Изучение законов излучения абсолютного черного тела

ЛАБОРАТОРНАЯ  РАБОТА № 48

Изучение законов  излучения абсолютного черного тела

Приборы и принадлежности:оптический пирометр, ЛАТР, амперметр на 5А, трансформатор понижающий, никелевая пластинка.

Цель работы: изучение законов излучения абсолютно черного тела и определение постоянной s в законе Стефана – Больцмана.

                                                        ВВЕДЕНИЕ

Раскаленные твердые тела служат источником света. В этом случае энергия излучения берется за счет тепла, переданного телу извне. Такое излучение носит название теплового или температурного излучения. 

Интегральная испускательная способность (интегральная энергетическая светимость) абсолютно черного тела определяется законом Стефана- Больцмана:

                                                           Е_Т =sТ’’                                           (1)

где s  = 5,67× 10^-8 Вт/м² ×К ⁴ ,

   Т- температура.

Длина волны, на которую приходится максимум излучательной способности, дается законом смещения Вина:   

                                                           l_max×Т=b,                                         (2)

где b= 2,898×10^-3 мК, т.е. с ростом температуры максимум испускательной способности смещается в сторону более коротких длин волн. Визуально можно наблюдать как меняется спектр испускания раскаленного тела в зависимости от температуры: при 700-800⁰С раскаленное тело испускает в основном красные лучи, с повышением температуры к красным добавляются оранжевые, желтые и т.д., начиная с определенной температуры, излучение накаленного тела содержит лучи всех длин волн видимого диапазона и тело светится белым светом.

Основываясь на законах температурного излучения, можно определить температуру раскаленных тел.

Если излучающее тело является черным или достаточно к нему приближается, то для определения его температуры можно воспользоваться законами излучения абсолютно черного тела.

Наиболее распространенный метод оптического определения в том же интервале длин волн с излучением тела.

                                                                           Об            1

                                                                                                                                        Ок

 

                                                          

                                                                  

 

                                                                2

                                                               

                                                                                   

                                         3

                        4                                 

 

Рис.1

1.Пирометр. 2.N_i - пластинка. 3.Трансформатор. 4.ЛАТР. ОБ- объектив, ОК- окуляр.

Для этих целей употребляется оптический пирометр с исчезающей нитью. Процесс измерения температуры сводится к уравниванию яркости нити лампочки, находящейся внутри пирометра, с яркостью раскаленного тела (в данной работе никелевой пластинки). Излучение никеля, который при нагревании на воздухе покрывается окалиной, близко к излучению абсолютно черного тела.

Основной частью пирометра является зрительная труба с объективом и окуляром. В фокальной плоскости  объектива получается изображение раскаленного тела. В этой же плоскости помещается электрическая лампочка с изогнутой нитью. В окуляр одновременно наблюдают и изображение поверхности раскаленного тела, и нить лампочки пирометра. Узкий спектральный интервал выделяют с помощью цветных светофильтров, расположенных в окуляре.

Очертания нити пирометра на фоне раскаленной пластинки исчезают в момент равенства яркости. (Рис.2).

 

        Нить темная             Нить исчезла               Нить яркая

Рис.2

Яркость нити накала лампочки пирометра меняется при помощи реостата. Пирометр отградуирован по излучению абсолютно черного тела. В момент исчезновения нити лампочки на фоне раскаленного тела, измерительный прибор, пирометр, показывает, какой температуре абсолютно черного тела в данном интервале длин волн, соответствует излучение раскаленного тела. Если бы тело было абсолютно черным, то найденная температура соответствовала бы его истинной температуре. Для нечерных тел, определенная таким образом температура, называется яркостной температурой.

Пользуясь формулой Планка, по яркостной температуре Тярк. можно вычислить истинную температуру Тист. Графическая зависимость Тист. от Тярк. приведена на установке.                                      

Порядок выполнения работы

1. Подготовить пирометр к  проведению измерений:

а) ввести все сопротивление реостата пирометра, регулирующего нить накала лампочки. Для этого поворачивают кольцо до упора против часовой стрелки. ‘’0'' кольца должен совпасть с ''0'' корпуса пирометра;

б) включить источник питания пирометра;

в) поворачивая кольцо по часовой стрелке вести накал до 800⁰С (по нижней шкале). Передвигая тубус окуляра, добиться резкого изображения нити лампочки;

г) передвигая тубус объектива добиться резкого изображения пластинки;

д) проверить, введен ли красный светофильтр в тубусе окуляра (поле зрения окуляра должно быть красноватым). Светофильтр позволяет выделить из всего спектра излучения узкий интервал длин волн пластинки и нити лампочки. Монохроматическое излучение с l = 6,0×10^{-7 м.}

2.Для накала N_i пластинки установить напряжение в первичной обмотке трансформатора U₁. Записать в таблицу 1показания амперметра I₁ и значение U₁.

3.Поворачивая кольцо реостата r, добиться исчезновения нити лампочки на фоне раскаленной N_i пластинки. Сделать отсчет температуры по нижней шкале в ⁰С. Значения t₁ записать в таблицу 1.

4.Увеличить напряжение еще до U₂,  записать показания U₂, I₂ и определить t₂ ⁰C (как в п.3).

5.Увеличить напряжение еще до U₃, опять записать U₃, I₃ и определить  t₃ ⁰C.

6.Все данные записать в таблицу 7. Значения U₁, U₂, U₃, S, K указаны на установке.

ВНИМАНИЕ! ПРОИЗВЕДЯ ИЗМЕРЕНИЯ, ВЫКЛЮЧИ ВСЕ ПРИБОРЫ!

                                                                                                        Таблица 1

№	U, B	I, A	KIU, Вт	t°, °C	Tярк, K	Tист, К	Т4ист·Т40 К4	s Вт/М2К4	Т4ист К4	Δs Вт/М2К4
1.
2.
3.

Обработка результатов

1.По графику определить значения истинной температуры Тист. (график производится для окиси N_i  при l=6,0 ×10^-7).

2.Мощность, затраченную на нагревание N_i пластинки, приравнять к количеству энергии, теряемой пластинкой в единицу времени в соответствии с законом Стефана- Больцмана.

KIU=а_lТsS(Т⁴_ист – Т⁴₀),

где К – коэффициент трансформации,

    I - сила тока в первичной цепи,

   U - напряжение, подаваемое на первичную обмотку трансформатора,

   s - постоянная величина Стефана-Больцмана,

   S - площадь пластинки,

   Т₀ - температура окружающей среды,

   Тист - температура, полученная по графику,

   аlТ - поглощательная способность тела.

Для окиси N_i при Т близких к 1500К,  а_lТ= 0,85.

3.По формуле    определить значение s.

4.Определить абсолютную и относительную погрешность значения постоянной Стефана-Больцмана, полученной в данной работе.

Контрольные вопросы I

1.Что называется тепловым излучением?

2.Какое тело называется абсолютно черным?

3.Объясните, на чем основывается метод оптического определения температуры с помощью пирометра с исчезающей нитью?

4.Что такое яркостная температура?

5.Как определить истинную температуру раскаленного тела, зная его яркостную температуру?

Контрольные вопросы II

1.Перечислите характеристики теплового излучения и дайте их определение.

2.Сформулируйте закон Кирхгофа.

3.Напишите формулу Планка.

4.Сформулируйте законы Стефана-Больцмана и Вина.

ЛИТЕРАТУРА

1.Зисман Г.А., Тодес О.М. Курс общей физики, т.3, §30-34.

2.Грабовский Р.И., §130 -131.