Електропровідність при освітленні буде (стр. 2 )

1.  Монохроматор (УМ – 2, ДМР – 4, або інший).

2.  Джерело світла.

3.  Вольтметр.

4.  Джерело живлення фотоопору.

5.  Захисна коробка, в якій знаходиться фотоопір (ФО).

6.  Автотрансформатор джерела світла.

7.  Вихідна щілина монохроматора.

8.  Мікроамперметр.

Опис установки

У лабораторній роботі використовується установка, принципіальна схема якої зображена на рис.8.

Її основні елементи:

1.  Монохроматор (УМ – 2, ДМР – 4, або інший).

2.  Джерело світла – лампа розжарення.

3.  Вольтметр.

4.  Джерело живлення.

5.  Фотоопір (ФО).

6.  Регульоване джерело живлення лампи розжарення.

7.  Вихідна щілина монохроматора.

8.  Мікроамперметр.

9.  Набір змінних нейтральних світлофільтрів.

10.  Збираюча лінза.

11.  Захисний опір.

Об'єктом дослідження є фотоопір (5). Для живлення ФО використовується універсальне джерело живлення (4). Напруга живлення контролюється за допомогою вольтметра (3). Величина фотоструму і темнового струму реєструється мікроамперметром (8).

Монохроматор (1) дозволяє із суцільного спектру випромінювання лампи розжарення (2) виділити вузькі, майже монохроматичні ділянки спектру і завдяки цьому вивчати залежність характеристик ФО від довжини хвилі випромінювання. Лампа розжарення (2) живиться від регульованого джерела (6), що дозволяє точно встановити температуру нитки лампи розжарення. Лампа розжарення проградуйована за допомогою пірометра таким чином, що певна температура нитки розжарення забезпечується відповідною напругою живлення лампи. (Точне значення температури необхідне для врахування розподілу інтенсивності випромінювання джерела за довжинами хвиль при одержанні спектральної характеристика фотоопору). Пояснимо це детальніше:

Рис.9. Схематичний розподіл енергії за довжинами хвиль в спектрі випромінювання лампи розжарення при різних значеннях температури

Світло, що випромінюється лампою (2), має, у відповідності із законами теплового випромінювання, різну інтенсивність у різних частинах спектру (рис.9). Крім того, розподіл енергії за довжинами хвиль залежить від температури джерела. Тому величина безпосередньо виміряного фотоструму Іф буде залежати не лише від властивостей ФО, а й від спектральної характеристики випромінюванння лампи розжарення (2). Щоб виключити залежність фотоструму Іф від спектральної характеристики джерела випромінювання, необхідно у виміряне значення фотоструму внести поправку. Для цього отримане значення фотоструму необхідно поділити на коефіцієнт відносної енергії (див. таблицю в методичних вказівках до лабораторної установки). Підкреслимо, що величина різна для різних довжин хвиль і температур: у таблиці значення наведено для температури нитки розжарення лампи Т=2700 К.

Набір змінних нейтральних світлофільтрів (9) застосовується для контролю зміни інтенсивності світлового потоку, що падає на ФО. Це дозволяє досліджувати залежність характеристик ФО від інтенсивності світла. Нейтральні світлофільтри не впливають на спектральний склад випромінювання, що падає на ФО.

Збираюча лінза (10) призначена для фокусування світлового потоку від джерела (2) на вхідну щілину монохроматора, що збільшує яскравість спектру і дозволяє зменшити ширину вихідної щілини (7) монохроматора, тобто забезпечити більшу монохроматичність випромінювання на виході з приладу. Маркування нейтральних світлофільтрів і відповідні їм коефіцієнти послаблення (поглинання) випромінювання наведені в методичних вказівках.

Порядок виконання лабораторної роботи

та обробки результатів експерименту

1.  Вивчити експериментальну установку та підготувати її до роботи.

2.  Одержати спектральну характеристику фотоопору (як на рис. 5 теоретичної частини):

а) Для цього на джерело випромінювання (2) подати напругу, яка забезпечує необхідну температуру нитки лампи розжарення. Увімкнути джерело живлення ФО і встановити вихідну напругу Uвих у відповідності із рекомендаціями методичних вказівок до роботи. Присунути ФО впритул до вихідної щілини монохроматора;

б) Послідовно встановлюючи на барабані монохроматора певні значення зафіксувати відповідні значення фотоструму мікроамперметром. Кількість експериментально одержаних точок повинна бути достатньою для побудови графіка (в області від максимума кривої і до червоної межі фотоефекту їх повинно бути більше). Використовуючи градуювальний графік, за значеннями – знайти довжини хвиль ;

в) Для кожної визначити відповідне значення коефіцієнта відносної енергії . Для цього потрібно побудувати допоміжний графік (за даними методичних вказівок).

