光電效應(yīng)物理演示實(shí)驗(yàn)儀器的研究與設(shè)計(jì)

林曉瓏，何春鳳，馮 毅，余成龍

（吉林大學(xué)物理學(xué)院，吉林長春130021）

1 引 言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光電效應(yīng)越來越受到重視，光電器件的應(yīng)用也越來越廣泛.大多數(shù)高校都安排了光電效應(yīng)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)及演示實(shí)驗(yàn)，但是一般的儀器都是通過單一的光電材料來演示光電效應(yīng)，這使得學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的認(rèn)識(shí)不夠全面，對(duì)各種光電器件的了解及應(yīng)用也不深刻.

本文介紹了基于單片機(jī)的光電效應(yīng)演示儀器的設(shè)計(jì)方法，該儀器通過調(diào)節(jié)光源光照強(qiáng)度可同時(shí)演示光電管的光電流、光敏電阻的光電阻、光電池的光電壓隨光照強(qiáng)度變化的過程；通過改變?yōu)V光片演示出光電子發(fā)射與照射光的頻率的關(guān)系.通過對(duì)不同材料所產(chǎn)生光電效應(yīng)的比對(duì)，加深學(xué)生對(duì)光電效應(yīng)的理解，更好地認(rèn)識(shí)光電效應(yīng)及它們所對(duì)應(yīng)的各種光電器件.

2 光電效應(yīng)演示儀器的設(shè)計(jì)思想

2.1 儀器的總體設(shè)計(jì)

儀器的電路框圖如圖1所示，是以單片機(jī)為核心元件的數(shù)字化的演示裝置.

演示儀器面板上分別有電源開關(guān)、電壓調(diào)節(jié)旋鈕、光照調(diào)節(jié)旋鈕.按下電源開關(guān)后，通過單片機(jī)控制模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)分別控制3路器件經(jīng)轉(zhuǎn)換、放大后輸出的電壓信號(hào)，然后經(jīng)過V／F變換器將模擬電壓信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)傳輸給單片機(jī).單片機(jī)進(jìn)行計(jì)算后，將所測(cè)光電管的電流值、光敏電阻的電阻值和光電池的電壓值分別顯示在三組數(shù)碼管上（見圖2）.

圖1 儀器的電路框圖

圖2 裝置的結(jié)構(gòu)圖

將3種光電器件同時(shí)安裝在演示儀器內(nèi)，照明用光源采用白熾燈，輻射光譜在0.4～3μm范圍內(nèi)，通過支架安裝在光電器件的上方，光源通過燈泡兩側(cè)裝有的反射鏡光路設(shè)計(jì)成與3種光電器件相對(duì)應(yīng)3個(gè)出光口，出光口前還裝有透鏡、可調(diào)光闌、濾光片，將光源發(fā)出的光轉(zhuǎn)換為平行光單色光后出射到光電器件上，通過旋轉(zhuǎn)面板上的光照調(diào)節(jié)旋鈕可以改變通過光源的電流，從而改變光源的光照照度.通過調(diào)節(jié)光闌使得照射到光電器件上的3路光的光照強(qiáng)度相等.

為避免外界光對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)帶來影響，測(cè)量時(shí)關(guān)閉觀察室的門，光源、透鏡、可調(diào)光闌、濾光片、光電器件處于密封的空間內(nèi)，3束光分別照到光電器件上.密閉空間的后部有可移動(dòng)的測(cè)試探頭，連接到照度計(jì)，用于測(cè)量光源通過濾光片后的照度值.

控制、運(yùn)算處理主要由89S51單片機(jī)來完成，單片機(jī)通過控制模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)，使得光電器件輸出的信號(hào)分時(shí)通過V／F變換器.由于89S51的運(yùn)算速度、V／F變換器的轉(zhuǎn)換速度都很快，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)3種光電器件信號(hào)的同時(shí)測(cè)量.

2.2 光電管電路設(shè)計(jì)

光電管的工作原理：基于外光電效應(yīng)，當(dāng)入射光透過光電管的入射窗照射到光電管的陰極時(shí)，光電子就會(huì)從陰極發(fā)射出去，在陰極和陽極間電場(chǎng)作用下，光電子在極間做加速運(yùn)動(dòng)，被高電位的陽極所收集.其光電流的大小決定于光電管的靈敏度和入射光的強(qiáng)度，在光電管的靈敏度為常數(shù)的情況下，僅取決于光源的光照強(qiáng)度.設(shè)計(jì)時(shí)采用運(yùn)算放大器作為電流－電壓轉(zhuǎn)換，把微弱的光電流放大轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，其偏置及放大轉(zhuǎn)換電路見圖3.

