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Fotoeffekt - Spannung
 
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Björn



Anmeldungsdatum: 23.09.2006
Beiträge: 8

Beitrag Björn Verfasst am: 23. Sep 2006 09:02    Titel: Fotoeffekt - Spannung Antworten mit Zitat

Hallo, ich hätte mal eine Frage ...

Wie bestimme ich beim äußeren lichtelektrischen Effekt die Spannung zwischen den Elektroden (evtl. mit Meßverstärker) ?

Ich bin mir hier nicht sicher... aber ich dachte, dass sich diese Spannung aus der maximalen kinetischen Energie der ausgelösten Elektronen ergibt, sprich:

E = U*e = h*f - W(a)

- W(a) soll hier die Austrittsarbeit sein.

Ich frage, weil ja normalerweise diese Formel für die angelegte Gegenspannung verwendet wird ...

Hoffe auf Antwort - MfG
dachdecker2
Administrator


Anmeldungsdatum: 15.06.2004
Beiträge: 1174
Wohnort: Zeppelinheim / Hessen

Beitrag dachdecker2 Verfasst am: 23. Sep 2006 09:15    Titel: Antworten mit Zitat

Alles ist richtig.

Durch den äußeren Photoeffekt können Elektronen aus der Materialoberfläche gelöst werden. Ihre Richtung ist gleichverteilt und ihre Energie ist, wie du richtig schreibst höchstens E = hf - Wa. Es ensteht also ein Elektronenstrom der Richtung von der bleuchteten, positiven Platte zur negtiven Platte. Dadurch baut sich mit der Zeit eine Spannung zwischen den Elektroden auf. Die Bremsenegie ist dabei E = Ue, Elektronen die jeweils schneller und in der richtigen Richung unterwegs sind, erreichen die negative Elektrode und tragen so zu der Spannung zwischen den Elektroden bei. Irgendwann ist ein Gleichgewicht erreicht, bei dem die schnellsten Elektronen ihre gesamte Energie im Elektrischen Feld verlieren und wieder zu der beleuchteten Elektrode zurückfallen.

Zu der ersten Frage: Die Spannung bekommst du natürlich durch Messen heraus (oder durch Berechnen, wenn Material und Frequenz bekannt sind). Beim Messen musst du aner ein Sehr hochomhiges gerät verwenden, weil wie du dir sicher vorstellen kannst, die Zahl der Elektroden beim erreichen der Spannung auf null zurück geht und deswegen durch belastung der Messwert zu klein ausfällt.


Dein Post ist übrigens sehr vorbildlich smile.

_________________
Gruß, dachdecker2

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Björn



Anmeldungsdatum: 23.09.2006
Beiträge: 8

Beitrag Björn Verfasst am: 24. Sep 2006 10:47    Titel: Antworten mit Zitat

Ok ... jetzt dämmerts mir langsam Augenzwinkern
War nur etwas verwirrt weil in Büchern ja meist mit der Gegenfeldmethode
gearbeitet wird ... also mit von außen angelegter Spannung.

Naja, vielen Dank jedenfalls!
arjunji



Anmeldungsdatum: 23.09.2006
Beiträge: 9

Beitrag arjunji Verfasst am: 25. Sep 2006 21:34    Titel: Antworten mit Zitat

Ich habe mal eine Frage hierzu:
Was ist das Gleichgewicht, ist es die Sättigung? Wenn ja wie wird denn die Sättigung erreicht, eigentlich doch nur wenn es eine positive Spannung gibt?!? Und wann tritt sie auf, bzw. gibt es eine Formel dafür?
Und letztendllich, warum geben die energiereichsten Eletronen ihre gesamte Energie dem Feld ab, gelangen sie nicht mehr zur Anode, um weiterhin den Strom beizubehalten?
dachdecker2
Administrator


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Beitrag dachdecker2 Verfasst am: 26. Sep 2006 00:17    Titel: Antworten mit Zitat

Die einfallende Strahlung sorgt dafür, dass aus einer Oberfläche Elektronen herausgelöst werden, wenn die Energie der Quanten die Austrittsarbeit der ELektronen aus dem entsprechenden Material übersteigt.

