Friedrich Balck > Biosensor > Versuche > Photozelle

Beobachtungen:

Photozelle

Äußerer lichtelektrische Effekt, Austrittsarbeit
siehe photoeffekt.htm

Technische Anwendung des äußeren lichtelektrischen Effektes: Auslesen der Tonspur beim Tonfilmprojektor

Neue physikalische Effekte?
Auffälliges Verhalten beim Experimentieren mit einer Photozelle aus einem Tonfilmprojektor:

Teil1.
      Beleuchtung mit LEDs verschiedener Wellenlänge.
      Bei zu geringer Anregungsenergie polt sich der Photostrom um! ????
      Die Energie des Photons muß größer als die Austrittsarbeit sein, wenn ein Photostrom fließen soll.
      Bei zu kleiner Energie sollte kein Photostrom fließen. Erzeugen die LEDs eine Strahlung, die nicht sichtbar ist?
     (Exeriment muß noch reproduziert werden. Justierung von LED, Linse, Photozelle scheinen kritisch zu sein.)

Teil2 äußere Einflüsse (kosmisch??) wirken auf den Dunkelstrom.

1. Photozellen, äußerer Photoeffekt, technischer und physikalischer Hintergrund
2. Beleuchtung von Photozellen mit verschiedenfarbigen LEDs
3. Ergebnisse
4. Kommentar
5. Teilchen, feinstoffliche Strukturen

1. Photozellen, äußerer Photoeffekt, technischer und physikalischer Hintergrund

Literatur:
Fleischer, R. und Teichmann, H.: Die lichtelektrische Zelle und ihre Herstellung; Verlag Theodor Steinkopf, Dresden-Leipzig, 1932
Goerlich, P.: Die lichtelektrischen Zellen - Ihre Herstellung und Eigenschaften; Akad. Verlagsges. Geest & Portig K.G., Leipzig, 1951

Abb. 01: Fleischer Seite 102.
links: spektrale lichtelektrische Ausbeute einer Kaliumschicht.
Sogar oberhalb der Wellenlänge 700 nm ist diese Zelle noch empfindlich.
rechts: Strom-Spannungskennlinie einer gasgefüllten Photozelle.
Füllt man die Photozelle mit verdünntem Edelgas, läßt sich eine Verstärkung des Stromes erreichen. Das Auslösen eines Elektrons aus der Photoschicht erzeugt weitere Ladungen, wenn es - durch Anlegen einer hohen Vorspannung von einem elektrischen Feld beschleunigt - auf Gasmoleküle trifft.

Abb. 02: Fleischer Seite 108

Abb. 03: Lichtenergie als Funktion der Wellenlänge
Austrittsarbeit Kalium : 2,25 eV, Rubidium: 2,13 eV http://de.wikipedia.org/wiki/Austrittsarbeit
Licht mit Wellenlänge im linken Bereich zwischen 400 und 570 nm hat somit ausreichende Energie, um die Austrittsarbeit für Kalium oder Rubidium zu liefern. Im rechten Bereich von 570 bis 800 nm ist die Energie kleiner als die Austrittsarbeit. Daher sollte hier nur ein sehr geringer bzw. kein Photostrom zu beobachten sein. (FB)

2. Beleuchtung von Photozellen mit verschiedenfarbigen LEDs

Abb. 04: Photozelle (2), Fa. Leybold, ohne Gasfüllung, Ringelektrode. Sie wird in der Ausbildung für die Bestimmung des Wirkungsquantum verwendet.
Aufgabe für Studenten:
Versuch zur Bestimmung des Fotostroms als Funktion einer elektrischen Gegenspannung bei unterschiedlichen Lichtwellenlängen. z.B. mit einer Quecksilberlampe und verschiedenen optischen Filtern. (FB)

Abb. 05: Photozelle (1), vermutlich aus einem Kinoprojektor um 1950, mit Gasfüllung (FB)

Abb. 06: Photozelle (1), Ringelektrode mit Gitternetz, darunter die Alkalischicht (Kalium mit Rubidium?) (FB)

