Оптоэлектроника Полупроводниковый лазер Волоконно-оптический световод Электронно-дырочный переход Изучение законов внешнего фотоэффекта

Лабораторные работы по электронике

Описание установки и методика измерений

Экспериментальная установка состоит из обычной лампочки накаливания с вольфрамовой нитью, светофильтра и приемника излучения (фоторезистора) (рис.601.1).

Рис. 606.1

При прохождении электрического тока, нить накаливания лампочки нагревается и излучает свет в широком диапазоне частот в видимой и инфракрасной областях спектра. Подводимая к лампочке электрическая мощность N может изменяться переключателем и измеряться с помощью амперметра и вольтметра, включенных в цепь питания лампочки. Поскольку не вся подводимая электрическая мощность  преобразуется в световое излучение, то можно записать

P = hN, (601.9)

где P - излучаемая лампочкой мощность (601.5); h - коэффициент полезного действия лампочки.

С учетом (601.5) выражение (601.9) примет вид

. (601.10)

Для лампы накаливания коэффициент полезного действия h и коэффициент нечерности a, а следовательно, и их отношение зависят от электрической мощности N, подводимой к лампе:

. (601.11)

Тогда с учетом (601.11) выражение (601.10) примет вид

. (601.12)

Свет от нити накаливания проходит через светофильтр и попадает на фоторезистор, с помощью которого измеряется интенсивность света , прошедшего через светофильтр. Измеряемая интенсивность света , очевидно, пропорциональна интенсивности света , излучаемой лампочкой в диапазоне частот пропускаемых светофильтром , а значит, пропорциональна излучательной способности абсолютно черного тела. При условии  запишем

. (601.13)

Здесь учтено соотношение (601.6). Поскольку интенсивность света  регистрируют с помощью фоторезистора путем измерения его сопротивления, то необходимо установить зависимость сопротивления   от интенсивности света, падающего на фоторезистор . Из закономерностей внутреннего фотоэффекта следует, что, с одной стороны, концентрация свободных носителей заряда n пропорциональна количеству фотонов, падающих на фоторезистор, т.е. интенсивности света. С другой стороны, сопротивление фоторезистора R пропорционально его удельному сопротивлению r при неизменных геометрических размерах (R ~ r); удельное сопротивление r, в свою очередь, обратно пропорционально концентрации свободных носителей заряда n (r ~ 1/n). Суммируя сказанное выше, можно заключить, что сопротивление фоторезистора R обратно пропорционально интенсивности света, падающего на фоторезистор, т.е.

. (601.14)

Из (601.13) и (601.14) следует, что

. (601.15)

Измерение постоянной Планка основано на использовании соотношений (601.8), (601.12) и (601.15).

Для двух значений N1 и N2 электрической мощности, подаваемой на лампочку, измеряются соответствующие величины сопротивлений R1 и R2 фоторезистора.

Кратко опишем последовательность математических преобразований, приводящих к расчетной формуле для постоянной Планка.

Из (601.15) имеем для двух значений мощности N1, N2 и одного и того же диапазона частот следующее соотношение:

.

Так как для частот   диапазона видимого света и температур нити накаливания лампочки  имеем , то в числителе и знаменателе рассматриваемого равенства можно пренебречь единицей по сравнению с экспонентой, поэтому

.

Логарифмируя последнее соотношение и подставляя в него значения температур, полученные из (601.12), запишем

 и.

Возведя обе части равенства в четвертую степень, получим

.

Подставим в это соотношение выражение (601.8), после чего для постоянной Планка  получим

. (601.16)

Из последнего соотношения видно, что для определения постоянной Планка необходимо знать зависимость коэффициента  (601.11) от величины подводимой к лампочке электрической мощности. Для лампочки, используемой в данной работе, в диапазоне рабочих мощностей N коэффициент  очень слабо зависит от N, поэтому для практических расчетов используется среднее значение . Поскольку используемые в работе светофильтры имеют достаточно большие полосы пропускания по частоте , то последовательный учет этого факта приводит к необходимости проводить интегрирование выражения (601.13)

.

Кроме того, в этом случае необходимо учитывать характеристики фоторезистора. Оба последних факта можно учесть, введя поправочный коэффициент  в формулу (601.16). Тогда (601.16) примет вид

.

Постоянная величина   м2/с2, поэтому окончательно расчетная формула для постоянной Планка примет вид

. (601.17)

601.6. Порядок выполнения работы

1. Ознакомиться с внешним видом установки и приборов, используемых в работе; определить, на каких пределах шкал приборов будут производиться измерения мощности и сопротивления фоторезистора. Определить цену деления шкал приборов и точность приборов. Данные занести в протокол.