Die Elektronen müssen irgendwo hin und bewegen sich im Feldfreien Raum idealerweise so lange geradeaus, bis sie auf etwas stoßen, dass Elektronen aufnimmt Augenzwinkern. Eine zweite Platte wird also stetig mit Elektronen aus der ersten Platte aufgeladen - es baut sich eine Spannung auf, die weitere Elektronen Bremst. Irgendwann ist dieses Feld genauso Stark, dass die herausgelösten Elektronen die zweite Plattegerade nichtmehr erreichen können - es fließt dann kein Strom mehr. Die Formeln zur Berechnung sind (stehen auch in dem Thread, den du neulich aufgemacht hast):

Arbeit des Elektrons gegen das elektrische Feld: (mit Q = e)
Energie des Photons:
Energie der schnellstmöglichen Elektronen:

Damit kannst du ausrechnen, bis auf welchen Wert die Spannung bei jeder Material-Frequenz-Kombination erreichen kann ( ist dann gleich ).

Positive Spannung: ob eine Spannung positiv ist, hängt davon ab, in welcher Richtung man sie misst.

Die Elektronen haben keine Wahl - sie werden nunmal im Elektrischen Feld beschleunigt und ändern dabei ihren Energieinhalt. Wenn das Feld ihnen ihre gesamte Energie "abnimmt", müssen sie einfach "umdrehen". Wenn eins dabei ist, dass ein kleines bisschen schneller ist als die anderen, erreicht es die zweite Platte und vergrößert damit die Spannung.

_________________
Gruß, dachdecker2

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-Christian-



Anmeldungsdatum: 08.07.2006
Beiträge: 199

Beitrag -Christian- Verfasst am: 11. März 2007 18:30    Titel: Antworten mit Zitat

Einen schönen guten Abend!

Ich habe gerade im Internet ein wenig gesucht zum Thema Fotoeffekt, da in meinem Physikbuch zwei Möglichkeiten zur Bestimmung der kinetischen Energie der Elektronen beim Photoeffekt beschrieben sind, aber ich nur die eine wirklich verstehe. Bei der anderen bin ich mir etwas unsicher, weil das ganze etwas seltsam beschrieben ist.

Dann bin ich auf diesen Thread gestoßen, der mich jetzt nochmehr verwirrt.

Im Physikunterricht habe ich gelernt, das die Photokathode beim Photoeffekt negativ geladen ist und beim bestrahlen der Kathode die Elektronen herusgelöst werden und manche davon (ich gehe davon aus, dass keine zusätzliche Spannungsquelle an die Elektroden angelegt worden ist) zur positiv geladenen Ringanode gelangen und dann durch den Stromkreis zurück zur Photokathode sausen. Letzteres ist dann der messbare Photostrom.
Da ja ständig ein Strom fließt und die Elektronen sich folglich nicht auf der Anode sammeln, sondern über den "Draht" wieder zur Kathode fließen, wo sie herkamen, verstehe ich nicht ganz, warum sich zwischen Ringanode ein "elektrisches Bremsfeld" aufbaut. Es entsteht doch im Prinzip gar keine umgekehrte Ladungstrennung, die dazu führen könnte, dass der Photostrom mit der Zeit auf 0 reduziert wird.

Kann mir da jemand weiterhelfen? Denke ich da falsch oder wurde das hier falsch beschrieben?

Im Metzler (meinem Physikbuch) steht nun, dass zur Bestimmung der kinetischen Energie im Stromkreis ein Kondensator installiert werden kann. Parallel zu diesem wird ein Spannungsmessgerät angeschlossen. Wenn man nun die Photokathode mit Licht bestrahlt, fließt ein Photostrom, der die Kondensatorplatte (die an die Ringanode angeschlossen ist) negativ aufgeladen wird. Nun sollen die Elektronen immer stärker durch dieses negative Potential abgebremst werden, bis kein Photostrom mehr fließen kann.
Der aufgeladene Kondensator besitzt dann eine Spannung, die ein Maß für die kinetische Energie ist. (E_kin = e * U)
Aber kommt das ganze nun dadurch, dass die Ringanode durch den aufgeladenen Kondensator auch mehr und mehr negativ geladen wird und die Elektronen dann abbremst oder gelangen die Elektronen schon noch von der Kathode zur Ringanode, kommen dann aber nicht mehr zum Kondensator, weil sie abgebremst werden?

Kann mir jemand weiterhelfen und diese Methode einigermaßen bildlich erklären? Das wäre wirklich super!

