222

Лабораторная работа № 34 градуировка вентильного селенового фотоэлемента в качестве люксметра

Цель работы: изучение принципа действия вентильного фотоэлемента, измерение освещённости.

Приборы и принадлежности: оптическая скамья, фотоэлемент, фонарь с электрической лампочкой, рубильник, микроамперметр, стабилизированный источник питания, соединительные провода, масштабная линейка.

Теория работы

Фотометрией называется область оптики, в которой рассматриваются измерения энергии, переносимой электромагнитными волнами оптического диапазона (λ от 10^-8до 10^-3м).

В более узком смысле, под фотометрией понимают раздел оптики, посвящённый измерению действия видимого света на глаз человека (световые измерения). Для характеристики этого действия вводятся различные световые величины.

Одной из фотометрических величин является световой поток Ф, который представляет энергию dWсветовой волны, проходящую за единицу времени через данную поверхность (мощность излучения):(1). Световой поток измеряется в люменах (лм).

Источники света (источники оптического излучения) – это приборы и устройства, а так же природные и космические объекты, в которых различные виды энергии преобразуются в энергию оптического излучения.

Космические и природные излучающие объекты – Солнце, звёзды, атмосферные разряды и др., являются естественными источниками. Искусственные источники в зависимости от вида преобладающего элементарного процесса испускания (вынужденного или спонтанного) разделяются на когерентные и некогерентные.

Излучение источников света характеризуется силой света I- световой фотометрической величиной, измеряемой в канделах (кд) (до 1970 года эту величину называли свечой, св.). Кандела – сила света, испускаемого с площади 1/600000 м²сечения полного излучателя, в перпендикулярном к этому сечению направлении при температуре излучателя, равной температуре затвердевания платины, при нормальном атмосферном давлении.

Освещённостью Eповерхности называется отношение приходящего на неё светового потокаdФ к её площадиdS:(2). За единицу освещённости 1 лк (люкс) принимают освещённость, создаваемую равномерно распределённым световым потоком в 1 лм на поверхность 1 м², нормально расположенную к световому потоку. В случае точечного источника света (источника излучающего сферические волны)(3), т.е. освещённость поверхности, перпендикулярной направлению лучей, прямо пропорциональна силе источника света и обратно пропорциональна квадрату расстояния до источника. Освещённость поверхности световым потоком, падающим под некоторым углом α, прямо пропорционально косинусу угла падения лучей:(4).

Физиологическое действие света на человека в значительной мере зависит от освещённости. При малой освещённости глаз с трудом различает мелкие предметы и быстро устаёт, большие освещённости оказывают вредное воздействие на сетчатку и возбуждающе действует на нервную систему. Установлены гигиенические нормы освещённости в жилых и производственных помещениях. Например, в аудитории (на уровне поверхности стола) она должна быть 150 лк.

Для измерения освещённости служат приборы, называемые люксметрами (от латинского lux– свет и греческогоmetreo– измеряю). Люксметр представляет фотометр, используемый для определения степени как искусственной, так и естественной освещённости. Простейший люксметр состоит из фотоприёмника и прибора, регистрирующего фототок. Приёмником световой энергии в люксметрах служат фотоэлементы, представляющие фотоэлектрические датчики.

В веществе под действием света происходят фотоэлектрические процессы в виде изменения электропроводности, возникновения ЭДС или эмиссии электронов. Все эти явления получили название фотоэффекта. Различают внешний фотоэффект, когда электроны отрываются от атомов или молекул и вылетают за пределы вещества, и внутренний фотоэффект, когда электроны остаются внутри вещества. Внутренний фотоэффект характерен для полупроводников и приводит к повышению их электропроводности или образованию фотоэлектродвижущей силы. Особый практический интерес представляют полупроводниковые фотоэлементы с запирающим слоем или вентильные фотоэлементы, в которых возникает фотогальванический эффект при освещении контакта полупроводников с p-n-проводимостью. Сущность этого явления заключается в том, что при контакте полупроводниковp- иn-типа создаётся запирающий слой, препятствующий дальнейшему переходу основных носителей заряда: дырок вn-область, а электронов вp-область. При освещенииp-n-перехода и прилегающих к нему участков полупроводника, в нём наблюдается внутренний фотоэффект. При этом образуются электронно-дырочные пары как вn-, так и вp-частях полупроводника. Участвуя в тепловом движении, электроны и дырки перемещаются во всех направлениях, в том числе и в направленииp-n-перехода. Под действием электрического поляp-n-перехода, образовавшиеся заряды разделяются. Неосновные для данного типа полупроводника носители проникают через переход, а основные задерживаются в своей области, вследствие чего в месте контакта электронной и дырочной областей полупроводника накапливаются заряды. Разделение зарядов приводит к созданию разности потенциалов (фотоэлектродвижущей силы), которая вызвана нарушением равновесия носителей заряда в области контакта полупроводниковp- иn-типа.

Фотоэлектродвижущей сила, возникающая при освещении контакта монохроматическим светом, пропорциональна его интенсивности, т.к. она определяется числом образующихся электронно-дырочных пар, определяемым количеством фотонов света.

Преимущество вентильных фотоэлементов заключается в том, что для их работы не требуется источник питания, т.к. в них под действием света генерируется ЭДС. Они применяются в фотометрии, для измерения освещённости в санитарно-гигиенической практике, а также используются в солнечных батареях.

Основным параметром фотоэлемента является его чувствительность μ, равная отношению фототока I_Ф к величине светового потока Ф, вызвавшего этот ток: (5). Световая чувствительность вентильных фотоэлементов значительно превосходит чувствительность вакуумных фотоэлементов и достигает нескольких тысяч микроампер на люмен. Различают интегральную и спектральную чувствительности фотоэлементов. Интегральная чувствительность характеризует способность фотоэлемента реагировать на воздействие светового потока сложного спектрального состава, а спектральная чувствительность определяет силу фототока при воздействии монохроматического светового потока, т.е. показывает зависимость фототока от длины волны падающего светового потока при постоянной освещённости. Спектральная чувствительность селеновых фотоэлементов близка к спектральной чувствительности глаза человека, что открывает возможность использовать их в автоматических устройствах вместо глаза как объективных приёмников света видимого диапазона.

При экспериментальном определении интегральной чувствительности её расчёт проводят по показанию прибора. Если n – число делений шкалы, а– цена одного деления, то значение фототока. Используя формулы (2), (3) и (5) получим:(6).