Ф со пгу 18. 2/05 Қазақстан Республикасының білім және ғылым министрлігі

Өлшеулер мен есептеулер кестесі

1, град	I1 ()	2, град	I2 ()			cos	сos2
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90		180 170 160 150 140 130 120 110 100 90

7 Алынған мәндер бойынша -дің cos² -тан () тәуелділік графигін салу керек, мұнда– 90⁰ бұрышқа сәйкес ток.

2. Неліктен электр өрісінің кернеулік векторы жарық векторы болып табылады?

3. Жазық поляризацияланған жарықты қалай алуға болады?

4. Малюс заңын жазу және түсіндіру.

5. Поляризация қандай толқындардың сипаттамасы?
№ 68 Зертханалық жұмыс. Вакуумды фотоэлементті зерттеу
Жұмыстың мақсаты:

1) Вакуумды фотоэлементтің вольт-амперлік және жарықтық сипаттамаларын алу.

2) Вакуумды фотоэлементті зерттеу.
Теориялық кіріспе
Электромагнитті сәулелендірудің әсерінен заттардан электрондардың ыршып шығуын фотоэлектрлік эффект немесе фотоэффект деп атайады. Фотоэффекттің үш түрі бар: сыртқы, ішкі және вентильді. Егер электрондар жарық түсірілген дененің бетінен қоршаған ортаға ыршып шықса, фотоэффект сыртқы деп аталады және ол металдарға тән.

Сыртқы фотоэффект үшін Столетовтың келесі заңдары белгіленген:

1) фотоэффект инерциалы емес, яғни жарықтандыра бастаған мезетпен фотоэлектрондардың пайда болуының арасында кешігу жоқ;

2) жарықтың заттың бетінен бірлік уақытта ыршытып шығаратын электрондар саны түскен жарықтың спектралды құрамы өзгермеген жағдайдағы интенсивтілігіне тура пропорционал;

3) заттан ыршып шығатын электрондардың жылдамдығы, жұтылатын жарықтың жиілігінің функциясы болып табылады. Жиілік артқан кезде фотоэлектрондардың жылдамдығы, яғни, олардың бастапқы кинетикалық энергиясы сызықты артады;

4) әр бір зат үшін анықталған қандай да бір минимал жиілік бар, егер жарық жиілігі одан төмен болса фотоэффект байқалмайды. Ол жиілік фотоэффекттің қызыл шегі деп аталады.

Эйнштейн кванттық үрдістерде энергияның сақталу заңының негізінде электрондардың жарықтың әсерінен ыршып шығу кезіндегі энергиясы мен сол жарықтың жиілігінің арасындағы сандық байланысын анықтаған; яғни Эйнштейн теңдеуі
(68.1)

мұндағы = 6,62 10^-34Дж с –Планк тұрақтысы;

Бұл теңдеуді былай түсіну қажет: энергиясы фотон, металға түскен кезде, өзінің энергиясын электронға береді. Ол энергия, біріншіден, электронның металдан шығу жұмысын атқаруға, екіншіден, электронға кинетикалық энергияны беруге жұмсалады. Егер болса фотоэффект байқалмайды. Заттардың көбі үшін фотоэффекттің қызыл шегі спектрдің ультракүлгін бөлігінде жатыр және тек сілтілік металдар үшін ол көрінетін және кейде инфрақызыл бөлігінде болады.

Сыртқы фотоэффектті фотоэлементтердің негізгі сипаттамалары:

Вакуумды фотоэлементтің артықшылығы, олардың тұрақтылығы және жарық ағыныны мен фототоктың сызықтық тәуелділігі болып табылады.

