І. Теоретичні відомості. Робота фотоелементів ґрунтується на явищі фотоефекту

Робота фотоелементів ґрунтується на явищі фотоефекту. Фотоефектом називають звільнення (повне або часткове) електронів від зв’язків з атомами і молекулами речовини під впливом світла (видимого, інфрачервоного та ультрафіолетового). Якщо електрони виходять за межі освітлюваної речовини, то фотоефект – зовнішній. Якщо електрони втрачають зв’язок тільки зі „своїми” атомами і молекулами, але залишаються всередині освітлювальної речовини як „вільні” електрони, збільшуючи електропровідність речовини, то фотоефект – внутрішній. Основні закони зовнішнього фотоефекту встановлено Столєтовим:

1. Фотострум насичення І (тобто максимальне число електронів, звільнених світлом за 1 с) прямо пропорційний до світлового потоку Ф:

І=kФ (1)

де k – фоточутливість освітлювальної поверхні.

2. Швидкість фотоелектронів зростає зі збільшенням частоти падаючого світла і не залежить від його інтенсивності.

3. Незалежно від інтенсивності світла фотоефект починається тільки при визначеній (для даного металу) мінімальній частоті світла, що називається червоною межею фотоефекту.

Ці закони ґрунтуються на квантовій теорії світла. Згідно цієї теорії, світловий потік визначається числом світлових квантів (фотонів), що падають за одиницю часу на поверхню металу. Кожен фотон може взаємодіяти тільки з одним електроном.

Рівняння Ейнштейна для зовнішнього фотоефекту:

, (2)

де - частота світла, h – стала Планка.

Енергія фотона , поглинута електроном, витрачається на розрив його зв’язків з кристалічною граткою металу (робота виходу А) і надання йому кінетичної енергії .

Згідно з рівнянням (2), зі зменшенням частоти світла кінетична енергія фотоелектронів зменшується (робота А є сталою для даної освітлюваної речовини). При деякій частоті (або довжині хвилі ) кінетична енергія фотоелектрона дорівнюватиме нулю () і фотоефект припиниться (3-й закон фотоефекту). Це відбувається за умови , тобто у разі, коли енергія фотона витрачається тільки на здійснення роботи виходу електрона. Тоді

(3)

або (4)

Рівняння (3), (4) визначають червону межу фотоефекту.

Робота фотоелемента ґрунтується на явищі зовнішнього фотоефекту. Катодом вакуумного фотоелемента є шар металу, нанесеного на внутрішню поверхню вакуумного скляного балона В; анод А виготовлено у вигляді металевого кільця, розташованого у центральній частині балона. При освітленні катода в колі фотоелемента виникає електричний струм, сила якого пропорційна до світлового потоку.

Рис. 1. Схема фотоелемента.

У лабораторній роботі досліджуються такі властивості фотоелемента:

1. Залежність фотоструму І_ф від анодної напруги U при постійному світловому потоці Ф (вольт-амперна характеристика).

2. Залежність фотоструму І_ф від величини освітлювального потоку Ф, що падає на фотоелемент при постійній напрузі на аноді U (світлова характеристика).

3. Чутливість фотоелемента .