тому времени был открыт электрон. Это говорило о том, что фотоэффект состоял в вырывании электронов из вещества под действием падающего на него света.

Данное исследование законов Столетова изображено на рисунке 5.2.1.

Рисунок 5.2.1. Схема экспериментальной установки для изучения фотоэффекта.

В лабораторных условиях применили стеклянный вакуумный баллон с двумя металлическими электродами с очищенной поверхностью. К ним прикладывали напряжение U с возможностью изменения полярности с помощью ключа. Катод освещали монохроматическим светом с длиной волны λ через кварцевое окошко. Так как световой поток оставался неизменным, то зависимость силы тока I от напряжения ослабевала. Рисунок 5.2.2. наглядно демонстрирует кривые зависимости при интенсивном свете, попадающем на катод.

Рисунок 5.2.2. Зависимость силы фототока от приложенного напряжения. Кривая 2 соответствует большей интенсивности светового потока. Iн1 и Iн2 – токи насыщения, Uз – запирающий потенциал.

По графику видно, что при подаче большого напряжения фототок анода А достигает насыщения, потому как при вырывании светом из катода они в состоянии достичь его.

Ток насыщения. Закономерности фотоэффекта

Определение 1

Ток насыщения Iн_{прямо пропорционален интенсивности падающего света.}

При наличии отрицательного напряжения на аноде, электрическое поле, находящееся между катодом и анодом, тормозится электронами. К аноду могут добраться электроны, у которых кинетическая энергия превышает значение |eU|. При наличии напряжения меньше, чем –Uз, происходит прекращение фототока. После измерения –Uз_{определяется максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов:}

mυ22max=eU3.

Из формулы

Сила — ток — насыщение

Сила — ток — насыщение

Cтраница 1

Сила тока насыщения, как видно из формулы, численно равна заряду ионов одного знака, образующемуся иод действием ионизатора между обкладками конденсатора за единицу времени.  [1]

Сила тока насыщения оказалась строго пропорциональной световому потоку.  [2]

Сила тока насыщения равна заряду ионов, образуемых ионизатором за секунду в объеме газоразрядной трубки.  [3]

Найти силу тока насыщения между пластинами конденсатора, если под действием ионизатора в каждом кубическом сантиметре пространства между пластинами конденсатора образуется я 108 пар ионов, каждый из которых несет один элементарный заряд.  [4]

Найти

силу тока насыщения в ионизационной камере, площадь электродов которой 100 см2, а расстояние между ними 6 2 см. Ионизатор образует в 1 см3 камеры ежесекундно 109 одновалентных ионов каждого знака.  [5]

Значит, сила тока насыщения / NSdq, где q — заряд одного иона.  [6]

Как изменится сила тока насыщения, если при неизменном действии ионизатора сблизить пластины.  [7]

Таким образом, сила тока насыщения очень сильно зависит от работы выхода и температуры, поскольку эти величины входят в экспоненту. Одновременно желательно, чтобы их работа выхода была как можно меньше. Например, чистый вольфрам, работа выхода которого 4 5 эВ, должен эксплуатироваться при температуре 2500 К. Затем катод активируется при пропускании через него термоионного тока при температуре катода около 1300 К. В результате образуется моноатомный слой щелочноземельных атомов, значительно понижающий работу выхода. Например, бариево-стронци-евые оксидные катоды имеют работу выхода около 1 8 эВ, благодаря чему значительные токи удается получить уже при температуре около 1100 К. Слой бариево-стронциевого окисла наносится обычно на никелевую трубку, внутри которой в качестве нагревателя используется вольфрамовая нить. Такая конструкция имеет дополнительное преимущество по сравнению с использованием нагретой вольфрамовой нити в качестве катода, поскольку в последнем случае вдоль нити возникает значительное падение потенциала и ее поверхность не будет эквипотенциальной. В оксидном катоде слой окислов является эквипотенциальной поверхностью, что улучшает весьма существенно условия работы катода в целом.  [8]

При изменении интенсивности света сила тока насыщения / н также изменяется, но, как показали опыты, задерживающее напряжение U3 остается неизменным. С точки зрения волновых представлений о свете этот факт необъясним. Ведь чем больше интенсивность света, тем большие силы действуют на электроны в освещенном металле и тем большая энергия должна, казалось бы, передаваться светом электронам.  [9]

С увеличением температуры катода сила тока насыщения быстро возрастает.  [10]

Опыты показывают, что сила тока насыщения возрастает чрезвычайно быстро с увеличением температуры катода.  [12]

Опыты показали, что п Ж и сила тока насыщения очень быстро возрастают с увеличением температуры катода.  [13]

На основании сказанного можно считать, что сила тока насыщения

/ н численно равна заряду всех электронов, испускаемых в единицу времени данным катодом при данной температуре.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

46. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента, ток насыщения и запирающее напряжение (от каких параметров они зависят).