Бірақ олардың сезімталдығы жоғары емес (1лм жарық ағынына 20-100 мкА). Фотоэлементтерді техникалық қолдану кезінде әлсіз бастапқы фототоктарды алдымен фотоэлементтердің өзінде күшейту қажеттілігі туындайды. Фотоэлемент қысымы төмен (-10^-2мм сынап бағанасындағы) қандай да бір инертті газбен толтырылады. Токтың күшеюінің себебі катодтан ыршып шыққан фотоэлектрондар электр өрісінен үдеу алып газ молекулаларын иондайтындықтан болады, яғни жаңа электрондар туындайды. Газбен толтырылған фотоэлементтердің сезімталдығы біршама жоғары, бірақ олардың инерционалдығы да жоғары және вольт-амперлік сипаттамасы сызықты емес, ал ол болса олардың қолдануын шектейді. Бастапқы фототокты қосымша электродтардан алынған екінші электронды эмиссияның көмегімен күшейтудің басқа бір әдісі фотоэлектронды көбейткіш деп аталатын– ФЭУ құралдың негізінде жатыр. Ондай электродтар 10-15 шамасында. Бұл жүйелердің күшейткіш коэффициенті 10⁷ - 10⁶ -ке, ал ФЭУ интегралды сезімталдығы мың ампер люменге дейін жетеді. Соның нәтижесінде шағын жарық ағының тіркеуге болады. Қазір біркаскадты және көпкаскадты фотокөбейткіштер кең қолданылады.

Жұмысты орындау тәртібі:
68.2 суретте тәжірибелі сынаққа арналған қондырғының схемасы келтірілген

68.2 сурет

Фотоэлемент және жарық көзі оптикалық орындықта орнатылады.

Вольт-амперлік сипаттаманы алу үшін:

1) жарықтандырғышты фотоэлементтен (жарық ағынын) алыс емес арақашықтыққа орнатыңыз;

2) анодтағы кернеуді біртіндеп арттыра отырып (6-10В-тан кейін) вольтметрдің және амперметрдің көрсеткіштерін 68.1 кестеге жазыңыз;

3) жарық көзінің орнын біраз ауыстырып 1 және 2 пункттегі өлшеулерді қайталаңыз;

4) Вольт-амперлік сипаттаманы I=f(U) құру.

Жарықтық сипаттаманы алу үшін:

1) Қанығу аймағындағын сипаттайтын кернеуді I=f(U) графигінен анықтау;

2) Қанығу аймағына (I_Н) сәйкес келетін анодты кернеуді орнату, мұндағы I_Н –жарық ағынының екеуі үшін қанығу тогы. Жарықтандырғыш пен фотоэлемент арасындағы арақашықтықты өзгерте отырып (5-6 рет), фотоэлементтің әйнегінің жарықтануын люксметрмен өлшеу. Ол арақашықтықтар үшін микроамперметр көрсеткіштерін 68.2 кестеге жазу;
68.2 кесте

Е, лк
Ф, лм
I, мкА
J, мкА/лм

3) Әр бір арақашықтық үшін жарық ағынын есептеу

Ф = ЕS (68.2)
мұндағы S –фотоэлемент ауданы, S = м²;

4) жарық ағынының барлық мәндері үшін сезімталдықты есептеу ;

5) I_Н= f(Ф) графигін құру.
Ескерту: Люксметр шегін 3 10³ Лк-ға орнату.
Бақылау сұрақтары
1. Фотоэффект деп қандай құбылыс аталады.

2. Фотоэффекттің қандай түрлерін білесіңдер.

3. Фотоэффект заңы (Столетов заңы).

4. Эйнштейн теңдеуін жаз және түсіндір.

5. Фотоэлементтің құрылысы және жұмысы.

6. Берілген жұмыста алынған графиктерді түсіңдір.

1) оптикалық пирометрдің құрылысымен және жұмысымен танысу.

