Изучение характеристик фотосопротивлений

                             Лабораторная  работа  №51

          Изучение  характеристик  фотосопротивлений.

Приборы  и  принадлежности: Измерительная  установка  в  собранном  виде,  два  выпрямителя  на  12  вольт  для  питания  фотосопротивления  и  осветительной  лампы.

Описание  работы:

Целью  работы  является  снятие  световых  и  вольтамперных  характеристик  фотосопротивлений  типа  ФСК,  одного  из  наиболее  часто  употребляемых  в  автоматике.  На  рис.1  представлена  измерительная  установка.

 

 Рис.1.   Схема  измерительной  установки

   Осветитель  и  фотосопротивление  установки  смонтированы  на  оптической  скамье  и  помещены  в  светонепроницаемый  кожух.  Осветителем  служит  лампа  с  силой  света  21  кд.  Световой  поток,  посылаемый  лампой  на  фотосопротивление,  можно  вычислить  по  формуле:

Ф = L·ΔW     ,

 где   L  - сила  света  источника,                                       

ΔW - телесный  угол,  который  в  данной  установке  равен:

ΔW=   .

Окончательно:   Ф = SL  /  ² ,       

где  S   - активная  площадь 

фотосопротивления,  равная  для  данной  установки   ^–6 м²,    

  - расстояние  между  нитью  лампы  и  окном  фотосопротивления,  измеряемое  при  каждом  эксперименте  по  линейке,  закрепленной  на  оптической  скамье, 

L - сила  света  лампы  (21  кд  в  данной  установке).  Исследуемое  фотосопротивление  имеет  темновое  сопротивление 28 · 10⁵ Ом  и  рабочее  напряжение  2,8  В.   Фотосопротивления  относятся  к  классу  полупроводников,  т.е.  их  удельное  сопротивление  больше,  чем  у  проводников  (порядка   10 ^-7  Ом · м)  и  меньше,  чем  у  изоляторов  (порядка  10¹²  Ом · м).  Такие  широкие  различия  по  сопротивлению  у  трех  групп  твердых  тел  объясняет  зонная  теория  твёрдого  тела.  На  рис.2  представлены  энергетические  схемы  трёх  групп.   

 

                                                                                            

                      а)                                      б)                                                         в)

Рис.2.  Энергетические  схемы:  а)  проводников,  б)  полупроводников,

                                                                     в)  диэлектриков.

На  энергетических  схемах  двойной  штриховкой  показана  заполненная  энергетическая  зона,  в  которой  находятся  валентные  электроны  атомов  твёрдого  тела;  одинарной  штриховкой  показана  зона  проводимости,  в  которой  нет  электронов,  если  атомы  тела  находятся  в  невозбуждённом  состоянии.  Между  этими  двумя  зонами  находится  запрещенная  зона,  в  которой  у  твёрдого  тела,  не  имеющего  примесей,  нет  электронов.  Именно  энергетическая  ширина  Е  запрещенной  зоны  определяет  собой  различия  между  тремя  классами  твердого  тела.  У  проводников  Е = 0,  и  каждый  электрон  заполненной  зоны,  повысив  свою  энергию  на  сколь  угодно  малую  величину,  может  перейти  на  близлежащий  свободный  электронный  уровень;  следовательно,  каждый  электрон  может  взять  энергию  от  электрического  поля  и  принять  участие  в  общем  направленном  потоке  заряженных  частиц,  т.е.  электрическом  токе.  У  изоляторов  

Е = 5 эв  и  больше,  т.е. Е  столь  велика,  что  ни  один  электрон  заполненной  зоны  не  может  перейти  в  свободную  зону  проводимости  ни  под  действием  электрических  полей  обычной  напряжённости,  ни  под  действием  видимого  света,  ни,  тем  более,  под  действием  теплового  движения  при  температурах,  близких  к  комнатной.  У  полупроводников  Е = 0,5 – 5  эв  и  хотя  здесь  электроны  и  не  могут  под  действием  только  электрического  поля  обычной  напряженности  перейти  из  заполненной  зоны  в  зону  проводимости,  но  под  действием  видимого  света  и  теплового  движения  при  комнатных  температурах  этот  переход  становится  возможным.  Электроны,  перешедшие  в  зону  проводимости,  могут  брать  сколь  угодно  малые  порции  энергии  от  электрического  поля,  т.к.  в  зоне  имеется  много  уровней,  свободных  от  электронов.  Полупроводники  только  при  температуре  абсолютного  нуля  в  полной  темноте  не  проводят  электрического  тока,  потому  что  в  этих  условиях  в  их  заполненной  зоне  нет  ни  одного  свободного  уровня,  а  в  зоне  проводимости  нет  ни  одного  электрона.  В  качестве  фотосопротивлений  используются  такие  проводники,  энергетическая  ширина  запрещенной  зоны – Ε  которых  близка  к  энергии  квантов  видимого  света.  При  освещении  сопротивление  таких    полупроводников  уменьшается.  Интегральная  чувствительность  фотосопротивлений  определяется  величиной  фототока,  приходящегося  на  единицу  светового  потока:        к =   ( )

Электрический  ток  в  фотосопротивлениях  при  напряжениях,  близких  к  рабочему,  подчиняется  закону  Ома  и  поэтому  их  интегральная  чувствительность  будет  зависеть  от  приложенного  напряжения.

U(B)	=10см	=15см	=20см	=26см
	I1(мА)	I2(мА)	I3(мА)	I4(мА)
2 . . . . 10

Порядок  выполнения  работы:

1.  Подключить  блоки  питания  к  установке,  замкнуть  цепь  и  снять

     семейство  вольтамперных  характеристик   J_Ф  = f (U)  при  значениях  U  от 2 В

     до  10  вольт  при  различных  световых  потоках,  занося  показания 

     приборов  в  таблицу.  Для  изменения  светового  потока  в  данной   

     установке    помещают  фотосопротивление  на  разные  расстояния

     (l = 10,15,20  и  25  см)  от  входной  диафрагмы.

2.  Построить  графики  J_Ф  = f (U)  при  четырех  величинах  световых  потоков.

3.  Вычислить  величины  световых  потоков,  использованных  в  работе,  по  указанной  выше  формуле  и  по  четырём  точкам  построить  световую  характеристику   J_Ф  = f (Ф)    при  напряжении  на  фотосопротивлении  равном  3  вольтам, 5в и 7в

                                               Литература:

С.Э.Фриш  и  А.В.Тиморёва          Курс  физики  т.3,  гл. XXlX

Г.А.Зисман  и  О.М.Тодес              Курс  общей  физики  т.2,  гл.Vl