圖3 光電管偏置及放大電路

2.3 光敏電阻電路設(shè)計(jì)

光敏電阻的工作原理：基于內(nèi)光電效應(yīng)中的光電導(dǎo)效應(yīng)，當(dāng)入射光照射光敏電阻時(shí)，若入射光的光子能量大于光敏電阻半導(dǎo)體材料禁帶寬度時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，使電阻值變小.入射光照越強(qiáng)，阻值變得越低.入射光消失，電子空穴對(duì)逐漸復(fù)合，電阻值也恢復(fù)到原來的大小.設(shè)計(jì)時(shí)采用光敏電阻的恒流偏置電路，其偏置及轉(zhuǎn)換電路見圖4.

圖4 光敏電阻偏置及轉(zhuǎn)換電路

2.4 光電池電路設(shè)計(jì)

光電池的工作原理：基于內(nèi)光電效應(yīng)中的光生伏特效應(yīng)，當(dāng)入射光照射在光電池時(shí)，其輻射作用在半導(dǎo)體PN結(jié)上產(chǎn)生本征吸收，價(jià)帶中的光生空穴、導(dǎo)帶中的光生電子受內(nèi)建電場(chǎng)作用分別向N區(qū)和P區(qū)運(yùn)動(dòng)，形成光生伏特電壓.設(shè)計(jì)時(shí)通過電壓放大器將光生電壓放大后輸出，其偏置及放大電路見圖5.

圖5 光電池偏置及放大電路

2.5 儀器的演示方法

1）光電管加偏置電壓，光敏電阻加恒流源，光電池開路，在沒有光照射時(shí)，對(duì)應(yīng)光電管、光電池的數(shù)碼管沒有讀數(shù)，對(duì)應(yīng)光敏電阻的數(shù)碼管數(shù)值顯示很大.說明沒有光照不會(huì)產(chǎn)生光電效應(yīng).

2）保持光源照度恒定，并保持光電管偏置電壓、光敏電阻恒流源恒定，光電池開路，在出光口依次放上紅色、黃色、藍(lán)色濾光片，觀察到：

a.紅光照射光電管時(shí)，無論如何改變?nèi)肷涔獾牧炼群推秒妷憾紱]有光電流，黃光和藍(lán)光照射光電管時(shí)有光電流.

b.紅光、黃光照射光敏電阻時(shí)阻值變化很大，藍(lán)光照射時(shí)阻值幾乎不變.

c.紅光、黃光照射光電池時(shí)產(chǎn)生的光生電動(dòng)勢(shì)較大，藍(lán)光照射時(shí)沒有光生電動(dòng)勢(shì)產(chǎn)生.說明了光電效應(yīng)與入射光線的頻率有關(guān)，存在著光譜范圍及最佳工作波長.

3）用藍(lán)光照射光電管時(shí)，極間加正向電壓并保持不變，增加入射光的照度，觀測(cè)到光電流的數(shù)值線性增大.可說明當(dāng)入射光的頻率大于極限頻率時(shí)，光電管輸出光電流的大小與入射光的強(qiáng)度成正比.用紅光照射光敏電阻時(shí)，增加入射光的強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)光敏電阻的阻值變小，但不完全是線性關(guān)系.可說明光電導(dǎo)效應(yīng)與入射光的強(qiáng)度關(guān)系為，在弱光照射時(shí)是線性關(guān)系，在強(qiáng)光照射時(shí)則變?yōu)閽佄锞€關(guān)系.用紅光照射光電池時(shí)，增加入射光的強(qiáng)度，則光生電勢(shì)的大小與入射光的強(qiáng)度成正比，并有很好的線性關(guān)系.

2.6 儀器的測(cè)試數(shù)據(jù)

儀器經(jīng)過定標(biāo)后，就可以用于定量演示.選擇入射光的頻率大于光電材料的極限頻率，通過光照調(diào)節(jié)旋鈕調(diào)節(jié)光源光照度，用照度計(jì)測(cè)量出光源光照度，同時(shí)記錄不同光照度E下3排數(shù)碼管上分別顯示出的光電管光電流I、光敏電阻阻值R和光電池電壓值V.測(cè)得數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 光電效應(yīng)演示儀器測(cè)試數(shù)據(jù)

通過分析以上數(shù)據(jù)可以看出隨著光照度的增大，光電管產(chǎn)生的光電流線性增大，光敏電阻阻值非線性減小，光電池的輸出電壓線性增大，并演示出3種光電效應(yīng)的變換參量（光電流、光電阻、光生電壓）不同.

3 結(jié)束語

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，該儀器能很好地演示光電效應(yīng)的原理，并把3種不同的光電效應(yīng)在1臺(tái)儀器上同時(shí)演示出來，能讓學(xué)生更深刻地理解光電效應(yīng)的本質(zhì).同時(shí)由于儀器使用的是實(shí)際的光電器件，也能更好地明物理效應(yīng)在科學(xué)研究中的應(yīng)用，提高學(xué)生的綜合素質(zhì).

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