Вольт-амперная характеристика фотоэлемента – зависимость фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами.

Вольт-амперная характеристика, соответствующая двум различным освещенностям катода( частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке выше. По мере увеличения U фототок постепенно возрастает, т.е. все большее число фотоэлектронов достигает анода. Пологий характер кривых показывает, что электроны вылетают из катода с различными скоростями. Максимальное значение тока — фототок насыщения — определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода:

Где n – число электронов, испускаемых катодом за 1 с.

Из вольт-амперной характеристики следует, что при U = 0 фототок не исчезает. Следовательно, электроны, выбитые светом из катода, обладают некоторой начальной скоростью v, а значит, и отличной от нуля кинетической энергией и могут достигнуть анода без внешнего поля. Для того чтобы фототок стал равным пулю, необходимо приложить задерживающее напряжение U₀. При U = U₀ ни один из электронов, даже обладающий при вылете из катода максимальной скоростью v_max, не может преодолеть задерживающего поля и достигнуть анода. Следовательно,

Т.е., измерив задерживающее напряжение U₀, можно определить максимальные значения скорости кинетической энергии фотоэлектронов.

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает

Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (

v₂> v₁> v₀)

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v₀, то фотоэффекта не происходит. Частоту v₀ называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.

Краткий итог: фототок насыщения зависит только от интенсивности, а запирающее напряжение U₀ зависит от кинетической энергии вырываемых светом электронов, в свою очередь кинетическая энергия зависит только от частоты света.

47. Работа выхода при внешнем фотоэффекте, красная граница фотоэффекта.

По Эйнштейну, каждый квант поглощается только одним электроном. Поэтому число вырванных фотоэлектронов должно быть пропорционально интенсивности света (I закон фотоэффекта). Безынерционность фотоэффекта объясняется тем, что передача энергии при столкновении фотона с электроном происходит почти мгновенно.

Энергия падающего фотона расходуется на совершение электроном работы выхода А из металла и на сообщение вылетевшему фотоэлектрону кинетической энергии . По закону сохранения энергии,

(1)

Уравнение (1) называется уравнением Эйнштейна для внешнего фотоэффекта.

Уравнение Эйнштейна позволяет объяснить II и III законы фотоэффекта. Из (1) непосредственно следует, что максимальная кинетическая энергия фотоэлектрона линейно растет с увеличением частоты падающего излучения и не зависит от его интенсивности (числа фотонов), так как ни A, ни v от интенсивности света не зависят (II закон фотоэффекта). Так как с уменьшением частоты света кинетическая энергия фотоэлектронов уменьшается (для данного металла А=const), то при некоторой достаточно малой частоте v = v₀ кинетическая энергия фотоэлектронов станет равной нулю и фотоэффект прекратится (III закон фотоэффекта). Согласно изложенному, из (1) получим, что

(2)

и есть красная граница фотоэффекта для данного металла. Она зависит лишь от работы выхода электрона, т.е. от химической природы вещества и состояния его поверхности. Выражение (1) можно записать в виде

hv = hv₀ + eU₀

Сила — ток — насыщение

Сила — ток — насыщение

Cтраница 2

Только эти электроны играют роль при вычислении силы тока насыщения.  [16]

Видно, что имеется резко выраженный максимум силы тока насыщения. Такой фотоэффект называется селективным. Наличие красной границы селективного фотоэффекта и применимость к нему законов нормального фотоэффекта позволяют заключить, что он, как и нормальный фотоэффект, объясняется столкновением отдельного фотона с электроном. В этом смысле селективный фотоэффект не отличается от нормального. Отличие состоит в том, что селективный фотоэффект сильно зависит от поляризации падающего света и от угла падения.  [17]

Анализ полученной для тока насыщения формулы показывает, что сила тока насыщения не зависит от напряжения и, следовательно, не подчиняется закону Ома; она определяется лишь интенсивностью ионизатора и объемом межэлектродного пространства.  [18]

Для исследования зависимости силы фототока от длины волны необходимо определить силу тока насыщения, соответствующего определенной лучистой энергии монохроматического света.  [20]

Время разрядки конденсатора равно 6 91 — Ю 1 с; сила тока насыщения равна 3 20 — lO А; сила то к л насыщения не зависит от напряжения.  [21]

Пока сила тока / в анодной цепи мала по сравнению с силой тока насыщения, возрастание / с увеличением напряжения ( / происходит по формуле ( 165) Богуславского — Ленгмюра. Затем скорость возрастания силы тока уменьшается, пока при некотором напряжении не достигает наибольшего значения ( ток насыщения), которое определяется числом электронов, вырывающихся при данной температуре с поверхности катода за 1 сек.  [22]

