EXP:Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums mit einer Fotozelle (Strommessung)
Aus Physik und ihre Didaktik Wiki
In diesem Versuch wird mit der Gegenfeldmethode an einer Fotozelle das Plancksche Wirkungsquantum bestimmt, indem der Strom abhängig von der Gegenspannung an der Fotozelle gemessen wird.
Eine weitere Methode, die Bestimmung über eine Spannungsmessung an einer Kondensatorschaltung durchzuführen, wird auf dieser Wiki-Seite beschrieben.
Benötigtes Material
- Phywe Fotozelle
- LED (LEDD1B von Thorlabs)
- Optische Filter
- Entweder
- Agilent B2900 Series Messgerät
- Oder alternativ (In der Schule hat man kein solches Agilent-Gerät)
- Spannungsmessgerät
- Spannungsnetzgerät für das Gegenfeld
- Steckboard
- Transimpedanzwandler
Für den Transimpedanzwandler:
- Operationsverstärker LF411
- Spannungsnetzgerät für die Betriebsspannung des Operationsverstärkers
- Widerstand (10 MΩ)
Versuchsaufbau
- Schritt 1
- Die Fotozelle und die LED werden aufgebaut. Die optischen Filter werden wie auf dem Bild ganz oben in den Strahlengang gestellt.
- 1. Mit Agilent B2900 Series
- Schritt 2
- Die Fotozelle wird mit einem Koaxialkabel an das Gerät angeschlossen ("Force" und "Low Force" Anschluss benutzen). Mit dem Gerät kann man die Gegenspannung erzeugen und parallel den Strom messen. (Siehe hier für das Manual.)
- Schritt 3
- Für verschiedene Wellenlängen wird die Gegenspannung gemessen, bei der kein Strom mehr fließt.
- 2. Alternativ mit Transimpedanzverstärker
- Schritt 2
- Der unten im ersten Bild gezeigte Schaltkreis wird aufgebaut. Dazu muss zusätzlich der Transimpedanzverstärker im zweiten Bild aufgebaut werden. Zu beachten ist, dass hier der Anschluss der Betriebsspannung des Operationsverstärkers nicht eingezeichnet ist. Hierbei kann wie im Bild rechts eine Betriebsspannungsquelle für den Operationsverstärker benutzt werden, die die Spannung symmetrisch liefert.
- Schritt 3
- Für jeweils einen Wellenlängen-Filter wird gemessen, bei welcher Gegenspannung kein Strom fließt.
Auswertung
Die Energie der Photonen, die auf die Fotozelle treffen, ist gleich der Austrittseneergie der Elektronen aus dem Kathodenmaterial plus der kinetischen Energie dieser Elektronen nach dem Austritt. Die Energie eines Photons ist und die kinetische Energie wird durch die Gegenspannung gemessen, die dafür sorgt, dass gerade keine Elektronen mehr die Anode erreichen können. Dann gilt .
(Geradengleichung)
Wenn man also die mit der Elektronenladung multiplizierte Gegenfeldspannung, bei der kein Strom mehr fließt, gegen die jeweilige einfallende Lichtfrequenz plottet, dann erhält man eine Gerade, deren Steigung das Plancksche Wirkungsquantum ist.
Unsere eigenen Messergebnisse werden im Folgenden in die jeweiligen Versuchsteile unterteilt gezeigt.
- 1. Mit Agilent B2900 Series
Wie rechts im ersten Bild zu sehen, messen wir hier .
Mit dem Literaturwert [1] ergibt sich damit ein Fehler von circa 15,8%.
- 2. Alternativ mit Transimpedanzverstärker
Beim Ausgang des Transimpedanzverstärkers hat man eine Ausgansspannung proportional zum Eingangsstrom gemäß .
Die Messung auf diese Weise ist relativ ungenau, da sich die Gegenspannung nur so grob einstellen lässt, dass man am Transimpedanzverstärker nur ungefähr eine Spannung von 0 V messen kann.
Unsere Messergebnisse sind rechts im zweiten Bild dargestellt. Die Ausgleichsgerade ergibt einen Wert von .
Mit dem Literaturwert ergibt sich damit ein Fehler von circa 13,2%.
Mögliche Probleme und ihre Lösungen
Treten beim Experiment häufiger Fehler auf? Bitte beschreibe sie hier.
Beim Anschließen des Transimpedanzverstärkers muss der Plus-Anschluss an denselben Ground angeschlossen werden wie beim Rest der Schaltung.
Sicherheitshinweise
Hier nötige Sicherheitshinweise notieren. Ggf. Betriebsanweisung verlinken.
Fotos
Am Ende des Dokuments kommt eine Galerie aller Bilder, die zu diesem Experiment unter dem Namensraum "Datei:" bereits vorhanden sind. Im Allgemeinen lohnt es sich häufig auch, bereits bestehende Texte und deren Syntax zu betrachten:
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<div class="large-4 large-centered columns">
<ul class="example-orbit" data-orbit>
<li>
[[Datei:Bild.png|slide 1]]
<div class="orbit-caption">
Bildbeschreibung
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</li>
</ul>
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Literatur
- ↑ Wikipedia-Eintrag Plancksches Wirkungsquantum, abgerufen am 24. März 2022.