Gruß
Christian
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 11. März 2007 19:26    Titel: Antworten mit Zitat

-Christian- hat Folgendes geschrieben:

Im Physikunterricht habe ich gelernt, das die Photokathode beim Photoeffekt negativ geladen ist und beim bestrahlen der Kathode die Elektronen herusgelöst werden und manche davon (ich gehe davon aus, dass keine zusätzliche Spannungsquelle an die Elektroden angelegt worden ist) zur positiv geladenen Ringanode gelangen

Andersrum: Die Photokathode, aus der die Photonen die Photoelektronen herauslösen, ist positiver geladen als die Ringanode. Diese Bremsspannung hat den Effekt, dass es nur die Elektronen bis zur Ringanode schaffen, die schnell genug sind, um diese Bremsspannung zu überwinden. Damit bekommt man also gleich eine Information darüber, wie schnell die Photoelektronen sind, wenn sie aus der Photokathode austreten.

Zitat:

Aber kommt das ganze nun dadurch, dass die Ringanode durch den aufgeladenen Kondensator auch mehr und mehr negativ geladen wird und die Elektronen dann abbremst

Ja: Je negativer die Ringanode gegenüber der Photokathode geladen ist, desto größer ist die Spannungsdifferenz, die die Photoelektronen überwinden müssen, um es bis zur Ringanode zu schaffen.
-Christian-



Anmeldungsdatum: 08.07.2006
Beiträge: 199

Beitrag -Christian- Verfasst am: 11. März 2007 19:55    Titel: Antworten mit Zitat

Vielen Dank für deine schnelle Antwort, Markus!

Hm ... ok ... das verwirrt mich.

Ich gehe jetzt mal davon aus: Das Experiment wird aufgebaut und solange kein Licht auf die Photokathode gestrahlt wird, sind beide Elektroden neutral. Sie besitzen also keine Ladung.

Nun bestrahle ich die Kathode mit Licht und es werden Elektronen aus dem Material gelöst. Die Kathode wird dadurch positiver geladen. Die Ringanode fängt das herausgelöste Elektron nun auf und wird dadurch negativer aufgeladen. Durch die Verbindung der Elektroden über einen Draht und die entstandene Ladungstrennung saust das Elektron über den Draht von der Anode zurück zur Kathode und versucht den Unterschied auszugleichen.

Dennoch entsteht zwischen Anode und Kathode ein Bremsfeld, dass (warum auch immer?) mit der Zeit so stark wird, dass die weiter herausgelösten Elektronen zurück auf die Kathode fallen. Die sich dabei einstelllende Spannung ist ein Maß für die kinetische Energie.

Wirklich richtig so?

Wenn dem so ist, wozu existiert dann die Gegenfeldmethode, bei der man ja den negativen Pol der Spannungsquelle an die Ringanode anschließt, um ein Bremsfeld zu erzeugen?

Klingt unlogisch. Irgendwie habe ich das Gefühl, dass ich kräftig was durcheinandergebracht habe, oder?

Gruß
Christian
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 11. März 2007 20:27    Titel: Antworten mit Zitat

-Christian- hat Folgendes geschrieben:

Ich gehe jetzt mal davon aus: Das Experiment wird aufgebaut und solange kein Licht auf die Photokathode gestrahlt wird, sind beide Elektroden neutral. Sie besitzen also keine Ladung.

Nun bestrahle ich die Kathode mit Licht und es werden Elektronen aus dem Material gelöst. Die Kathode wird dadurch positiver geladen. Die Ringanode fängt das herausgelöste Elektron nun auf und wird dadurch negativer aufgeladen.

Einverstanden smile

Wenn du nun die Photokathode und die Ringanode mit einem Draht kurzschließt, kann sich natürlich keine Spannung aufbauen.

Wenn man dazwischen einen Kondensator schaltet, dann liegt am Kondensator dieselbe Spannung an wie zwischen der Photokathode und der Ringanode. Wie groß diese Spannung ist, wird dann durch die Anzahl der Photoelektronen bestimmt, die es bisher schon von der Photokathode zur Ringanode geschafft haben.