Площадь электродов ионизационной камеры 100 см2, расстояние между ними 6 2 см. Найти силу тока насыщения в камере, если известно, что за 1 с ионизатор образует в 1 см3 газа 109 ионов каждого знака.  [23]

Мы видели в § 437, что двухэлектродная лампа вполне характеризуется ее внутренним сопротивлением и силой тока насыщения. Для трехэлектродной лампы дело получается несколько сложнее.  [25]

Так как ток насыщения соответствует условиям, при которых все освобожденные светом электроны проходят через цепь гальванометра, то сила тока насыщения и должна быть принята за меру фотоэлектрического действия света.  [26]

В газоразрядной трубке между электродами с площадью поперечного сечения 1 см2, расположенными на расстоянии 3 см друг от друга, сила тока насыщения равна / 10 — 7 А. Какое число элементарных зарядов каждого из знаков возникает ежесекундно в 1 см3 объема трубки.  [27]

Зная ток насыщения, можно определить число электронов, выделяющихся в 1 сек с единицы поверхности металла при данной температуре, разделив силу тока насыщения на площадь поверхности катода и на заряд электрона.  [28]

Если подключить к освещаемому электроду отрицательный полюс батареи, то сначала сила тока с повышением напряжения возрастает, а затем сила тока остается постоянной. Сила тока насыщения / пропорциональна мощности светового потока излучения. Этому случаю соответствует участок графика на рисунке 299 слева от оси ординат.  [29]

Предельное значение, которого достигает сила тока, называется током насыщения. Сила тока насыщения определяется исключительно мощностью ионизирующего воздействия. Несамостоятельный газовый разряд в воздухе, обусловленный теми ионами, которые, как уже отмечалось, всегда в нем имеются, называется тихим; он не сопровождается ни свечением газа, ни звуковыми эффектами. Таким, например, является разряд заряженного электроскопа.  [30]

Страницы:      1    2    3    4

Токи насыщения — Энциклопедия по машиностроению XXL

Если подключить к освещаемому электроду отрицательный полюс батареи, то сначала сила тока с повышением напряжения возрастает, а. затем сила тока остается постоянной. Сила тока насыщения I пропорциональна мощности светового потока излучения. Этому случаю соответствует участок графика на рисунке 299 слева от оси ординат. Измерив запирающее напряжение, можно найти максимальное значение кинетической энергии электронов, вырываемых светом из катода  [c.300]
Сила тока насыщения прямо пропорциональна мощности светового излучения, падающего на поверхность тела.  [c.300]

Сила тока насыщения оказалась строго пропорциональной световому потоку. Это очень важное свойство фотоэффекта, на котором основаны различные фотоэлектрические способы изме рения световых потоков.  [c.432]

Пропорциональные счетчики. Если ионизационная камера работает в режиме тока насыщения, то ее чувствительность к регистрации отдельных частиц невысока. Чувствительность значительно повышается, если ионизационная камера работает в режиме газового усиления. В области больших напряжений (участок D рис. 6, б) в результате ударной ионизации происходит лавинное умножение числа пар ионов н первоначально созданные ионизирующей заряженной частицей /г пар ионов превращаются в kn пар ионов. Величина k — коэффициент газового усиления. С возрастанием напряжения между электродами происходит увеличение коэффициента газового усиления.  [c.40]

Так как ток насыщения соответствует условиям, при которых все освобожденные светом электроны проходят через цепь гальванометра, то сила тока насыщения и должна быть принята за меру фотоэлектрического действия света.  [c.636]

Закон, приведенный выше, выполняется с полной строгостью в том случае, когда измеряемый ток насыщения образован лишь электронами, освобожденными светом. Это имеет место, если чувствительная поверхность помещена в вакуум. В приборах, наполненных газом и обычно гораздо более чувствительных, так как в 1 их к току электронной эмиссии прибавляется ток ионизации, могут уже возникать некоторые отступления от простой пропорциональности между силой тока насыщения и интенсивностью света поэтому приборами описанного рода надо пользоваться для измерительных целей с известной осмотрительностью.  [c.637]

Для исследования зависимости силы фототока от длины волны необходимо определить силу тока насыщения, соответствующего определенной лучистой энергии монохроматического света. Результаты подобных измерений приведены на рис. 32.7, где по оси ординат отложена сала тока насыщения /, отнесенная к поглощенной лучистой энергии, а по оси абсцисс — длина волны X. Рис. 32.7 показывает, что красная граница соответствует Я, = 1ц и с уменьшением длины волны сила тока на единицу поглощенной энергии возрастает. Это значит, что свет с более короткой длиной волны более эффективен. Если принять во внимание, что чем короче длина волны падающего света, тем меньше квантов содержится в единице поглощенной энергии (ибо для коротких волн сами кванты, равные /IV = кс Х, больше), то из кривой рис. 32.7 ясно видно, как сильно растет способность фотонов выделять электроны по мере перехода к более крупным фотонам.  [c.644]

