EXP:Bestimmung des Planckschen Wirkungsquantums mit einer Fotozelle (Spannungsmessung) - Versionsgeschichte

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2025-10-16T09:35:05Z

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(kein Unterschied)

8>Kstuetz: /* Auswertung */

2023-03-15T09:20:43Z

Auswertung

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	== Auswertung ==		== Auswertung ==
	[[Datei:EXP ~~Quantenmechanik~~ Wirkungsquantum Phywe Voc lambda.png\|400px\|thumb\|right\|Abbildung 5: Leerlaufspannung über der Wellenlänge aufgetragen.]]		[[Datei:EXP Quantenphysik Wirkungsquantum Phywe Voc lambda.png\|400px\|thumb\|right\|Abbildung 5: Leerlaufspannung über der Wellenlänge aufgetragen.]]
	[[Datei:EXP ~~Quantenmechanik~~ Wirkungsquantum Phywe Ekin f.png\|400px\|thumb\|right\|Abbildung 6: Einsteingerade, kinetische Energie (rechnerisch aus der Leerlaufspannung) über der Frequenz aufgetragen. Die Steigung der Ausgleichsgeraden entspricht dem Planckschen Wirkungsquantum.]]		[[Datei:EXP Quantenphysik Wirkungsquantum Phywe Ekin f.png\|400px\|thumb\|right\|Abbildung 6: Einsteingerade, kinetische Energie (rechnerisch aus der Leerlaufspannung) über der Frequenz aufgetragen. Die Steigung der Ausgleichsgeraden entspricht dem Planckschen Wirkungsquantum.]]
	Beim äußeren fotoelektrischen Effekt werden Elektronen durch das einfallende Licht aus dem Kathodenmaterial der Fotozelle herausgelöst. Die kinetische Energie der Elektronen enspricht dann der Energie der einfallenden Photonen abzüglich der Austrittsarbeit der Kathode <math>W_\mathrm{Kathode}</math>. Einstein hat für die Beschreibung dieses Effektes seinen Nobelpreis bekommen und Millikan hat ihn ebenfalls nobelpreiswürdig an einer Fotozelle experimentell bestätigt. Neben der Möglichkeit das Plancksche Wirkungsquantum als grundlegende Naturkonsante im Unterricht zu messen, ist dieser historische Kontext ein Grund für die Durchführung des Versuchs im Unterricht.		Beim äußeren fotoelektrischen Effekt werden Elektronen durch das einfallende Licht aus dem Kathodenmaterial der Fotozelle herausgelöst. Die kinetische Energie der Elektronen enspricht dann der Energie der einfallenden Photonen abzüglich der Austrittsarbeit der Kathode <math>W_\mathrm{Kathode}</math>. Einstein hat für die Beschreibung dieses Effektes seinen Nobelpreis bekommen und Millikan hat ihn ebenfalls nobelpreiswürdig an einer Fotozelle experimentell bestätigt. Neben der Möglichkeit das Plancksche Wirkungsquantum als grundlegende Naturkonsante im Unterricht zu messen, ist dieser historische Kontext ein Grund für die Durchführung des Versuchs im Unterricht.
	Die kinetische Energie der Elektronen <math>E_\mathrm{kin}</math> ergibt sich also zu		Die kinetische Energie der Elektronen <math>E_\mathrm{kin}</math> ergibt sich also zu

8>Kstuetz am 2. Februar 2023 um 16:02 Uhr

2023-02-02T16:02:04Z

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	</div>		</div>
	</div>		</div>

			= Versuchsanleitung =

	== Benötigtes Material ==		== Benötigtes Material ==
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	* Die Fotozelle darf nicht mit zu viel Intensität beleuchtet werden, da es zu Schädigung des Kathodenmaterials und Niederschlag auf der Anode kommen kann, bei Wechsel des Interferenzfilters ist daher die Beleuchtung abzuschatten oder zu reduzieren.		* Die Fotozelle darf nicht mit zu viel Intensität beleuchtet werden, da es zu Schädigung des Kathodenmaterials und Niederschlag auf der Anode kommen kann, bei Wechsel des Interferenzfilters ist daher die Beleuchtung abzuschatten oder zu reduzieren.