2) Стефан-Больцман тұрақтысын тәжірибе жүзінде анықтау.
Теориялық кіріспе
Жоғары температураға дейін қыздырылған денелер жарық шығарады. Дененің қыздыру нәтижесінде жарық шығаруын жылулық (температуралық) сәулелену деп атайды. Жылулық сәулелену – бұл заттың атомдары мен молекулаларының жылулық қозғалысының энергиясының нәтижесінде пайда болатын электромагниттік сәулелену. Ол температурасы Кельвин нөлінен жоғары болатын барлық денелерге тән. Жоғары температура кезінде қысқа және ультракүлгін, ал төмен температура кезінде инфрақызыл толқындар сәулеленеді. Барлық сәулеленулердің арасында тек жылулық сәулелену адиабаталық оқшауланған тұйық жүйеде тепе-теңдік күйде бола алады. Осындай жүйеде көбірек қызған денелер көп сәулеленеді және аз жұтады, ал азырақ қызған денелер керісінше аз сәулеленеді және көп жұтады. Ал ол болса, денелер мен олардың жылулық сәулеленулері арасындағы энергияны тепе-тең қалыпта үлестіруіне әкеледі.

Жылулық сәулеленудің сандық сипаттамасы ретінде:

1) дененің сәулелендіргіштігі – бұл дене беттің бірлік ауданынан бірлік еннің жиілік интервалындағы сәулеленудің қуаты
(69.1)

мұндағы - электромагниттік сәулеленудің энергиясы, ол бірлік уақытта дене бетінің бірлік ауданынан ден -ге дейінгі жиілік интервалында шығарылады. Сәулеленудің өлшем бірлігі ().

2) денелердің оларға түскен сәулелерді жұтуы жұту қабілетімен сипатталады
(69.2)

Ол бірлік уақытта дене бетінің бірлік ауданынан бірлік жиілік интервалында өтетін, денеге түскен электромагниттік толқындар таситын жұтылатын энергия бөлігін көрсетеді.

Кез келген температурада денеге түскен кез келген жиіліктегі барлық сәулелерді толықтай жұтатын денені абсолют қара дене деп атайды. Яғни, абсолют қара дене үшін . Абсолют қара дененің идеалды моделі ретінде кішкентай саңылауы бар, ішкі беті қарайтылған тұйық қуысты алуға болады.

О

69.1 сурет
Жарық сәулесі шағылу нәтижесінде толық жұтылады. Кирхгоф сандық байланысты орнатқан

(69.3)
Бұл сәулеленудің спектралды тығыздығының спектралды жұту қабілетіне қатынасы дененің табиғатына тәуелді емес және барлық денелер үшін әмбебап функция болып табылады, яғни

Қазіргі заманға сәйкес теория үшін келесі өрнекті береді

мұндағы =- Планк тұрақтысы

К= - Больцман тұрақтысы

Осы формуладан абсолют қара дененің сәулелену заңдары қортылып шығарылған.

мұндағы- Стефан-Больцман тұрақтысы

мұндағы b= - Вин тұрақтысы.

Сәулелену заңдарының көмегімен температураны өлшеу әдістері, яғни қыздырылған денелердің абсолют температураларын олармен тікелей байланыс жасамай оптикалық жолмен анықтау, оптикалық пирометрияның негізінде жатыр. Қазіргі уақытта осы әдістер жоғары температураларды (2000К-нен жоғары) анықтаудың жалғыз жолы болып табылады. Әдістің негізінде сәулеленудің қандай заңы жатқанына байланысты, үш температура қарастырылады: радиациялық, жарықты, жарықтылық. Осы температуралар шынайы температурамен белгілі бір қатынаста болады. Сәйкес келетін пирометрлер радиациялық, жарықты және жарықтылықты деп аталады.

Стефан-Больцман тұрақтысын Стефан-Больцман заңынан анықтауға болады, егер дененің температурасын және сәулелендіргіштігін білетін болсақ.