Если угол падения достаточно велик, то в области селективного эффекта изменение направления вектора Е, т. е. ориентация электрического вектора, сказывается чрезвычайно отчетливо на величине фототока. Рнс. 32.11 изображает силу тока насыщения в зависимости от длины волны для двух ориентаций электрического вектора — перпендикулярной ( 1) и параллельной (Ер) плоскости падения. Приведенные кривые соответствуют углу падения в 60° и относятся к сплаву калия и натрия, максимум чувствительности которого приходится на длину волны Х — 390,0 нм. Ниже приводятся положения максимума для ряда чистых металлов  [c.645]

Рис. 26.3. Пропорциональность тока насыщения световому потоку

Вольт-амперная характеристика внутреннего фотоэффекта при постоянном световом потоке в отличие от внешнего фотоэффекта не обладает током насыщения (рис. 26.12). Величина фототока пропорциональна приложенному напряжению.  [c.168]

Пользуясь полученной формулой, можно найти число N электронов, выходящих из горячей металлической поверхности. Оно непосредственно определяет силу тока насыщения накаленного катода.  [c.344]

Тело, испускающее электроны или ионы, называется эмиттером. Для наблюдения и использования электронной или ионной эмиссии необходимо создать у поверхности эмиттера электрическое поле, отсасывающее эмитированные частицы. Обычно для достижения эмиссионным током насыщения достаточно приложить небольшое поле (десятки или сотни вольт на сантиметр). В случае полевой эмиссии внешнее электрическое поле превращает потенциальный порог, существующий на границе тела и препятствующий выходу электронов, в барьер конечной ширины и уменьшает его высоту, вследствие чего становится возможным квантовомеханическое туннелирование электронов сквозь барьер. При этом энергия электрического поля затрачивается только на ускорение эмитированных электронов. Для возникновения полевой эмиссии необходимо приложить к телу сильное электрическое поле (I 10 В/см), при этом плотность тока может достигнуть 10 А/см . При еще больших импульсных полях локальные участки эмиттера (выступы, заострения) сильно разогреваются (чаще всего током полевой эмиссии) и взрываются. Часть вещества эмиттера переходит из конденсированной фазы в плотную плазму. Этот процесс сопровождается испусканием интенсивного электронного потока — возникает взрывная электронная эмиссия. Монографии и обзоры по эмиссионной электронике и различным видам эмиттеров приведены в [1—4,  [c.567]

Для их остановки и прекращения фототока необходимо приложить тормозящую разность потенциалов Uq. При увеличении разности потенциалов фототок увеличивается и стремится к току насыщения Ток насыщения является возрастающей функцией плотности светового потока S. Тормозящая разность потенциалов Uq от плотности светового потока энергии S не зависит. Зависимость Uq (со) показана на рис. 6. На рис. 7 ток насыщения представлен как функция от плотности потока энергии S.  [c.19]

Значение плотности тока насыщения У в газах невелико и обычно не превышает  [c.103]

В поле El все заряженные частицы, которые образуются в диэлектрике под действием внешних ионизаторов, уносятся электрическим полем к электродам, не рекомбинируя, а ток, протекающий через диэлектрик, достигает насыщения (рис. 5.4, участок 2). Ток насыщения зависит от расстояния h между электродами в конденсаторе. Например, в воздухе при нормальных условиях при h = 0,01 м напряженность Е — 0,6 В/м, плотность тока / ас = 6-10 А/м при Л = 0,1 м — соответственно 6,0 В/м и 6-10″ А/м. Рабочие напряженности в диэлектрике намного боль-  [c.139]

В отличие от газов в кривой зависимости тока от напряженности поля в жидких диэлектриках отсутствует горизонтальный участок (рис. 2-4). Для жидкостей высокой степени очистки на кривой возможен горизонтальный участок, отвечающий току насыщения (как и для газов).  [c.36]

Для термоэмиссионного ПЭ при е к и плотности тока насыщения катода/ меньшей плотности тока насыщения анода/аа  [c.77]

Если р- -переход подсоединить к внешнему источнику напряжения, как показано на рис. 5.12,0, (направление ЭДС совпадает с направлением потенциального барьера), значение тока неосновных носителей при этом не изменится, поскольку оно уже равно значению тока насыщения, так как все возникающие носители переходят через барьер. Если же знак приложенного внешнего напряжения будет  [c.98]

Фототок равен разности тока основных носителей и тока насыщения, поскольку при отсутствии солнечного излучения и нагрузки оба тока равны  [c.99]

При положительном потенциале на коллекторе (рис. 8.7, 6) все электроны, покидающие эмиттер, попадают на коллектор. Поэтому ток в цени меняться не должен, оставаясь равным току насыщения /о (штриховая кривая на рис. 8.8, а).  [c.214]