	== Fotos ==		= Fotos =
	<div class="row">		<div class="row">
	<div class="large-4 large-centered columns">		<div class="large-4 large-centered columns">
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	</div>		</div>

	== Literatur ==		= Literatur =
	<references />		<references />

8>Choenes am 30. August 2022 um 08:17 Uhr

2022-08-30T08:17:09Z

← Nächstältere Version		Version vom 30. August 2022, 08:17 Uhr
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	== Benötigtes Material ==		== Benötigtes Material ==
	* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>)		* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>; die Röhren 90CV und 90CG sind nicht geeignet.<ref>[https://didaktik.pi5.physik.uni-stuttgart.de/w/images/b/b6/220329_Fotor%C3%B6hren_90CV_90CG_Bericht.pdf''Kurzbericht zum Einsatz der Röhren 90CG und 90CV'']</ref>)
	* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)		* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)
	** LED mit Konstantstromquelle: z.B. Thorlabs MCWHLP1<ref>[https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=MTN005526-S01.pdf&partNumber=MCWHLP1''Datenblatt MCWHLP1''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>, helle LED bei max. 700 mA, aber nur bis ca. 700 nm Wellenlänge genug Intensität		** LED mit Konstantstromquelle: z.B. Thorlabs MCWHLP1<ref>[https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=MTN005526-S01.pdf&partNumber=MCWHLP1''Datenblatt MCWHLP1''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>, helle LED bei max. 700 mA, aber nur bis ca. 700 nm Wellenlänge genug Intensität

8>Kstuetz am 2. August 2022 um 12:56 Uhr

2022-08-02T12:56:29Z

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	{\|		{\|
	https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png		https://i.creativecommons.org/l/by-nc-sa/3.0/de/88x31.png
	~~Dieses Werk ist~~ lizenziert unter ~~einer~~ [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de ~~Creative Commons Namensnennung - Nicht~~-~~kommerziell~~ - ~~Weitergabe unter gleichen Bedingungen~~ 4.0 ~~International Lizenz.~~]		Universität Stuttgart, 5. Physikalisches Institut, AG Physik und ihre Didaktik, lizenziert unter [https://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/4.0/deed.de CC BY-NC-SA 4.0]
	\|}		\|}

8>Choenes: /* Auswertung */ Korrektur h, Zehnerpotenz... :o)

2022-03-29T09:11:08Z

Auswertung: Korrektur h, Zehnerpotenz... :o)

← Nächstältere Version		Version vom 29. März 2022, 09:11 Uhr
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	wobei hier <math>e</math> die Elementarladung ist.		wobei hier <math>e</math> die Elementarladung ist.
	Anmerkung: Dies ist nur eine Näherung, da ein kleiner Stromfluss (Dunkelstrom der Fotozelle, Selbstentladung des Kondensators, Strom durch Eingang des Verstärkers) die gemessene Spannung absenkt und die kinetische Energie damit unterschätzt wird.		Anmerkung: Dies ist nur eine Näherung, da ein kleiner Stromfluss (Dunkelstrom der Fotozelle, Selbstentladung des Kondensators, Strom durch Eingang des Verstärkers) die gemessene Spannung absenkt und die kinetische Energie damit unterschätzt wird.
	Wird nun also <math>e\cdot V_\mathrm{oc}</math> über <math>f</math> aufgetragen, sollten die berechneten Werte auf einer Geraden liegen, der sogenannten Einsteingeraden mit der Steigung <math>h</math>. Die Feinheit, dass der Achsenabschnitt der Geraden der Austrittsarbeit der Anode und nicht der Kathode entspricht, spielt in der Praxis wohl kaum eine Rolle, da die Anode in der Regel mit Kathodenmaterial verunreinigt ist und die Austrittsarbeiten sich daher sehr nahe sind. Abbildung 6 zeigt die exemplarische Auswertung der in Abbildung 5 dargestellten Messwerte. Die Steigung der Ausgleichsgeraden kommt erstaunlich nahe an den im SI-Einheitensystem exakt festgelegten Wert von 6,62607015~~ ~~Js heran<ref>[https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?h''NIST Reference, Planck constant''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>. Aufgrund der bereits sichtbaren Streuung der Messwerte ist aber zu erwarten, dass bei weiteren Experimenten, vor allem bei eingeschränktem Frequenzbereich, auch größere Abweichungen auftreten werden.		Wird nun also <math>e\cdot V_\mathrm{oc}</math> über <math>f</math> aufgetragen, sollten die berechneten Werte auf einer Geraden liegen, der sogenannten Einsteingeraden mit der Steigung <math>h</math>. Die Feinheit, dass der Achsenabschnitt der Geraden der Austrittsarbeit der Anode und nicht der Kathode entspricht, spielt in der Praxis wohl kaum eine Rolle, da die Anode in der Regel mit Kathodenmaterial verunreinigt ist und die Austrittsarbeiten sich daher sehr nahe sind. Abbildung 6 zeigt die exemplarische Auswertung der in Abbildung 5 dargestellten Messwerte. Die Steigung der Ausgleichsgeraden kommt erstaunlich nahe an den im SI-Einheitensystem exakt festgelegten Wert von <math>h = 6,62607015\cdot 10^{-34}\,\mathrm{Js}</math> heran<ref>[https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?h''NIST Reference, Planck constant''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>. Aufgrund der bereits sichtbaren Streuung der Messwerte ist aber zu erwarten, dass bei weiteren Experimenten, vor allem bei eingeschränktem Frequenzbereich, auch größere Abweichungen auftreten werden.

	== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==		== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

8>Choenes: /* Auswertung */ Korrektur Kontaktspannung

2022-03-29T08:10:27Z

Auswertung: Korrektur Kontaktspannung

← Nächstältere Version		Version vom 29. März 2022, 08:10 Uhr
Zeile 77:		Zeile 77:

	== Auswertung ==		== Auswertung ==
	[[Datei:EXP Quantenmechanik Wirkungsquantum Phywe Voc lambda.png\|~~500px~~\|thumb\|right\|Abbildung 5: Leerlaufspannung über der Wellenlänge aufgetragen.]]		[[Datei:EXP Quantenmechanik Wirkungsquantum Phywe Voc lambda.png\|400px\|thumb\|right\|Abbildung 5: Leerlaufspannung über der Wellenlänge aufgetragen.]]
	[[Datei:EXP Quantenmechanik Wirkungsquantum Phywe Ekin f.png\|~~500px~~\|thumb\|right\|Abbildung 6: Einsteingerade, kinetische Energie (rechnerisch aus der Leerlaufspannung) über der Frequenz aufgetragen. Die Steigung der Ausgleichsgeraden entspricht dem Planckschen Wirkungsquantum.]]		[[Datei:EXP Quantenmechanik Wirkungsquantum Phywe Ekin f.png\|400px\|thumb\|right\|Abbildung 6: Einsteingerade, kinetische Energie (rechnerisch aus der Leerlaufspannung) über der Frequenz aufgetragen. Die Steigung der Ausgleichsgeraden entspricht dem Planckschen Wirkungsquantum.]]
	Beim äußeren fotoelektrischen Effekt werden Elektronen durch das einfallende Licht aus dem Kathodenmaterial der Fotozelle herausgelöst. Die kinetische Energie der Elektronen enspricht dann der Energie der einfallenden Photonen abzüglich der Austrittsarbeit der ~~Anode~~ <math>W_\mathrm{~~Anode~~}</math> ~~(Die Austrittsarbeit der Kathode wäre naheliegender, sie fällt jedoch bei Berücksichtigung der Kontaktspannung zwischen Anode und Kathode heraus)~~. Einstein hat für die Beschreibung dieses Effektes seinen Nobelpreis bekommen und Millikan hat ihn ebenfalls nobelpreiswürdig an einer Fotozelle experimentell bestätigt. Neben der Möglichkeit das Plancksche Wirkungsquantum als grundlegende Naturkonsante im Unterricht zu messen, ist dieser historische Kontext ein Grund für die Durchführung des Versuchs im Unterricht.		Beim äußeren fotoelektrischen Effekt werden Elektronen durch das einfallende Licht aus dem Kathodenmaterial der Fotozelle herausgelöst. Die kinetische Energie der Elektronen enspricht dann der Energie der einfallenden Photonen abzüglich der Austrittsarbeit der Kathode <math>W_\mathrm{Kathode}</math>. Einstein hat für die Beschreibung dieses Effektes seinen Nobelpreis bekommen und Millikan hat ihn ebenfalls nobelpreiswürdig an einer Fotozelle experimentell bestätigt. Neben der Möglichkeit das Plancksche Wirkungsquantum als grundlegende Naturkonsante im Unterricht zu messen, ist dieser historische Kontext ein Grund für die Durchführung des Versuchs im Unterricht.
	Die kinetische Energie der Elektronen <math>E_\mathrm{kin}</math> ergibt sich also zu		Die kinetische Energie der Elektronen <math>E_\mathrm{kin}</math> ergibt sich also zu
	:<math>		:<math>
	E_\mathrm{kin} = h\cdot f - W_\mathrm{~~Anode~~}		E_\mathrm{kin} = h\cdot f - W_\mathrm{Kathode}
	</math>		</math>
	mit der Frequenz des eingestrahlten Lichtes <math>f</math> und dem Planckschen Wirkungsquantum <math>h</math>.		mit der Frequenz des eingestrahlten Lichtes <math>f</math> und dem Planckschen Wirkungsquantum <math>h</math>.
	Die Wellenlänge und damit auch die Frequenz des eingestrahlten Lichtes ist bekannt, wenn auch mit der Ungenauigkeit des Interferenzfilters behaftet (typisch <10 nm FWHM). Die kinetische Energie lässt sich aus der Spannung abschätzen, die sich unter Beleuchtung an der Fotozelle einstellt. Diese Spannung nennt man, da bei offenem Stromkreis gemessen, die Leerlaufspannung <math>V_\mathrm{oc}</math> der Fotozelle (oc steht für "open circuit"). Exemplarisch an der Phywe-Fotozelle aufgenommene Werte sind in Abbildung 5 dargestellt. Es ist schön zu sehen, dass die Spannung geringer wird, je