Phototube-Experiment mit Operationsverstärker

Ich arbeite an einem Experiment, um die Plancksche Konstante mit einem Fototubus zu finden. Ich habe die folgende Schaltung gebaut und in einem dunklen Raum ein LED-Licht auf den Fototubus gerichtet, aber ich hatte ein paar Probleme:

  1. Wenn kein Kondensator vorhanden ist, war der Messwert des Voltmeters sehr instabil (hauptsächlich von 1 V bis 3 V). Wenn ich richtig liege, sollte sich die Ladung ansammeln, bis die Sperrspannung für den Fototubus erreicht ist.

  2. Das Reduzieren der Kapazität (auf 1 uF und 0,1 uF) ergab erneut instabile Werte. Auch bei kleiner Kapazität stieg der Voltmeterwert deutlich an, wenn ich die Lichtintensität verringerte.

  3. Wenn kein Licht einfällt, beträgt die Spannung ohne Kondensator immer noch etwa 500 mV.

Was ist der Fehler in dieser Schaltung und was sind die Ursachen für die oben genannten Probleme? Der Operationsverstärker, den ich für den Spannungsfolger verwendet habe, ist LMC6081 und arbeitet mit einer einzigen Versorgung. Ich bin ein absoluter Anfänger in elektrischen Schaltungen, also hoffe ich, dass Sie mir die Grundlagen erklären könnten.

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Woher kam die Schaltungsidee, dh gibt es eine Webseite, die angibt, wie man die Plancksche Konstante misst?
Ja, ich habe versucht, die Schaltung in Abbildung 3 (auf Seite 4) dieses Dokuments zu erstellen: unm.edu/~mph/307/Planck_UNM.pdf
Das pdf erwähnt, dass die Fotoröhre wie ein Kondensator wirkt. Ich würde davon ausgehen, dass der Leckstrom des 10uF-Kondensators viel viel niedriger sein sollte als der Stromausgang der Fotoröhre. Stellen Sie das sicher? "Die Ladung sollte sich ansammeln, bis die Sperrspannung für die Fotoröhre erreicht ist": Nicht, wenn ein erheblicher Leckstrom durch die 10 uF fließt. Welche Art von Kondensator verwendest du?
Warum zeigen Sie nicht optische Filter und Beugungsgitter?
Ich habe einen Elektrolytkondensator verwendet, aber nur festgestellt, dass er einen relativ großen Leckstrom hat. Ich werde es mal mit einem Folienkondensator versuchen.
Der Photostrom beträgt Mikroampere. Sie benötigen einen relativ kleinen Kondensator mit einer sehr geringen Leckrate. Elektrolyte sind raus.
Die wilden Spannungswerte werden durch die physische Einrichtung Ihres Rigs verursacht. Sie benötigen eine kundenspezifische Leiterplatte, eine Abschirmung für alles, und Sie müssen das gesamte Durcheinander einschließen, um zu verhindern, dass Temperaturschwankungen die Dinge durcheinander bringen. Und denken Sie nicht einmal an das Wort "Steckbrett", während Sie daran arbeiten.
Können wir im Zusammenhang mit der Antwort von JRE ein Foto des Setups sehen?
Es scheint, dass Sie einen "Ladungsverstärker" brauchen ...

Antworten (1)

Du brauchst keinen separaten Kondensator.

Aus der verlinkten Lab-Beschreibung:

Die physisch getrennte Anode und Kathode verhalten sich wie die Hälfte eines zylindrischen Kondensators; das einfallende Licht wirkt als Stromquelle, um diesen Kondensator (C) mit Elektronen aufzuladen. Die Gesamtladung (Q) und die Potentialdifferenz dieses Kondensators werden durch eine fundamentale Gleichung aus der Elektrostatik bestimmt: Q = CV. 

Der Kondensator ist ein fester Bestandteil des Fototubus. Ihre Aufgabe ist es, die angesammelte Ladung zwischen der Platte und dem Stab des Fototubus zu messen.

Das wird eine sehr kleine Kapazität sein. Sie benötigen einen Operationsverstärker mit einem sehr niedrigen Leckstrom am Eingang.

Der Ladestrom beträgt einige wenige Mikroampere. Sie benötigen einen Operationsverstärker mit einer viel niedrigeren Leckage.

Ihr LMC6081 scheint diese Anforderung zu erfüllen - er hat eine Eingangsimpedanz im Teraohm-Bereich und eine Leckage im Picoampere-Bereich.

Damit dies funktioniert, benötigen Sie ein Setup, das für diese Art von Dingen entwickelt wurde.

Ich weiß, dass ich dem nicht gewachsen bin. Ich habe ein wenig über solche Dinge gelesen (Messungen mit extrem hoher Impedanz) und weiß, dass ich nicht über die erforderlichen Fähigkeiten verfüge.

  1. Bei den Impedanzen, mit denen Sie es zu tun haben, kann ein Fingerabdruck auf der Leiterplatte als Widerstand wirken und Ihre Messungen durcheinander bringen.
  2. Viele Dinge, die Sie normalerweise als Isolatoren betrachten würden, sehen im Vergleich zu den Impedanzen, mit denen Sie es zu tun haben, wie Leiter aus.
  3. Die Eingangspins des Operationsverstärkers reagieren auf elektrische Felder. Die Verbindung zum Fototubus muss kurz und abgeschirmt sein.
  4. Sieh dir Schutzringe an, du wirst sie brauchen.

Dieser Artikel von Analog Devices geht detailliert auf Dinge ein, die Sie beim Aufbau Ihrer Schaltung berücksichtigen müssen.

Nicht umsonst kosten die handelsüblichen Laboraufbauten für dieses Experiment zur Bestimmung der Planckschen Konstante mehrere hundert Dollar.

Es geht viel in sie hinein. Machen Sie weiter, und ich gehe davon aus, dass Sie alles darüber erfahren werden, was sie teuer macht.

Ja, ich habe ein Steckbrett verwendet. Ich hätte nie gedacht, dass diese Effekte für dieses Experiment so gewaltig sind. Ich habe einmal gesehen, dass ein Laboraufbau 800 Dollar gekostet hat, und ich war wirklich schockiert, aber jetzt verstehe ich warum. Das war sehr hilfreich. Ich werde mein Bestes geben, damit es funktioniert, zumindest weiß ich jetzt, was schief gelaufen ist!
Phototube-Experiment mit Operationsverstärker
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