II тем больше ток насыщения. Это типичный транзисторный эффект— напряжением на затворе (во входной цепи) можно управлять током стока (током в выходной цепи).  [c.254]

На фиг. 9 показана кривая зависимости ионизационного тока от напряжения на электродах. На отрезке АВ ионизационный ток сохраняет постоянное значение и называется током насыщения.  [c.72]

П.лотность заряда определялась по току насыщения, измеряемому при помощи массивного двойного зонда (способного выдержать воздействие потока твердых частиц и их отложение на его поверхности) с охлаяедаемыми водой медными электродами диаметром 19 мм и зазором 3 мм (разность потенциалов около 3 в). Ток 0,001—1,0 ма был измерен микроамперметром Кейтли. Зонд установлен таким образом, чтобы его рабочие поверхности были пара.члельны направлению струи. Эта мера позволяет уменьшить до минимума накопление твердых частиц на поверхности зонда. Перемещения зонда преобразовывались во временную зависимость для струи при помощи измерений скорости струи насадком полного давления и температуры газа термоэлектрическим зондом. Эти зонды перемещались вдоль оси струи. Температура твердых частиц измерялась пирометром.  [c.458]

Обратимся теперь к весьма важному вопросу о практическом использовании фотоэффекта. В современном. жсперименте фо-то.элс>сгрпческие измерения световых потоков широко применяют во всем оптическом диапазоне. Измерения базируются на законах фотоэффекта, из которых в данном случае наиболее важна строгая пропорциональность силы тока насыщения и светового потока. Для измерений используют различные устройства, правильная оценка возможностей которых часто оказывается совсем не простой.  [c.436]

Ионизационная камера обычно работает в режиме тока насыщения, где нет газового усиления. В этом случае число пар ионов, возникающих под действием попадающей в ионизационную камеру заряженной частицы, относительно невелико и регистрация отдельных. частиц с помощью ионизационной камеры при отсутствии газбвого усиления связана с большими трудностями. В режиме газового усиления ионизационная камера может работать в качестве счетчика отдельных заряженных частиц. Поэтому ионизационные камеры обычно подразделяются на два вида счетно-ионизационные камеры, предназначенные для регистрации прохождения через камеру одной какой-либо заряженной частицы, и интегрирующие ионизационные камеры, применяемые для измерения интенсивности потока частиц. В зависимости от условий задачи ионизационные камеры по форме электродов имеют вид плоского, сферического или цилиндрического конденсатора. Размеры их могут быть весьма различными — от долей кубических миллиметров до сотен литров, в зависимости от их назначения.  [c.39]

Действительно, опыт пока.зывает что в соответствии с этими рассуждениями зависимость силы фототока / от приложенной к электродам разности потенциалов V — так называемая характеристика фо—тотока — имеет вид, изображенный на рис. 32.4 (сплошная кривая). При электродах, форма и взаимное расположение которых не удовлетворяют поставленным выше требованиям, характеристика фототока более или менее сильно искажается (см. рис. 32.4, пунктирная кривая). Однако сохраняются ее существенные черты при некоторой не чрезмерно большой ускоряющей разности потенциалов ток доходит до постоянной величины (ток насыщения)-, при определенной тормозящей разности потенциалов ток падает до нуля. На стремление фототока к насыщению также указал А. Г. Столетов.  [c.636]

Эмиссионная постоянная В—физическая величина, являющаяся коэффщиентом пропорциональности в формуле Ричардсона — Дешмена, выражающей плотность анодного тока насыщения 8  [c.125]

Плотность тока насыщения термоэлектронной эмиссии (ТЭ) для эмиттера с однородной поверхностью при слабом внешнем электрическом поле, не влияющем на работу выхода, определяется уравнением Ричардсона — Дэшмана [2]  [c.570]

Основные характеристики термокатодов — работа выхода бф рабочая температура Т плотность тока насыщения ТЭ /э и ее зависимость от температуры скорость испарения активного вещества при рабочей температуре Чисп эффективность катода ti — отношение плотности тока ТЭ к мощности, затрачиваемой на нагревание катода критерий качества катода t — отношение работы выхода к теплоте испарения активного вещества при данной температуре толщина активного слоя d (для однородных катодов — диаметр). Характеристики различных термокатодов приведены в табл. 25.5—25.14 и на рис. 25.4—25.11.  [c.571]

Зависимость тока, насыщения от плотности коряет электроны В материале катода, светового потока S  [c.20]