höher die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes gewählt wird. Die sich einstellende Spannung entspricht gerade der Potentialdifferenz, die mit der kinetischen Energie nicht mehr überwunden werden kann. ~~Also~~ gilt		Die Wellenlänge und damit auch die Frequenz des eingestrahlten Lichtes ist bekannt, wenn auch mit der Ungenauigkeit des Interferenzfilters behaftet (typisch <10 nm FWHM). Die kinetische Energie lässt sich aus der Spannung abschätzen, die sich unter Beleuchtung an der Fotozelle einstellt. Diese Spannung nennt man, da bei offenem Stromkreis gemessen, die Leerlaufspannung <math>V_\mathrm{oc}</math> der Fotozelle (oc steht für "open circuit"). Exemplarisch an der Phywe-Fotozelle aufgenommene Werte sind in Abbildung 5 dargestellt. Es ist schön zu sehen, dass die Spannung geringer wird, je höher die Wellenlänge des eingestrahlten Lichtes gewählt wird. Die sich einstellende Spannung entspricht gerade der Potentialdifferenz, die mit der kinetischen Energie nicht mehr überwunden werden kann. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der Kontaktspannung <math>\frac{1}{e}\left(W_\mathrm{Anode}-W_\mathrm{Kathode}\right)</math> gilt
	:<math>		:<math>
	e\cdot V_\mathrm{oc} \approx h\cdot f - W_\mathrm{Anode},		e\cdot V_\mathrm{oc} \approx h\cdot f - W_\mathrm{Kathode} - (W_\mathrm{Kathode}-W_\mathrm{Anode})=h\cdot f - W_\mathrm{Anode},
	</math>		</math>
	wobei hier <math>e</math> die Elementarladung ist.		wobei hier <math>e</math> die Elementarladung ist.
	Anmerkung: Dies ist nur eine Näherung, da ein kleiner Stromfluss (Dunkelstrom der Fotozelle, Selbstentladung des Kondensators, Strom durch Eingang des Verstärkers) die gemessene Spannung absenkt und die kinetische Energie damit unterschätzt wird.		Anmerkung: Dies ist nur eine Näherung, da ein kleiner Stromfluss (Dunkelstrom der Fotozelle, Selbstentladung des Kondensators, Strom durch Eingang des Verstärkers) die gemessene Spannung absenkt und die kinetische Energie damit unterschätzt wird.
	Wird nun also <math>e\cdot V_\mathrm{oc}</math> über <math>f</math> aufgetragen, sollten die berechneten Werte auf einer Geraden liegen, der sogenannten Einsteingeraden mit der Steigung <math>h</math>. Abbildung 6 zeigt die exemplarische Auswertung der in Abbildung 5 dargestellten Messwerte. Die Steigung der Ausgleichsgeraden kommt erstaunlich nahe an den im SI-Einheitensystem exakt festgelegten Wert von 6,62607015 Js heran<ref>[https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?h''NIST Reference, Planck constant''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>. Aufgrund der bereits sichtbaren Streuung der Messwerte ist aber zu erwarten, dass bei weiteren Experimenten, vor allem bei eingeschränktem Frequenzbereich, auch größere Abweichungen auftreten werden.		Wird nun also <math>e\cdot V_\mathrm{oc}</math> über <math>f</math> aufgetragen, sollten die berechneten Werte auf einer Geraden liegen, der sogenannten Einsteingeraden mit der Steigung <math>h</math>. Die Feinheit, dass der Achsenabschnitt der Geraden der Austrittsarbeit der Anode und nicht der Kathode entspricht, spielt in der Praxis wohl kaum eine Rolle, da die Anode in der Regel mit Kathodenmaterial verunreinigt ist und die Austrittsarbeiten sich daher sehr nahe sind. Abbildung 6 zeigt die exemplarische Auswertung der in Abbildung 5 dargestellten Messwerte. Die Steigung der Ausgleichsgeraden kommt erstaunlich nahe an den im SI-Einheitensystem exakt festgelegten Wert von 6,62607015 Js heran<ref>[https://physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?h''NIST Reference, Planck constant''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>. Aufgrund der bereits sichtbaren Streuung der Messwerte ist aber zu erwarten, dass bei weiteren Experimenten, vor allem bei eingeschränktem Frequenzbereich, auch größere Abweichungen auftreten werden.

	== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==		== Mögliche Probleme und ihre Lösungen ==

8>Choenes am 26. März 2022 um 21:27 Uhr

2022-03-26T21:27:39Z

← Nächstältere Version		Version vom 26. März 2022, 21:27 Uhr
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	</div>		</div>
	</div>		</div>


	== Benötigtes Material ==		== Benötigtes Material ==

	* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>)		* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>)
	* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)		* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)
Zeile 34:		Zeile 32:
	* Falls die Intensität der Lichtquelle nicht ausreicht: Linsen zur Fokussierung		* Falls die Intensität der Lichtquelle nicht ausreicht: Linsen zur Fokussierung
	* Präzises Sourcemeter (z.B. Agilent B2900)		* Präzises Sourcemeter (z.B. Agilent B2900)


	== Versuchsaufbau ==		== Versuchsaufbau ==


	<div class="row">		<div class="row">
	<div class="large-7 columns">		<div class="large-7 columns">

	===Schritt 1 - Aufbau von Lichtquelle und Fotozelle===		===Schritt 1 - Aufbau von Lichtquelle und Fotozelle===
	In Abbildung 1 ist der Aufbau am Beispiel der Phywe-Fotozelle mit LED-Beleuchtung zu sehen. Diese Fotozelle ist in einem Gehäuse eingeschlossen, das nur noch eine kleine Öffnung für einfallendes Licht hat. Die Aufnahme für verschiedene Interferenzfilter ist so vor dieser Öffnung zu positionieren, dass der Einfall von ungefiltertem Licht ausgeschlossen ist.		In Abbildung 1 ist der Aufbau am Beispiel der Phywe-Fotozelle mit LED-Beleuchtung zu sehen. Diese Fotozelle ist in einem Gehäuse eingeschlossen, das nur noch eine kleine Öffnung für einfallendes Licht hat. Die Aufnahme für verschiedene Interferenzfilter ist so vor dieser Öffnung zu positionieren, dass der Einfall von ungefiltertem Licht ausgeschlossen ist.
Zeile 48:		Zeile 44:
	</div>		</div>
	</div>		</div>

	<div class="row">		<div class="row">
	<div class="large-7 columns">		<div class="large-7 columns">