Abb. 07: Photozelle (1), Beschriftung: BKE 2708 223

Abb.08: Gleichstrom-Messverstärker, Phywe
Einstellung mit 0,1 nA entsprichend 10 Volt am Ausgang.
Die spätere langfristige Aufzeichnung des Dunkelstroms erfolgte mit 10 pA für 10 Volt
photozelle-zwei.htm . Original date/time: 2011:07:27 11:01:24 (FB)

Abb. 09: Photozelle (1), Beleuchtung mit einer roten LED-Strahlerlampe über eine Fresnel-Linse,
Original date/time: 2011:08:24 18:17:31 (FB)

Abb. 10: Photozelle (1), Lampe und Fresnel-Linse zur Fokussierung,
Original date/time: 2011:08:24 18:17:44 (FB)

Abb. 11: Photozelle (1), Lampe und Fresnel-Linse zur Fokussierung,
Original date/time: 2011:08:24 18:17:22 (FB)

Abb. 12: verwendete Strahlerlampen für 12 Volt: rot, orange, gelb, grün, blau. (FB)

Abb. 13: Der Aufbau mit Photozelle (1) einen Tag später. Am linken Bildrand ist das CASSY-System zu sehen. Es zeichnet die Spannungen vom Ausgang des Verstärkers auf (grün und gelbes Kabel)
Original date/time: 2011:08:25 08:58:45 (FB)

3. Ergebnisse

Abb. 13: Aufbau schematisch (Abb. 10):
Das Licht einer LED (oben) wird mit einer Fresnellinse (Plexiglas) auf die Elektrodenfläche einer Photozelle gebündelt. Zwischen den beiden Elektroden braun und grün entsteht eine Spannung. Mit einem sehr empfindlichen Stromverstärker läßt sich dann ein Photostrom im Bereich kleiner als 1 nA messen. (FB)

Abb. 14: Photozelle (1), Photostrom gegen die Zeit.
Der Verstärker wandelt den Strom in eine Spannung, Einstellung 10 Volt entspricht 1 nAmpere.
Der elektrische Nullpunkt liegt in der Mitte der Ordinate.
Dauer des Experimentes: 600 Sekunden, d.h. 10 Minuten.

Beobachtungen, zeitlicher Ablauf von links nach rechts:
1. Beleuchtung mit roter LED
2. LED aus, Dunkelheit
3. Funktionstest der Schaltung mit abgedunkeltem Tageslicht sowie Deckenbeleuchtung
   (Bei den beiden ersten Bedingungen fließt ein positiver Strom. Bei Dunkelheit fließt kein Strom.)
4. Beleuchtung mit LEDs.
    bei rot, orange und gelb fließt ein kleiner Strom in negativer Richtung,
    bei grün und blau ein sehr großer positiver Strom, was zu erwarten war.

"Positiv" und "negativ" beziehen sich auf die am Ausgang des Verstärkers anstehende Spannung.
Aufzeichnung der Werte mit CASSY von    LD-Didactic.de    am 24.8.2011   16:20,
der Datensatz dazu für das Programm CASSY: photozelle-led-010.lab
(FB)

Abb. 15: Wiederholung des Experimentes mit der gleichen Photozelle (1),
Beleuchtung mit einer roten LED, Helligkeit über Spannung eingestellt, 24.8.2011 19:00

Abhängigkeit des "Photostromes" von der Helligkeit der LED.
Die Nullinie ist in der Mitte, der Strom fließt also auch hier in der "falschen" Richtung.
Zum Test der Einstellung: Verstärkereingang offen und Deckenbeleuchtung
Datei photozelle-led-013.lab (FB)

Abb. 16: Auswertung zur vorherigen Abbildung.
Die angelegte Spannung wurde verändert (Helligkeit der LED). Darauf reagiert der "Photostrom". Die Werte bei der Spannung 12 und 14 Volt wurden zweimal gemessen. Sie ließen sich reproduzieren.