Если пластины из кремния п- и р-тнпов приведены в тесный контакт, то свободные электроны и свободные дырки, диффундируя к поверхности р-п перехода, будут рекомбинировать, как показано на рис. 5.11, а, образуя слой, обедненный носителями заряда, который носит название обедненной зоны. При этом атомы примеси в области перехода, лишенные соответствующих дырок или элементов, превратятся в ионы. Эти донорные или акцепторные ионы, закрепленные в кристалле, создают электрическое поле, образующее электрический потенциальный барьер Uq, препятствующий дальнейшей миграции основных носителей, как показано на рис. 5.11,6. На рисунке показано, как меняется потенциал при пересечении р- -перехода. После того как два куска вещества приведены в соприкосновение, должно произойти выравнивание их уровней Ферми. Ток неосновных носителей, не встречающий потенциального барьера, достигает значения тока насыщения /нлс, а ток основных носителей блокируется потенциальным барьером qil . Значение потенциального барьера невозможно измерить каки.м-либо прибором, поскольку на измерительных контактах формируется такой же барьер противоположного знака.  [c.98]

Ток насыщения р— -перехода резко зависит от температуры. В соответствии с законом действующих масс tij, о = п /р,,о = п(Ш Рпо — пУппо = Так как п ехр (—EJkT), то с повы-  [c.228]

---

Опыты А. Столетова. Явление фотоэффекта. Видеоурок. Физика 11 Класс

При помощи данного видеоурока вы сможете самостоятельно изучить тему «Опыты А. Столетова. Явление фотоэффекта». В ходе урока учащиеся смогут узнать о гипотезе Планка о дискретной природе света, экспериментах Герца и последующих опытах великого русского физика Столетова, который изучил и обозначил явление фотоэффекта.

Тема: Квантовая физика

Урок: Опыты А. Столетова. Явление фотоэффекта

Макс Планк выдвинул гипотезу о дискретной природе света. Это явление было подтверждено исследованиями, которые проводил Генрих Герц. Такое явление получило название – явление фотоэффекта.

Изучил экспериментально и сформулировал законы фотоэффекта русский физик Александр Григорьевич Столетов (Рис. 1).

Рис. 1. Александр Григорьевич Столетов

Фотоэффект – это вырывание электронов из вещества под действием света.

Внутренний фотоэффект – это эффект, при котором оторванные от своих атомов электроны остаются внутри вещества и становятся свободными. Такой фотоэффект можно наблюдать в полупроводниках и некоторых диэлектриках.

Для того чтобы получить о фотоэффекте более полное представление, нужно выяснить:

1. От чего зависит число вырванных светом с поверхности вещества электронов (фотоэлектронов),

2. Чем определяется их скорость или кинетическая энергия.

Были проведены экспериментальные исследования (Рис. 2).

Рис. 2. Опыт Столетова

В стеклянный баллон, из которого был выкачан воздух, помещаются два электрода. На один из электродов поступает свет через кварцевое окошко, прозрачное не только для видимого света, но и для ультрафиолетового. На электроды подается напряжение, которое можно менять с помощью потенциометра и измерять вольтметром. К освещаемому электроду подключают отрицательный полюс батареи. Под действием света этот электрод испускает электроны, которые образуют электрический ток. При малых напряжениях не все вырванные светом электроны достигают другого электрода. Если, не меняя интенсивности излучения, увеличивать разность потенциалов между электродами, то сила тока возрастает. При некотором значении напряжения она достигает максимального значения, после чего перестает увеличиваться.  

Ток насыщения – максимальное значение силы тока. Ток насыщения определяется числом электронов, испущенных за 1 секунду освещаемым электродом (Рис. 3).

Изменяя интенсивность излучения, удалось установить, что сила тока насыщения прямо пропорциональна интенсивности светового излучения, падающего на поверхность тела. При увеличении интенсивности излучения источника света в два раза, сила тока насыщения тоже увеличивается в два раза.

Рис. 3. Ток насыщения

Первый закон Столетова:

Количество электронов, вырываемых светом с поверхности металла за 1 секунду, прямо пропорционально поглощаемой за это время энергии световой волны.

 Из эксперимента видно, что величина силы фототока отлична от нуля и при нулевом значении напряжения (Рис. 4). Это значит, что часть вырванных светом фотоэлектронов достигает анода и при отсутствии напряжения.

Рис. 4. Величина силы фототока

Если изменить полярность батареи, то сила тока будет уменьшаться, и при некотором напряжении обратной полярности она станет равна нулю (Рис. 5).

Рис. 5. Опыт Столетова при обратной полярности

Это значит, что электрическое поле тормозит вырванные электроны до полной остановки, а затем возвращает их на электрод. Такое напряжение – задерживающее напряжение (Рис. 6).

Рис. 6. Задерживающее напряжение

Измеряя задерживающее напряжение и применяя теорему о кинетической энергии, можно найти значение кинетической энергии фотоэлектронов:

При изменении интенсивности света задерживающее напряжение не меняется. Это значит, что не меняется кинетическая энергия фотоэлектронов.

На опытах было обнаружено, что кинетическая энергия фотоэлектронов зависит от частоты света.