Wenn man mit einer Spannungsquelle den Wert der Spannung zwischen Photokathode und Ringanode auf einen festen, vorgegebenen Wert einstellt, dann wird die Bremsspannung von der Spannungsquelle bestimmt, man kann sie also von außen (durch Drehen am Knopf der Spannungsquelle) so einstellen, wie man gerade möchte. (Ich denke, diese dritte Möglichkeit nimmt man üblicherweise für die Gegenfeldmethode.)
-Christian-



Anmeldungsdatum: 08.07.2006
Beiträge: 199

Beitrag -Christian- Verfasst am: 11. März 2007 20:51    Titel: Antworten mit Zitat

dermarkus hat Folgendes geschrieben:

Wenn du nun die Photokathode und die Ringanode mit einem Draht kurzschließt, kann sich natürlich keine Spannung aufbauen.


Vielen Dank! Da lag dann auch schon mein Problem! smile

Kann ich dann, wenn ich einen Verbraucher zwischen die Elektroden schließe (z.B. eine Lampe) oder wenn ich die Elektroden kurzschließe überhaupt davon sprechen, dass die Elektroden während des Stromflußes irgendwie geladen sind oder müsste ich sagen, dass sie elektrisch neutral sind, weil ja ein ständiger Ausgleich durch den Stromfluß entsteht?

dermarkus hat Folgendes geschrieben:

Wenn man dazwischen einen Kondensator schaltet, dann liegt am Kondensator dieselbe Spannung an wie zwischen der Photokathode und der Ringanode. Wie groß diese Spannung ist, wird dann durch die Anzahl der Photoelektronen bestimmt, die es bisher schon von der Photokathode zur Ringanode geschafft haben.


Ich kann also sagen, dass sich die Kondensatorplatte, die an der Ringanode angeschlossen wird - genauso wie die Ringanode - negativ auflädt, weil sich dort die Photoelektronen sammeln, bis kein Stromfluß wegen des negativen Potentials, welches die Elektronen abbremst, mehr möglich ist und die Spannung (am Kondensator, weil sie dort gemessen wird) sich somit auf einen festen Wert einpendelt. Die Spannung am aufgeladenen Kondensator ist dann ein Maß für die maximale kinetische Energie der Elektronen.

Ich glaube, jetzt habe ich diese Methode dann auch endlich verstanden. Vielen Dank! smile

Gruß
Christian
dermarkus
Administrator


Anmeldungsdatum: 12.01.2006
Beiträge: 14788

Beitrag dermarkus Verfasst am: 11. März 2007 20:56    Titel: Antworten mit Zitat

-Christian- hat Folgendes geschrieben:

Kann ich dann, wenn ich einen Verbraucher zwischen die Elektroden schließe (z.B. eine Lampe) oder wenn ich die Elektroden kurzschließe überhaupt davon sprechen, dass die Elektroden während des Stromflußes irgendwie geladen sind oder müsste ich sagen, dass sie elektrisch neutral sind, weil ja ein ständiger Ausgleich durch den Stromfluß entsteht?

Wenn der Verbraucher oder der Draht den Widerstand R hat und der Strom I durch ihn fließt, dann wird zwischen den Elektroden einfach die Spannung U=R*I anliegen smile Und wenn der Draht nur einen sehr kleinen Widerstand R hat, dann ist folglich die Spannung U so gut wie Null.

Zitat:

Ich kann also sagen, dass sich die Kondensatorplatte, die an der Ringanode angeschlossen wird - genauso wie die Ringanode - negativ auflädt, weil sich dort die Photoelektronen sammeln, bis kein Stromfluß wegen des negativen Potentials, welches die Elektronen abbremst, mehr möglich ist und die Spannung (am Kondensator, weil sie dort gemessen wird) sich somit auf einen festen Wert einpendelt. Die Spannung am aufgeladenen Kondensator ist dann ein Maß für die maximale kinetische Energie der Elektronen.

Ja, genau smile
-Christian-



Anmeldungsdatum: 08.07.2006
Beiträge: 199

Beitrag -Christian- Verfasst am: 11. März 2007 21:02    Titel: Antworten mit Zitat

dermarkus hat Folgendes geschrieben:

Wenn der Verbraucher oder der Draht den Widerstand R hat und der Strom I durch ihn fließt, dann wird zwischen den Elektroden einfach die Spannung U=R*I anliegen smile Und wenn der Draht nur einen sehr kleinen Widerstand R hat, dann ist folglich die Spannung U so gut wie Null.


OK. Logisch ... manche Fragen sollte man vielleicht nochmal überdenken, bevor man sie stellt! ^^

Dann sind für mich alle Unklarheiten beseitigt! Vielen Dank für deine schnelle Hilfe! smile

Gruß
Christian
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