В сучасній техніці існує багато різних електронних пристроїв, які тим чи іншим чином реагують на світло. Тут можна згадати сучасні астрономічні пристрої, пристрої для вимірювання концентрації речовин в прозорих розчинах, а також турнікети, які контролюють проходження пасажирів в метро, і ще багато чого.
Зрозуміло, що в складі таких пристроїв повинні існувати електронні елементи, електричні властивості яких змінює вплив світла. Такі електронні елементи звуться фотоелементами або фотоелектричними перетворювачами. Вплив світла на електричні властивості електронного приладу називається фотоефектом.
В лабораторній роботі виконується дослідження вакуумного та газонаповненого фотоелементів. Різновид фотоефекта, який в них використовується, зветься зовнішнім фотоефектом.
Пояснити, що таке зовнішній фотоефект, можна таким чином. Кожна речовина складається з атомів. Атоми, в свою чергу, складаються з ядра та електронів, які по певних орбітах рухаються навколо ядра. Якщо квант світла обміняється з якимсь електроном часткою своєї енергії, може статися, що цей електрон залишить свій атом.
Може статися навіть, що електрон залишить межі твердого тіла, в якому атом знаходиться. Оце і є зовнішнім фотоефектом – виходом електронів за межі твердого тіла внаслідок впливу квантів світла. Процес виходу електронів в цьому випадку носить назву фотоелектронної емісії. Кажуть ще, що електрони емітують з поверхні тіла.
Будови вакуумного та газонаповненого фотоелементів здебільшого схожі.
Обидва вони уявляють собою скляні балони, в яких розташовані два електроди: катод і анод. До катоду і аноду підводиться напруга від зовнішнього джерелам енергії. Ця напруга носить назву напруги живлення, а її джерело – назву джерела живлення.
Різниця між фотоелементами полягає у внутрішньому наповненні балонів. Один має в балоні вакуум, в другому балон заповнений інертним газом. Звідси походять назви фотоелементів. Як у вакуумі, так і в інертному газі відсутні вільні носії зарядів. Тому струм через них можливий лише за умови, якщо носії будуть доставлені зовні. Джерелом такої доставки є фотоелектронна емісія.
Але тільки наявності електронів замало для створення струму, необхідно створити умову для їх руху. Для цього потрібне ще електричне поле, створене напругою живлення. Це поле повинно бути таким, щоб електрони рухались від катода, з поверхні якого вони емітують, до анода.
Відомо, що електрони мають від’ємний заряд. Тому рухатись до анода вони будуть, якщо він матиме додатній потенціал відносно катода. За такої умови через фотоелемент протікатиме струм, значення якого залежить від напруги між катодом і анодом та від значення світлового потоку, який падає на катод фотоелемента.
Як саме залежить струм, що протікає через фотоелемент, від напруги та світлового потоку, видно по сімейству його вольтамперних характеристик. Вольтамперна характеристика (ВАХ) – це графік, побудований на координатній площині, в якій по вісі абсцис відкладаються значення напруги між катодом і анодом (її інколи називають анодною напругою), а по вісі ординат – значення струму у фотоелементі. Сімейство характеристик – це кілька графіків на одній координатній площині, кожен з яких відповідає певному значенню світлового потоку.
 |  | ||
Вольтамперні характеристики вакуумного фотоелемента – на рис.4.1. Розглядаючи будь-яку з них можна помітити, що в разі зростання анодної напруги від нуля до деякого значення зростає й струм. Втім, після певного значення напруги її зріст не супроводжується зростанням струму.
Рис. 4.1 Рис. 4.2
Пояснюється це таким чином: при малих значеннях анодної напруги не всі емітовані електрони прямують до анода. Деякі з них повертаються в катод. Але із збільшенням напруги зростає частина електронів, прямуючих до анода, і, нарешті, настає ситуація, за якої до анода прямують всі емітовані електрони. Зрозуміло, що струм тепер не може збільшитись.
Але якщо збільшити падаючий на катод світловий потік, збільшиться кількість емітованих електронів і струм зросте. Цим пояснюється те, що вивчаючи роботу вакуумного фотоелемента не можна обмежитись одним значенням світлового потоку, тобто слід розглядати не одну ВАХ, а розглядати їх сімейство. Вольтамперні характеристики газонаповненого фотоелемента – на рис. 4.2
Видно, що зростання анодної напруги майже при усіх її значеннях супроводжується зростом струму. Це можливо тому, що у струмі газонаповненого фотоелемента беруть участь не тільки емітовані з катода електрони. До них додаються електрони, створені в результаті іонізації інертного газу.
Процес іонізації називають розрядом в газі. Існують кілька різновидів розрядів в газах. Розряд, який виникає у інертному газі газонаповненого фотоелемента, називається несамостійним темновим. Він настає при певних значеннях анодної напруги і, чим більше буде значення напруги, тим більше буде інтенсивність іонізації газу. Цим пояснюється безперервний зріст ВАХ газонаповненого фотоелемента.
Порядок виконання роботи.
1. Виконати підготовку до лабораторної роботи.
2. Зібрати схему дослідження вакуумного фотоелемента СЦВ-3 (рис. 4.3).
Рис.4.3
3. Зняти вольтамперні характеристики: 
при 
для двох значень світлового потоку: F 1 і F 2. Одержані результати занести в табл. 4.1.
Таблиця 4.1.
| U a, В | ||||||||||
| F 1 | I a, мкА | |||||||||
| F 2 | I a, мкА | |||||||||
4. Побудувати на одному графіку обидві вольтамперні характеристики і розрахувати динамічну чутливість фотоелемента при F 1= 0,3 лм і F 2= 0,6 лм.
5. Зібрати схему для дослідження газонаповненого фотоелемента ЦГ-3 (рис. 4.4).
Рис.4.4.
6. Виконати дослідження відповідно до п.3 для газонаповненого фотоелемента (результати занести в табл. 4.2).
Таблиця 4.2.
| U a, В | |||||||||
| F 1 | I a, мкА | ||||||||
| F2 | I a, мкА |
7. Повторити дії відповідно п.4
8. Зробити висновки по роботі.
Контрольні питання.
1. Що таке фотоефект?
2. Що таке внутрішній фотоефект?
3. Як звуться електроди фотоелемента?
4. На якому з електродів фотоелемента виникає емісія?
5. Яким повинний бути потенціал анода відносно катода, щоб у фотоелементі утворився струм?
6. Що таке вольтамперна характеристика?
7. Що таке «сімейство характеристик»?
8. Поясніть різницю між вольтамперними характеристиками вакуумного і газонаповненого фотоелементів та сформулюйте причину такої різниці.
Лабораторна робота № 5
Дослідження фотоелементів із внутрішнім фотоефектом
Мета роботи: вивчити конструкцію, принципи дії фотоелементів із внутрішнім фотоефектом, експериментально визначити їх характеристики і параметри.
