Физика: Методические указания к лабораторным работам (Эффект Холла в полупроводниках . Измерение температуры нагретых тел с помощью радиационного пирометра. Изучение работы оптического квантового генератора (лазера). Исследование люминесценции кристаллофосфоров), страница 17

2.  От чего зависит постоянная Холла R?

3.  С какой целью в эксперименте мы меняем направление тока в образце и повторяем измерения?

Список литературы

1.  Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х тт. Т. 2. Электричество и магнетизм. Волны. Оптика. – М.: – Наука, 2005. – 496 с.

2.  Физика твёрдого тела: Учебное пособие для технических университетов / И.К.Верещагин, С.М. Кокин, В.А. Никитенко, В.А. Селезнёв, Е.А. Серов; Под ред. И.К. Верещагина. – М.: Высшая школа, 2001. – 237 с.

3.  Никитенко В.А., Кокин С.М. Физика. Часть III. Конспект лекций. – М.: МИИТ, 2007. – 196 с.

Работа 150

ИЗУЧЕНИЕ ЗАВИСИМОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ

АБСОЛЮТНО ЧЁРНОГО ТЕЛА ОТ ТЕМПЕРАТУРЫ

Цель работы: исследование зависимости теплового излучения абсолютно чёрного тела от температуры и проверка выполнения закона Стефана – Больцмана.

Введение

Электромагнитное излучение, испускаемое нагретым телом, находящимся в состоянии термодинамического равновесия, называется тепловым излучением. При тепловом излучении внутренняя энергия тела, обусловленная движением составляющих его частиц, непрерывно переходит в энергию испускаемых ими электромагнитных волн.

По закону Кирхгофа отношение спектральной испускательной способности r_l,T (спектральной плотности излучательности) к спектральной поглощательной способности а_l,T (коэффициенту поглощения) не зависит от тела и является для каждой длины волны только функцией температуры:

 = f(l,T).                                            (1)

Для абсолютно чёрного тела (а. ч. Т.), поглощающего всё падающее на него излучение, коэффициент поглощения = 1, и, следовательно, на основании закона Кирхгофа (1):  = f(l,T), то есть функция f(l,T) определяется спектральной плотностью излучательности абсолютно чёрного тела .

Спектральная плотность излучательности тела имеет смысл энергии, излучаемой в единицу времени единицей поверхности тела для единичного интервала длин волн:

r_l,T = ,                                           (2)

и может быть получена через спектральную плотность излучательности абсолютно чёрного тела (см. формулу (1)):

r_l,T = a_l,T.                                       (3)

Формула для спектральной плотности излучательности абсолютно чёрного тела была получена М.Планком:

 =                                  (4)

Модель абсолютно чёрного тела можно представить в виде небольшого отверстия, проделанного в полом зачернённом изнутри теле. Если размер отверстия мал по сравнению с размером полости, то излучение, входящее через это отверстие внутрь полости полностью поглощается и не выходит обратно, т. е. a_l,T= 1.

Формула Планка позволяет получить выражение полной ндигральной (для всех длин волн) энергии, излучаемой единицей поверхности абсолютно чёрного тела в единицу времени, называемой энергетической светимостью R_Э (излучательностью):

R_Э^а.ч.т. =                               (5)

Интегрирование по всем длинам волн функции  – см. формулу(4) – даёт зависимость энергетической светимости от температуры (закон Стефана- Больцмана):

R_Э^а.ч.т. = sT⁴,                                          (6)

где s = 5,67×10^-8 Вт/(м²К⁴) – постоянная Стефана-Больцмана.

Описание аппаратуры

Установка включает в себя электропечь (ЭП), приёмник излучения – пирометр, представляющий собой термостолбик (ТС) и блок управления и индикации (БУИ), рис. 1.

Электропечь состоит из нагревательного элемента, термопары, регулятора нагрева и вентилятора. Отверстие в камере печи, через которое выводится излучение абсолютно чёрного тела, находится на передней панели электропечи. Там же на передней панели имеются кнопки «Сеть» и «Вент» для включения печи и вентилятора (о включении последнего информирует загорающаяся красная лампочка).

На передней панели блока управления и индикации размещены цифровые индикаторы напряжения на термостолбике (в мВ) и температуры печи (в °С).

Термостолбик (ТС) представляет собой несколько последовательно соединённых термопар. Напряжение U, вырабатываемое термопарами, пропорционально падающей на входное отверстие термостолбика мощности излучения, которая пропорциональна энергетической светимости выходного отверстия электропечи R_Э^а.ч.т., т. е.

R_Э^а.ч.т = aU.                                            (7)

Таким образом, сняв зависимость напряжения на термостолбике от температуры печи U(T) можно исследовать зависимость энергетической светимости абсолютно чёрного тела от температуры R_Э^а.ч.т.(T) и проверить закон Стефана-Больцмана.

Порядок выполнения работы

1. Установить термостолбик (ТС) вплотную к передней панели электропечи (ЭП) так, чтобы его входное отверстие находилось точно напротив выходного отверстия печи.

Кнопки «Сеть» и «Вент» на передней панели электропечи должны быть выключены!

2. Подключить блок управления и индикации (БУИ) и электрическую печь (ЭП) к питающей сети.

3. Включить кнопку «Сеть» на задней панели блока управления и индикации (БУИ), при этом должны загореться цифровые индикаторы. Дать установке прогреться около 3 минут. Приготовиться к записи результатов последующих измерений.

4. Включить электропечь (ЭП) кнопкой «Сеть» на передней панели печи, при этом вентилятор (выключатель «Вент») должен оставаться в выключенном состоянии.

5. По данным индикатора температуры печи, начиная с +300 °С до температуры +700 °С с интервалом в 50 °С снимать показания напряжения U на термостолбике в мВ и полученные данные записать в таблицу.

Недопустимо повышать температуру печи более +750 °С!

6. Выключить нагреватель печи кнопкой «Сеть» и включить вентилятор печи кнопкой «Вент» на передней панели электропечи, при этом должна загореться красная лампочка.

7. По данным индикатора температуры печи, начиная с +700 °С до температуры +300 °С, снимать показания напряжения на термостолбике в мВ и полученные данные записать в таблицу.