	===Schritt 2 - Aufbau des Messsystems===		===Schritt 2 - Aufbau des Messsystems===
	Bei der Messung der Spannung ergeben sich zwei Schwierigkeiten. Erstens hat die Fotozelle eine Kapazität von wenigen pF, es genügen also schon geringe Ladungsmengen um diese Kapazität bis zur Leerlaufspannung aufzuladen. Da solch geringe Ladungsverschiebungen aber auch durch Bewegung des Kabels oder Bewegung der durchführenden Person auftreten können, ist eine stabile Messung nur möglich, wenn die Kapazität durch einen Messkondensator vergrößert wird. Zweitens hat ein Handmultimeter bei der Spannungsmessung einen Innenwiderstand im Bereich von 10 MΩ. Damit ist eine direkte Messung der Leerlaufspannung (Größenordnung 1 V) nicht möglich, weil der Strom durch das Multimeter mit 100 nA deutlich größer ist als der Fotostrom nahe der Leerlaufspannung. Es würden selbst bei hoher Lichtleistung zu niedrige Spannungen gemessen werden, die zudem intensitätsabhängig wären (höhere Spannungen bei höherer Intensität). Abhilfe schafft die in Abbildung 2 gezeichnete Schaltung.		Bei der Messung der Spannung ergeben sich zwei Schwierigkeiten. Erstens hat die Fotozelle eine Kapazität von wenigen pF, es genügen also schon geringe Ladungsmengen um diese Kapazität bis zur Leerlaufspannung aufzuladen. Da solch geringe Ladungsverschiebungen aber auch durch Bewegung des Kabels oder Bewegung der durchführenden Person auftreten können, ist eine stabile Messung nur möglich, wenn die Kapazität durch einen Messkondensator vergrößert wird. Zweitens hat ein Handmultimeter bei der Spannungsmessung einen Innenwiderstand im Bereich von 10 MΩ. Damit ist eine direkte Messung der Leerlaufspannung (Größenordnung 1 V) nicht möglich, weil der Strom durch das Multimeter mit 100 nA deutlich größer ist als der Fotostrom nahe der Leerlaufspannung. Es würden selbst bei hoher Lichtleistung zu niedrige Spannungen gemessen werden, die zudem intensitätsabhängig wären (höhere Spannungen bei höherer Intensität). Abhilfe schafft die in Abbildung 2 gezeichnete Schaltung.

	==== Aufbau der Schaltung ====		==== Aufbau der Schaltung ====
	Der Messkondensator sollte eine Kapazität zwischen 300 pF(Keramik) und 10 nF(Folie) und eine möglichst geringe Selbstentladung besitzen, damit scheiden Elektrolytkondensatoren aus. Zur Spannungsmessung wird nun am Kondensator ein Operationsverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand angeschlossen. Für z.B. den LF411 beträgt der spezifizierte Eingangswiderstand 100 GΩ. Wird der Verstärker wie in Abbildung 1 gezeigt als nicht invertierender Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 verbunden, so kann man die Spannung über der Fotozelle direkt am Ausgang des Verstärkers messen. Der hohe Eingangswiderstand des Verstärkers entkoppelt hier das Messgerät, sodass beim Demonstrationsexperiment in der Schule auch analoge Zeigermessgeräte verwendet werden könnten. Die Stromversorgung für das Messgerät erfolgt dabei über die symmetrische Versorgung des Verstärkers. Die dafür notwendige Spannung entnimmt man dem Datenblatt, beim LF411 können z.B. zwei 9 V-Akkus verwendet werden oder aber eine symmetrische Versorgung per Labornetzteil. Der [[BP:Symmetrische_Spannungsversorgung\|Selbstbau einer symmetrischen Versorgnung]] ist ebenfalls möglich.		Der Messkondensator sollte eine Kapazität zwischen 300 pF(Keramik) und 10 nF(Folie) und eine möglichst geringe Selbstentladung besitzen, damit scheiden Elektrolytkondensatoren aus. Zur Spannungsmessung wird nun am Kondensator ein Operationsverstärker mit sehr hohem Eingangswiderstand angeschlossen. Für z.B. den LF411 beträgt der spezifizierte Eingangswiderstand 100 GΩ. Wird der Verstärker wie in Abbildung 1 gezeigt als nicht invertierender Verstärker mit Verstärkungsfaktor 1 verbunden, so kann man die Spannung über der Fotozelle direkt am Ausgang des Verstärkers messen. Der hohe Eingangswiderstand des Verstärkers entkoppelt hier das Messgerät, sodass beim Demonstrationsexperiment in der Schule auch analoge Zeigermessgeräte verwendet werden könnten. Die Stromversorgung für das Messgerät erfolgt dabei über die symmetrische Versorgung des Verstärkers. Die dafür notwendige Spannung entnimmt man dem Datenblatt, beim LF411 können z.B. zwei 9 V-Akkus verwendet werden oder aber eine symmetrische Versorgung per Labornetzteil. Der [[BP:Symmetrische_Spannungsversorgung\|Selbstbau einer symmetrischen Versorgnung]] ist ebenfalls möglich.
	Abbildung 3 zeigt die Schaltung auf einem kleinen Breadboard realisiert.		Abbildung 3 zeigt die Schaltung auf einem kleinen Breadboard realisiert.