Второй закон Столетова:

Максимальная кинетическая энергия фотоэлектронов линейно возрастает с частотой света и не зависит от его интенсивности (Рис. 7).

Рис. 7. График увеличения  кинетической энергии

Если частота света меньше некоторой определенной для данного вещества минимальной частоты, то фотоэффект не наблюдается, достигается красная граница фотоэффекта.

Красная граница фотоэффекта – это минимальная частота света для данного вещества, при которой наблюдается явление фотоэффекта.

Второй закон Столетова совершенно не объясним. При увеличении интенсивности света на электроны должна действовать большая сила, а следовательно, фотоэлектроны должны получать большую энергию, но на самом деле этого не происходит.

Объяснить теоретически эти экспериментальные законы смог Альберт Эйнштейн, применив к ним гипотезу Макса Планка.

 

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет:

1. О фотоэффекте (Источник).
2. Опыт Столетова А.Г. (Источник).

Работа 19 изучение принципа действия и характеристик электронных ламп

Цель работы: Изучение принципа действия электронной лампы и снятие характеристик диода и триода; определение параметров триода в отсутствие сопротивления в цепи анода.

Приборы и принадлежности. Исследуемая лампа, выпрямитель, миллиамперметр, вольтметры.

Введение

Электронная лампа представляет собой стеклянный, металлический или керамический баллон с впаянными металлическими электродами. В баллоне создается разрежение воздуха до давления порядка мм рт. ст. (примерноПа). Один из электродов лампы (катод) накаливается пропусканием по нему электрического тока (прямой накал) или с помощью подогревного устройства (косвенный накал) и является источником электронов, покидающих поверхность металлического электрода.

Явление испускания электронов нагретыми телами лежит в основе работы электронной лампы и называется термоэлектронной эмиссией.

Катод лампы обычно изготавливается в виде нити из тугоплавкого металла. При нагревании катода электроны эмиссии образуют вокруг него отрицательный пространственный заряд, так называемое электронное облако. Вблизи катода оно удерживается кулоновскими силами, которые возникают между электронным облаком и положительно заряженным в результате эмиссии электронов поверхностным слоем металла.

Второй электрод является анодом лампы. При положительном потенциале анода относительно катода электроны эмиссии движутся под действием электрического поля между катодом и анодом, и в лампе возникает электрический ток.

Присутствие пространственного заряда приводит к такому перераспределению потенциала между катодом и анодом, которое оказывает тормозящее действие на электроны. С возрастанием положительного потенциала анода плотность электронного облака постепенно уменьшается и при некотором напряжении между катодом и анодом обращается в ноль. При этом движение электронов определяется электрическим полем, зависящим только от разности потенциалов между катодом и анодом и конфигурации электродов лампы.

Диод. Простейшей электронной лампой является диод (двух электродная лампа). Для того, чтобы диод пропускал электрический ток, катод должен иметь отрицательный, а анод — положительный потенциал. Перемена знака потенциала анода позволяет «запереть» лампу, т.е. прекратить прохождение тока через нее. Односторонняя проводимость диода используется для выпрямления переменного тока.

Важнейшей характеристикой диода является зависимость силы тока, текущего через лампу (анодного тока), от разности потенциалов между катодом и анодом (анодного напряжения). Ее называют вольтамперной или анодной характеристикой диода (ВАХ).

Анодный ток зависит от анодного напряжения и от температуры катода. При постоянной температуре катода анодный ток возрастает с увеличением анодного напряжения. Поскольку механизм возникновения электрического тока в этом случае отличается от механизма возникновения тока в проводниках, то зависимость анодного тока от анодного напряжения не описывается законом Ома.

На рис.1 представлена типичная вольтамперная характеристика диода. Для участка кривой abc характерно нелинейное возрастание анодного тока, на участке cd анодный ток почти не изменяется при увеличении анодного напряжения. Это объясняется тем, что при некотором анодном напряжении подавляющее число электронов эмиссии достигает анода, и лишь незначительная их часть рассеивается, не достигнув анода.

Максимальное значение анодного тока при данной температуре катода называется током насыщения лампы. Сила тока насыщения численно равна заряду всех электронов, испускаемых катодом в единицу времени:

,

где n — число электронов, испускаемых катодом в единицу времени,

— величина заряда электрона.

Плотность тока насыщения зависит от температуры катода и работы выхода электрона из металла. Эта зависимость выражается формулой Ричардсона-Дэшмана:

, (1)

где В — эмиссионная постоянная, одинаковая для всех металлов;

Т — абсолютная температура катода;

k — постоянная Больцмана;

А — работа выхода электрона из металла.