O - объектив; Л – фотометрлік шам; O₁ - окуляр; GB - батарея; R₁ – пирометр реостаты; R₂ – тізбек реостаты; S₁ – сәулелену көзі

Қуат Р_р көбінесе жылулық сәулеленудің нәтижесінде шашырайды:

Онда былай жазуға болады: Р_р=Р_э+Р_ср немесе Т⁴S=IU+TS, осыдан

Егер жарық көзі абсолют қара денеден ерекшеленсе, онда анықталған жарықтылық температурасы шынайы температурадан ерекшеленеді, яғни құрал =0,65мкм үшін абсолют қара дененің жарықтылығы Т_н шынайы температурада зерттелетін дененің жарықтылығына тең болатын Т_я температураның мәнін береді. Т_н шынайы және Т_я жарықтылық температураларының байланысын былай көрсетуге болады

мұндағы = - берілген материалға (Вольфрам) сәйкес келетін тұрақты.

2 Cақинаны тірекке дейін айналдыра отырып, пирометр реостатының барлық кедергілерін R₁ енгізу.

3 Сәулелендіргіш тізбегін қосып, сәйкес келетін кернеуді орнату.

4 SA ажыратқыш батырмасын басып, эталонды шамның тізбегін тұйықтау.

5 Монохроматты жарықты алу үшін қызыл жарық фильтрін қолдану.

6 О₁ окулярмен эталонды шам жібінің айқын бейнесін алу.

7 Пирометр О объективін қабылдағышқа бағыттап және объектив тумблерін қозғалта отырып, оның бейнесінің айқындылығын алу.

8 Эталонды шам жібінің қызуын біртіндеп арттыра отырып, сәулелендіргіштің бейне фонында жіптің орта бөлігінің (доғаның шыңы) «жоғалып кетуіне» қол жеткізу, құралдың шкаласында температура санағын жүргізу. Сәулелендіргіш көзінің тізбегінде РА және PV құралдарының көрсеткіштерін алу.

9 Сәулелендіргіш тізбегінде 3 рет әртүрлі кернеумен тәжірибені қайталау. Барлық берілгендерді кестеге енгізу.

10 (69.11)

мұндағы S=4,3 10^-5м²;

Т_я – пирометр шкаласымен (жарықтылық) өлшенген температура;

Т_и – шынайы температура;

Т_ор – қоршаған ортаның температурасы, яғни бөлмелік температура.
Өлшеулер мен есептеулер кестесі

№ п/п	Тср, К	Тя, К	Тн, К	I, A	U, B	S, м2	, Вт/м2к	Вт/м2.к4
1 2 3
ор.

11 Абсолют қателікті төмендегі формула бойынша анықтаңыз
(69.12)

мұндағы n – өлшеулер саны n=3

t(n) – үш рет алынған өлшеу үшін Стьюдент коэффициенті

- Стефан-Больцман тұрақтысының орташа мәні.

- Стефан-Больцман тұрақтысының әрбір есептелген мәні.

12 мәнін сенімділік интервалы түрінде жазыңыз.

2. Жылулық сәулеленудің сипаттамалары:

а) сәуле шығарғыштық;

б) жұтқыштық;

3. Қандай дене абсолют қара деп аталады?

4. Абсолют қара дененің заңдарын түсіндіру:

а) Стефан-Больцман заңы;

б) Вин заңы.

5. Оптикалық пирометрдің жұмыс принципін түсіндіру.

6. Жұмыс формуласын қортып шығару.

7. Жарық толқынының қандай қасиеттері берілген жұмыста дәлелденеді?

Әдебиет
1 Детлаф А.А, Яворский Б.М. Курс физики: учебное пособие для втузов / Детлаф А.А, Яворский Б.М. – М. : Высшая школа 1989. – 650 с.

2 Евграфова А.Г, Коган В.Л. Руководство к лабораторным работам по физике. – М., 1970. – 398 с.

3 Иверонова В. И. Физически практикум – 2-ое изд. – М., 1967. – 323 с.

4 Кортнев А.В и др. Практикум по физике: учебное пособие для втузов. – М., 1965. – 549 с.

5 Майсова Н.Н Практикум по курсу общей физики: учебное пособие для студентов заоч. втузов и факультетов. – 2-ое изд., перераб. и доп. – М., 1970. – 484 с.

6 Савельев И.В Курс общей физики. – М., 1989. – 368 с.