	==== Anschluss der Fotozelle ====		==== Anschluss der Fotozelle ====
	Der Anschluss der Fotozelle an den Kondensator erfolgt per Koaxialkabel. Der Außenleiter liegt dabei auf dem Bezugspotential und realisiert dadurch eine Abschirmung von Störungen. Störungen können aber nach wie vor durch im Bereich der Schaltung auftreten. Das merkt man schnell, wenn die Spannung anfängt zu schwanken sobald man sich bewegt. Wenn die ungeschirmten Verbindungen kurz sind und man die Schaltung mit Alufolie, die per Krokodilklemme mit dem Bezugspotential verbunden ist, abdeckt (Achtung: Kurzschlussgefahr), wird dieses Problem deutlich kleiner. Für den Schuleinsatz bietet es sich hier an, eine geschirmte Mess-Box zu bauen, da die Alufolie erstens schwierig zu handhaben ist (verdeckt den Schalttaster, s.u.) und zweitens stark ablenkt. Diese Box kann man dann auch für andere Experimente als empfindliches digitales Elektrometer verwenden.		Der Anschluss der Fotozelle an den Kondensator erfolgt per Koaxialkabel. Der Außenleiter liegt dabei auf dem Bezugspotential und realisiert dadurch eine Abschirmung von Störungen. Störungen können aber nach wie vor durch im Bereich der Schaltung auftreten. Das merkt man schnell, wenn die Spannung anfängt zu schwanken sobald man sich bewegt. Wenn die ungeschirmten Verbindungen kurz sind und man die Schaltung mit Alufolie, die per Krokodilklemme mit dem Bezugspotential verbunden ist, abdeckt (Achtung: Kurzschlussgefahr), wird dieses Problem deutlich kleiner. Für den Schuleinsatz bietet es sich hier an, eine geschirmte Mess-Box zu bauen, da die Alufolie erstens schwierig zu handhaben ist (verdeckt den Schalttaster, s.u.) und zweitens stark ablenkt. Diese Box kann man dann auch für andere Experimente als empfindliches digitales Elektrometer verwenden.
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	==== Optional: Taster ====		==== Optional: Taster ====
	Parallel zum Messkondensator kann ein hoher Widerstand (z.B. 1 GΩ) mit Taster angeschlossen werden, um den Kondensator bei Bedarf kontrolliert zu entladen. Das erlaubt es mehrere Messungen in kürzerer Folge und auch von großen zu kleinen Leerlaufspannungen absteigend durchzuführen.		Parallel zum Messkondensator kann ein hoher Widerstand (z.B. 1 GΩ) mit Taster angeschlossen werden, um den Kondensator bei Bedarf kontrolliert zu entladen. Das erlaubt es mehrere Messungen in kürzerer Folge und auch von großen zu kleinen Leerlaufspannungen absteigend durchzuführen.

	</div>		</div>
	<div class="large-5 columns">		<div class="large-5 columns">
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	</div>		</div>

	<div class="row">		<div class="row">
	<div class="large-7 columns">		<div class="large-7 columns">

	===Schritt 3 : Messung, Filter, weitere Lichtquellen===		===Schritt 3 : Messung, Filter, weitere Lichtquellen===
	Die Messung der Spannung über der Fotozelle erfolgt per Handmultimeter am Ausgang des Operationsverstärkers. Je nach Kapazität des eingesetzten Kondensators kann es eine Weile dauern bis sich die Spannungs stabilisiert hat. Beim Tausch der Interferenzfilter bietet es sich daher an von langwelligem Licht zu kurzwelligem Licht zu arbeiten und so sukzessiv steigende Spannungen zu erhalten. Um die Spannung an der Fotozelle während des Filterwechsels zu erhalten, muss die Lichtquelle abgeschaltet oder abgeschattet werden.		Die Messung der Spannung über der Fotozelle erfolgt per Handmultimeter am Ausgang des Operationsverstärkers. Je nach Kapazität des eingesetzten Kondensators kann es eine Weile dauern bis sich die Spannungs stabilisiert hat. Beim Tausch der Interferenzfilter bietet es sich daher an von langwelligem Licht zu kurzwelligem Licht zu arbeiten und so sukzessiv steigende Spannungen zu erhalten. Um die Spannung an der Fotozelle während des Filterwechsels zu erhalten, muss die Lichtquelle abgeschaltet oder abgeschattet werden.
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	== Auswertung ==		== Auswertung ==