Таким образом, увеличение напряжения накала вызывает повышение температуры катода, и, следовательно, возрастание анодного тока при всех значениях анодного напряжения, в том числе и тока насыщения.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения на участке кривой ab (см. рис.1) приблизительно может быть описана законом Богуславского-Ленгмюра, называемым «законом трех вторых»:

, (2)

где В’ — коэффициент, зависящий от формы и взаимного расположения катода и анода при прочих одинаковых условиях.

Семейством анодных характеристик диода (ВАХ) является совокупность графиков, изображающих зависимости анодного тока от анодного напряженияU при различных фиксированных напряжениях накала U, т.е.

при =const.

Триод. Это электронная лампа с тремя электродами (катод, анод, сетка). Сетка расположена между катодом и анодом вблизи катода. При этом между сеткой и катодом создается сильное электрическое поле. Поэтому влияние потенциала сетки на анодный ток более значительно, чем влияние потенциала анода.

Назначением сетки является управление анодным током лампы (отсюда название сетки — управляющая или управляющий электрод). При положительном потенциале сетки усиливается ускоряющее электрическое поле между катодом и анодом, и анодный ток увеличивается, а при отрицательном — это поле ослабляется, и анодный ток уменьшается по сравнению с током лампы при нулевом потенциале сетки. При некотором отрицательном потенциале сетки ток через лампу прекращается, т.е. лампа оказывается «запертой».

Минимальное по абсолютной величине и отрицательное по знаку напряжение между сеткой и катодом, при котором ток через лампу не течет, называется напряжением запирания.

При постоянном напряжении накала катода анодный ток в триоде зависит от разности потенциалов между катодом и анодом (анодного напряжения) и напряжения между сеткой и катодом (сеточного напряжения), т.е. является функцией двух переменных:

) при =const.

Зависимость анодного тока от анодного напряжения при фиксированном значении сеточного напряжения и неизменном напряжении накала катода называется анодной характеристикой триода (рис.2, а):

при =const и =const.

Зависимость анодного тока от сеточного напряжения при фиксированном значении анодного напряжения и неизменном напряжении накала катода называется анодно-сеточной характеристикой триода (рис.2, б):

при =const и =const.

Важнейшими параметрами триода являются: внутреннее сопротивление R, крутизна анодно-сеточной характеристики S и коэффициент усиления лампы . Эти параметры зависят от сопротивления в цепи анода. В данной работе сопротивление в цепи анода отсутствует. Такой режим и параметры, соответствующие ему, называются статическими.

Выясним смысл перечисленных параметров триода, для чего рассмотрим зависимость анодного тока от анодного и сеточного напряжения при постоянном напряжении накала катода.

Полный дифференциал анодного тока:

. (3)

Индексы при частных производных означают, что в первом слагаемом дифференцирование производится при U=const , а во втором — при=const.

Внутреннее дифференциальное сопротивление Rлампы определяется из соотношения:

, (4)

и показывает, на сколько вольт надо изменить анодное напряжение при неизменном сеточном, чтобы анодный ток изменился на единицу.

Рис.2. Анодная (а) и анодно-сеточная (б) характеристики триода

Величина

(5)

называется крутизной анодно-сеточной характеристики; она показывает скорость изменения анодного тока при изменении потенциала сетки, когда анодное напряжение постоянно.

Отношение

(6)

позволяет сравнить влияние приращений анодного и сеточного напряжений на анодный ток и называется коэффициентом усиления лампы. Из формул (4), (5) и (6) видно, что

. (7)

Приведенные параметры триода определяются по измеренным анодным и анодно-сеточным характеристикам.

На рис.3 представлено семейство анодных характеристик триода.

Кривые 1 и 2 сняты при близких значениях сеточных напряжений UиU. Для определения параметров триода на графике выбирается некоторое значение анодного тока в пределах прямолинейной части характеристик 1 и 2 (точка А). Через эту точку проводится прямая, параллельная оси абсцисс, пересекающая кривые 1 и 2 (точки В, С), а через точку С проводится прямая, параллельная оси ординат, до пересечения с кривой 2 (точка D).

Характеристический треугольник BCD содержит все данные, необходимые для определения параметра триода:

.

По этим данным вычисляются

; . (8)

Как указывалось выше, параметры триода можно определить и по анодно-сеточным характеристикам, представленным на рис. 4.

Из рис.4 следует, что

(9)

Чтобы иметь возможность сравнивать значения параметров, вычисленных по формулам (8) и (9), необходимо выбирать на рис.3 и 4 близкие режимы работы.

Принципиальная схема включения лампы для снятия характеристик приведена на рис.5, где Л — исследуемая лампа; А — анод; С — сетка; К — катод; мА — миллиамперметр для измерения анодного тока; Vи V— вольтметры для измерения анодного и сеточного напряжений; В — выпрямитель, являющийся источником питания лампы.

В режиме отключения сетки (=0) лампа работает как диод. В режиме с включенной сеткой лампа работает как триод.

Рис.5. Принципиальная схема включения лампы.