Вольт — амперная характеристика фотоэлемента

В дальнейших экспериментах была детально исследована зависимость силы фототока от напряжения, приложенного к пластинам конденсатора при заданной величине падающего светового потока. Такая зависимость называется вольт-амперной характеристикой (рис. 18).

Рис. 18. Вольт-амперная характеристика фотоэлемента

Как видно из рис. 18, вольт-амперная характеристика стремится к насыщению по мере увеличения разности потенциалов. С другой стороны, при некоторой отрицательной разности потенциалов — U_э вольт-амперная характеристика обращается в ноль.

Как уже говорилось, падающий свет выбивает электроны из отрицательной пластины конденсатора (из катода). В отсутствие электрического поля — при U=0 большинство вырванных электронов (хотя и не все) долетают до другой пластины. При положительной разности потенциалов, т. е. при ускоряющем электрическом поле, сила фототока слегка увеличивается, а затем достигает своего предельного значения. Предельное значение фототока носит название тока насыщения — I_нас. Ток насыщения соответствует случаю, когда все вырванные светом электроны достигают анода.

Если увеличить световой поток, падающий на катод, то есть увеличить число выбиваемых электронов, то ток насыщения станет увеличиваться (рис. 19).

Рис. 19. Вольт-амперная характеристика при разных световых потоках (Ф₂>Ф₁)

Рассмотрим теперь левую часть рис. 18. При некотором отрицательном задерживающем потенциале — U₃ — сила фототока становится равна нулю. Это означает, что такое электрическое поле тормозит вылетевшие электроны до полной остановки и отбрасывает их обратно на катод. Из этого условия можно найти значение максимальной кинетической энергии вырванных электронов по формуле:

(3)

где т_е — масса электрона, е — заряд электрона (е=1,6·10^-19 Кл).

Экспериментально показано, что задерживающий потенциал зависит только от частоты света, которым облучают катод фотоэлемента, и не зависит от величины падающего светового потока. При увеличении частоты облучающего света задерживающий потенциал возрастает (рис. 20).

Рис. 20. Зависимость силы фототока от приложенной разности потенциалов при освещении катода светом различной частоты при одинаковом числе вырванных электронов (v₂> v₁> v₀)

На опыте обнаружено, что кинетическая энергия вырываемых светом электронов зависит только от частоты падающего света и не зависит от величины светового потока. Если частота света меньше определенной для данного вещества минимальной частоты v₀, то фотоэффекта не происходит. Частоту v₀ называют красной границей фотоэффекта. Задерживающий потенциал, соответствующий красной границе фотоэффекта, равен нулю.