2. Записать в протокол характеристики установки и используемых светофильтров:  - площадь нити накаливания лампочки;  - среднее значение отношения коэффициента нечерности нити накаливания к коэффициенту полезного действия лампочки в рабочем диапазоне мощностей;  - средние частоты пропускания используемых в работе светофильтров;  - поправочные коэффициенты, учитывающие конечность полосы пропускания светофильтров и частотную характеристику фоторезистора. Эти данные указаны в таблице на лабораторном столе.

3. Вставить в кассету перед фоторезистором один из светофильтров.

4. Включить омметр кнопкой «Сеть». Прогреть 5-7 минут.

5. Включить блок питания установки тумблером «Сеть».

6. Выставить выбранное из рабочего диапазона значение мощности, подводимой к лампе накаливания.

Указание. Рабочий диапазон мощности, подводимой к лампочке, устанавливается в данной работе в пределах 6-12 Вт.

7. Через 2 - 3 минуты измерить сопротивление  фоторезистора, соответствующее мощности . Записать в таблицу протокола значения  и .

8. Повторить измерения, указанные в пп.6-7 для другого уровня мощ­ности  и соответствующее  фоторезистора. Данные записать в таблицу.

9. Повторить измерения согласно пп.6-8 для других светофильтров. Данные записать в таблицу.

10. Произвести расчет постоянной Планка по формуле (601.17) для частот пропускания светофильтров, используемых в работе.

11. Оценить погрешность измерения постоянной Планка, используя данные по классу точности ваттметра и полагая, что основной вклад в погрешность вносит множитель .

12. Представить результаты расчетов в стандартном виде. Сравнить полученные значения постоянной Планка с табличным значением  = 6,62×10-34Дж×с и сделать выводы.

Контрольные вопросы

1. На чем основан принцип измерения постоянной Планка в данной работе?

2. Каковы особенности теплового излучения по сравнению с другими видами излучения?

3. Можно ли в данной методике измерения постоянной Планка использовать излучение нетепловых источников света, например, излучение лазера?

4. Перечислите и сформулируйте основные закономерности теплового излучения.

5. Приведите соображения, подтверждающие, что между проводимостью фоторезистора и интенсивностью света, падающего на фоторезистор, существует пропорциональная зависимость.

6. Продумайте, как в данной работе оценить влияние на результат измерения постоянной Планка того факта, что светофильтр обладает конечным диапазоном частот пропускания.

7. Как изменится расчетная формула для постоянной Планка:

а) если нить накаливания лампочки считать абсолютно черным телом?

б) если считать, что вся подводимая к лампочке электрическая мощность идет на излучение света?

8. Какой вид принимает формула Планка для низких  и высоких ( частот?

Компараторы

Компараторы определяют знак входного сигнала. Компараторы являются связующим элементом между аналоговыми и цифровыми схемами. Для реализации компаратора может использоваться операционный усилитель без обвязывающих цепей Zвх, Zос. Чтобы из инвертирующего включения получить компаратор, из схемы необходимо убрать Rос. R1 можно закоротить, как показано на рис. 94. Возможно и неинвертирующее включение ОУ.

Выпускаются специализированные микросхемы компараторов: К521СА3, К554СА3, КР597СА2 и др. Специализированные компараторы обладают повышенным быстродействием и имеют цифровой выход 1 и 0.

Схема применения компаратора для широтно-импульсного регулирования

ОУ является компаратором, который сравнивает два сигнала - пилообразный и управляющий. Изменяя величину Uупр можно менять длительность интервалов t1 и t2. При этом период выходного сигнала T изменяться не будет, а соотношение между t1 и t2 будет зависеть от Uупр. Варианты:

1. Uупр=0:  t1=0, t2=T, Uвых = -Uнас.

2. Uупр=Uпил.max/2: t1=t2=T/2, Uвых.ср.=0.

3. Uупр=Uпил.max : t1=T, t2=0, Uвых =Uнас.

Т.о. изменяя величину Uупр от 0 до max можно менять среднее значение выходного напряжения Uвых.ср. от -Uнас. до Uнас. Uвых.ср. - это постоянная составляющая выходного сигнала, которая может быть выделена с помощью фильтра. При изменении ширины интервалов t1 и t2 меняется Uвых.ср, поэтому такой способ регулирования среднего значения напряжения называется  широтно-импульсное регулирование.


На главную