8>Choenes am 26. März 2022 um 21:22 Uhr

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	* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>)		* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>)
	* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)		* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)
	** LED mit ~~Treiber~~: z.B. Thorlabs MCWHLP1<ref>[https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=MTN005526-S01.pdf&partNumber=MCWHLP1''Datenblatt MCWHLP1''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>, helle LED bei max. 700 mA, aber nur bis ca. 700 nm Wellenlänge genug Intensität		** LED mit Konstantstromquelle: z.B. Thorlabs MCWHLP1<ref>[https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=MTN005526-S01.pdf&partNumber=MCWHLP1''Datenblatt MCWHLP1''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>, helle LED bei max. 700 mA, aber nur bis ca. 700 nm Wellenlänge genug Intensität
	** Halogenlampe: z.B. Cornelsen Optikleuchte, helle 12V-Lichtquelle, wenig Intensität im UV-Bereich.		** Halogenlampe mit Spannungsquelle: z.B. Cornelsen Optikleuchte, helle 12V-Lichtquelle, wenig Intensität im UV-Bereich.
	* Interferenzfilter mit Aufnahme, mit denen möglichst der für die Fotozelle relevante Bereich abgedeckt werden kann (425-800 nm)		* Interferenzfilter mit Aufnahme, mit denen möglichst der für die Fotozelle relevante Bereich abgedeckt werden kann (425-800 nm)
	* Operationsverstärker mit möglichst hohem Eingangswiderstand (z.B. LF411<ref>[https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf411.pdf?ts=1648291173698&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FLF411''Datenblatt LF411''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>)		* Operationsverstärker mit möglichst hohem Eingangswiderstand (z.B. LF411<ref>[https://www.ti.com/lit/ds/symlink/lf411.pdf?ts=1648291173698&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.ti.com%252Fproduct%252FLF411''Datenblatt LF411''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>)

8>Choenes am 26. März 2022 um 21:21 Uhr

2022-03-26T21:21:05Z

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	* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>)		* Fotozelle (z.B. von Phywe<ref>[https://www.phywe.de/physik/moderne-physik/quantenphysik/fotozelle-zur-h-bestimmung-mit-gehaeuse_1085_2016/''Phywe Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref>, Leybold<ref>[https://www.ld-didactic.de/documents/de-DE/GA/GA/5/558/55877d.pdf''Gebrauchsanweisung der Leybold Fotozelle zur h-Bestimmung''] Abgerufen am 25.03.2022</ref> oder eine 1P39-Röhre<ref>[https://www.3bscientific.de/product-manual/1000537_DE1.pdf''Gebrauchsanweisung Planck’sche-Konstante-Apparat von 3B Scientific'']</ref>)
	* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)		* Lichtquelle, die einen möglichst weiten Bereich des Spektrums abdeckt, in dem die Fotozelle relevant hohe Sensitivität besitzt (bis 800 nm bei der Phywe-Fotozelle)
	** LED: z.B. Thorlabs MCWHLP1<ref>[https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=MTN005526-S01.pdf&partNumber=MCWHLP1''Datenblatt MCWHLP1''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>, helle LED bei max. 700 mA, aber nur bis ca. 700 nm Wellenlänge genug Intensität		** LED mit Treiber: z.B. Thorlabs MCWHLP1<ref>[https://www.thorlabs.com/_sd.cfm?fileName=MTN005526-S01.pdf&partNumber=MCWHLP1''Datenblatt MCWHLP1''] Abgerufen am 26.03.2022</ref>, helle LED bei max. 700 mA, aber nur bis ca. 700 nm Wellenlänge genug Intensität
	** Halogenlampe: z.B. Cornelsen Optikleuchte, helle 12V-Lichtquelle, wenig Intensität im UV-Bereich.		** Halogenlampe: z.B. Cornelsen Optikleuchte, helle 12V-Lichtquelle, wenig Intensität im UV-Bereich.
	* Interferenzfilter mit Aufnahme, mit denen möglichst der für die Fotozelle relevante Bereich abgedeckt werden kann (425-800 nm)		* Interferenzfilter mit Aufnahme, mit denen möglichst der für die Fotozelle relevante Bereich abgedeckt werden kann (425-800 nm)