г) Визначити дійсне значення фотоструму з урахуванням коефіцієнта , де =  , де – виміряне значення фотоструму;

д) Побудувати спектральну характеристику Іф = f(λ). За допомогою графіка цієї характеристики шляхом екстраполяції ділянки найбільш крутого спаду визначити чорвону межу фотопровідності λ0 як довжину хвилі, при якій Іф дорівнює 0. При цьому потрібно врахувати можливість існування темнового струму. За величиною λ0 та за допомогою формули (2) необхідно оцінити мінімальну величину енергії, яка необхідна для утворення фотоносіїв і зробити висновок про різновид фотопровідності (власна або домішкова).

За графіком Іф= f(λ) визначити довжину хвилі випромінювання λmax, яка забезпечує максимальний фотострум. Всі подальші дослідження проводити при цій довжині хвилі.

3.  Перевірити залежність фотоструму від інтенсивності випромінювання, що падає на ФО (див рис. 4). Такі характеристики називаються люксамперними (ЛАХ). Одержують їх таким чином: послідовно змінюючи нейтральні світлофільтри в такому порядку, щоб коефіцієнт пропускання збільшувався, виміряти відповідні значення фотострумів. Це дозволить отримати залежність , тобто одержати залежність фотоструму від відносної зміни інтенсивності випромінювання та порівняти із висновками з формули (10). Результати вимірів записати в табл. робочого журналу. Побудувати графік .

4. Отримати вольтамперну характеристику фотоопору (ВАХ). Для цього, змінюючи напругу живлення ФО та вимірюючи її вольтметром V(3), реєструвати величину фотоструму (максимально допустиме значення Umax наведене в методичних вказівках до лабораторної роботи). Результати вимірів занести в таблиці робочого журналу та побудувати графік залежності Іф= f(U). Вказати діапазон напруг, для якого зберігається лінійний характер залежності, тобто в якому діапазоні напруг можна використовувати даний ФО.

Контрольні питання

1.  Які види фотоефекту вам відомі, який їх механізм?

2.  В чому полягає явище фотопровідності?

3.  Які носії заряду у напівпровідниках називаються рівноважними і нерівноважними, основними і неосновними?

4.  Намалюйте і поясніть енергетичні схеми утворення фотоносіїв у напівпровідниках різного виду за зонною теорією.

5.  Чому в металах явище фотопровідності майже не спостерігається?

6.  Що таке темновий струм і яка його природа?

7.  Сформулюйте та запишіть умови спостереження фотопровідності в напівпровідниках різного виду.

8.  Що таке довгохвильова (червона) межа фотопровідності? Яка природа її виникнення?

9. Що таке квантовий вихід, яке значення може приймати ця величина і чому?

10. Записати вираз для фотоструму у власному напівпровіднику і проаналізувати його.

11. Намалюйте графік залежності фотоструму від інтенсивності світла та поясніть його.

12. Намалюйте спектральну характеристику фотоопору та поясніть її.

13. Розкажіть про фотоопір (будову, характеристики, застосування).

14.  Намалюйте схему експериментальної установки та поясніть призначення її окремих елементів.

15.  Розкажіть про порядок виконання окремих завдань лабораторної роботи: одержання спектральної характеристики ФО і т. п..

16.  Який вид фотопровідності реалізований у досліджуваному ФО в умовах лабораторної роботи? Чому?

17.  Що враховує коефіцієнт відносної енергії Кλ і від чого залежить його величина?

Література

1.  Савельев І. В. Курс общей физики. - М., 1979, т. ІІІ., с. 226.

2.  , Детлаф фізики –М., 1979. Т. ІІІ., с.236 – 239.

3.  Бонч-, Калашников полупроводников.-М., 1977.

Лабораторна робота №13

Дослідження впливу температури на електропровідність металів

Мета роботи:

1.  Ознайомитись з природою впливу температури на електропровідність металів.

2.  Дослідити експериментально залежність опору металу від температури.

3.  Визначити температурний коефіцієнт опору металу.

Теоретична частина

Опір провідника протіканню струму зовсім не така проста річ, як може здатися на перший погляд. Тут не обійтись без поняття кванта. Але спочатку спробуємо обійтись без його допомоги.