Zeit/s	LED-Spannung/V	Strom/V	Photo-Strom/pA
90	14.00	-9.71	971
290	11.29	-6.65	665
415	12.00	-7.41	741
490	10.00	-5.21	521
625	9.00	-3.76	376
715	8.00	-2.09	209
775	13.00	-8.82	882
870	14.00	-9.45	945
940	12.00	-7.80	780

(FB)

Abb. 17: Wiederholung des Versuches einen Tag später mit der anderen Photozelle (2), 25.8.2011
Das Verhalten mit dem negativen Strom ließ sich nicht reproduzieren. Diese Photozelle verhält sich "normal". Allerdings fließt ein ganz kleiner (positiver) Strom unterhalb der theoretisch notwendigen Anregungsenergie. Der Strom nimmt mit den Farben von rot über orange nach gelb zu.
Bei grün und blau ist der Strom so groß, daß der Verstärker übersteuert ist.
Datei: photozelle-led-014.lab
(FB)

Abb. 18: Wiederholung des Versuchs mit der Photozelle (2).
Bei der Beleuchtung mit blauem und grünen Licht war die Spannung an der LED sehr niedrig (6,1 bzw. 6,8 Volt) eingestellt, um einen passenden Wert für den Verstärker zu haben, bei den anderen Farben normal. Das Verhalten der Photoströme ist so wie zu erwarten.
Datei: photozelle-led-015.lab (FB)

4. Kommentar

Abbildung 03 zeigt die für den Photoeffekt erforderliche Energie: die Elektroden aus Kalium und Rubidium benötigen etwa 2,1 eV.
Dieser Wert liegt auf der Kurve etwas oberhalb der Energie von der Farbe gelb. Für grünes oder blaues Licht ist die Energie ausreichend. Wie die Messung zeigt,fließt ein kräftiger Photostrom. (Der Verstärker ist übersteuert.)
Bei Energien unterhalb 2,1 eV (gelb, orange, rot) sollte nur ein geringer Photostrom fließen.

Zum Experiment vom 24.8.2011, Photozelle (1):

Besonders merkwürdig ist es, daß der Strom die "falsche" Richtung hat.
Der Verstärker zeigt ein umgekehrtes Vorzeichen im Gegensatz zum Strom bei der Beleuchtung mit Tageslicht.
Ist die Ursache ein Leckstrom im Verstärkereingang?

Erzeugen die LEDs eine weitere Strahlung, die nicht sichtbar ist?

Teil 2: Permanente Registrierung des Photostroms. photozelle-zwei.htm

5. Teilchen, feinstoffliche Strukturen

Abb. 05-01: Links Photozelle, der Drahtring ist mit der Schraubfassung unten verbunden, die Alkalischicht mit dem Metallröhrchen oben.
Rechts daneben liegt ein handelsüblicher Lichtmesser zur Messung der Beleuchtungsstärke in Lux. (FB)

Abb. 05-02: Photozelle und Lichtmesser sind rechts am Stativ angebracht. Deren Blickrichtung zeigt nach links in Richtung zur Stehlampe mit einer 60 W Glühbirne. (linker Bildrand)
Der weiße Zollstock dient zum Messen der Abstände.
Rechts ist Norden. Die Photozelle schaut also nach Süden.
Von der Photozelle führt ein schwarzes BNC-Kabel zum Meßverstärker in der Mitte. (FB)

Abb. 05-03: Elektrometerverstärker mit Stromeingang, 0,1 uA entsprechen 10 V Ausgangsspannung.
Der BNC Innenleiter an der Alkalischicht der Photozelle geht weiter auf den Minuspol der 9 V-Batterie, deren Pluspol führt weiter zum Innenleiter am hochohmigen Eingang des Meßgerätes. Der BNC-Außenleiter ist mit dem Drahtring in der Photozelle verbunden.

