1.5 Светочувствительные приборы

Для измерения освещенности используют специальные приборы, показывающие величину непосредственно в люксах и называемые люксметрами. В переносных люксметрах главным чувствительным элементом является селеновый фотоэлемент.

Селеновый фотоэлемент – это полупроводниковый прибор с запирающим слоем. Принцип его действия основан на фотоэлектрическом эффекте. Сила электрического тока, проходящего по фотоэлементу, прямо пропорциональна его освещенности. Селеновый фотоэлемент обладает кривой спектральной чувствительности, которая приближается к кривой чувствительности глаза (рисунок 2).

Рисунок 3 Устройство фотоэлемента:

1 – слой платины; 2 – слой селена; 3 – запирающий слой; 4 - слой железа; mА - миллиамперметр

Устройство селенового фотоэлемента показано на рисунке 3. Селен является полупроводником. В зоне контакта селена и железа образуется запирающий слой, обладающий односторонней проводимостью. При падении света на фотоэлемент благодаря внутреннему фотоэффекту в селене увеличивается число свободных электронов. Вследствие теплового движения часть этих электронов переходит в железо. Обратно переместиться они не могут из-за наличия запирающего слоя. Между селеном и железом возникает разность потенциалов, которая создает в цепи фотоэлемента электрический ток, называемый фототоком. Сила фототока пропорциональна величине светового потока, падающего на фотоэлемент:

i = k Ф,

где k – коэффициент пропорциональности, называемый чувствительностью фотоэлемента.

Освещенность будет пропорциональна силе фототока i:

E = Ф / S = i / kS ,

где S – площадь светочувствительной поверхности фотоэлемента.

Для того, чтобы фотоэлемент можно было использовать в качестве люксметра – прибора для измерения освещенности, шкалу микроамперметра, включенного в цепь фотоэлемента, градуируют в люксах.

2 Описание лабораторной установки

Установка состоит из люксметра Ю116, осветительной лампы, метровой линейки.

В лабораторной работе используется люксметр Ю-116 (рисунок 4), который применяется для контроля освещенности в промышленности, в сельском хозяйстве, на транспорте и других отраслях народного хозяйства, а также для исследований, проводимых в научных, конструкторских и проектных организациях.

Рисунок 4 Внешний вид люксметра Ю –116

Люксметр Ю-116 имеет два основных диапазона измерений от 5 до 30 и от 20 до 100 лк. Шесть дополнительных диапазонов получают из основных за счет применения трех нейтральных светофильтров КМ, КР и КТ с коэффициентами ослабления соответственно 10, 100 и 1000.

Принципиальная электрическая схема люксметра приведена на рисунке 5. Стрелочный прибор магнитоэлектрической системы РА смонтирован в одном корпусе с переключателем диапазонов измерений и с вилкой для подключения селенового фотоэлемента Площадь светочувствительной поверхности фотоэлемента около 30 см². Люксметр проградуирован по лампе накаливания в основных диапазонах без светофильтров и дает погрешность измерений 10%. При переходе на дополнительные диапазоны измерений погрешность возрастает не более чем на 5%.

Для снижения «косинусной» погрешности ( при изменении угла падения) для фотоэлемента применяется насадка в виде полусферы, выполненной из белой светорассеивающей пластмассы. Полусфера применяется совместно с одной из трех насадок, имеющих обозначения КМ, КР и КТ. Никаких дополнительных источников тока в приборе не используется.

Ток обусловлен исключительно явлением внутреннего фотоэффекта.

Рисунок 5 Принципиальная электрическая схема

люксметра: РА – стрелочный прибор; В – фотоэлемент;

R1, R2, R3, R4 –резисторы; Х1 – розетка; Х2 –вилка;

S₁ и S₂ – кнопочные переключатели