             Drahtring    --------------------------------------------- Außenleiter Verstärker
                 |      BNC-Kabel                                                 |
             Alkalischicht ----------------------- (-) Batterie (+) -- Innenleiter Verstärker

Die vom Drahtring aufgefangenen Ladungen werden von dem Pluspol der Batterie angesaugt.
Also müssen es bei Stromfluß negative Ladungen sein.
(FB)

Abb. 05-04: über der gemessenen Beleuchtungsstärke ist aufgetragen:
rot: mit der Photozelle gemessener Photostrom
blau:          Rohdaten: Abstand der Glühbirne
schwarz:    1 / (Abstand der Glühbirne)² * Faktor        (1.6)
grün:         Ausdehnung der spürbaren Struktur, die von der Drahtseite der Photozelle ausgeht.

Ergebnis:

Die Länge der spürbaren Struktur ist etwa proportional
zur Beleuchtungsstärke und damit auch zum Photostrom.
Also kommt aus der Alkalischicht noch etwas mehr als nur die Elektronen heraus.
Und das reicht bei diesen Bedingungen etwa 2 Meter weit.

(FB)

Einfluß der Himmelsrichtung, N, O, S und W

Die Beleuchtungsstärke variierte mit der Ausrichtung.

Abb. 05-05: Photozelle und Belichtungsmesser, in Richtung des Maßstabes wird der Radius des Orbitals bestimmt. (FB)

Abb. 05-06: Photozelle und Belichtungsmesser (FB)

Abb. 05-07: Photozelle und Belichtungsmesser, 9 Volt als Saugspannung, Photostrom 1,5 µA (FB)

Abb. 05-08: Kontrolle, Abdeckung der Zelle mit Stoff, ---> kein Orbital zu finden. (FB)

Einfluß der Himmelsrichtung, N, O, S und W

Konstante Beleuchtungsstärke, Beleuchtung mit 100 W Scheinwerfer

Abb. 05-09: Die Photozelle blickt nach Osten (FB)

Abb. 05-10: Radien des Orbitals in unterschiedlichen Himmelsrichtungen. Der schwarze Kreis markiert den Ort der Photozelle.
Um den Einfluß der unterschiedlichen Beleuchtungsstärken zu kompensieren, wurde der gemessene Radius durch die Beleuchtungsstärke dividiert.
Dies erscheint angebracht entsprechend der Beobachtung in Abb. 05-04, wo der Radius proportional zur Beleuchtungsstärke war.
Fazit: Der Ostwind und der Nordwind verformen das Orbital und verschieben dessen Rand.
Zum Vergleich der gestichelte Kreis mit gleichem Mittelpunkt am Ort der Photozelle. (FB)

Abb. 05-11: Die Zelle blickt nach Osten (FB)

Abb. 05-12: . . . . . und nach Süden (FB)

Abb. 05-13: Radien des Orbitals bei unterschiedlichen Himmelsrichtungen und unterschiedlichen Beleuchtungsstärken durch Tageslicht.
Als Maß für die Beleuchtungsstärke wurde der Photostrom der Photozelle genommen.
Die rechten beiden Punkte wurden bei nahezu vollem Sonnenschein aufgenommen gegen 13 Uhr.
Während für die linken Punkte (bei niedrigerer Licht-Intensität) nahezu eine ähnlich Steigung gilt, fallen die beiden rechten Punkte aus diesem Trend völlig heraus. (FB)

Abb. 05-14: Radien des Orbitals bei unterschiedlichen Himmelsrichtungen und unterschiedlichen Beleuchtungsstärken durch Tageslicht. (Ausschnitt)
Die Orbitalradien in den Richtungen Süd (blau) und West (rot) sind jeweils größer als die in den Richtungen Ost (lila) und Nord (grün).
Weiterhin ist die Ausdehnung nach Süden größer als nach Westen. (FB)

Beobachtung:
Die Größe des Orbitals hängt nicht davon ab, ob die Zelle durch das Mikro-AmpereMeter belastet oder im Leerlauf betrieben wird. Allerdings gibt es eine Veränderung bei der spürbaren Qualität des Orbitals

Literatur: b-literatur.htm