Определение постоянной в законе Стефана-Больцмана с помощью оптического пирометра: Руководство к лабораторной работе № 10о (Оптика)

СИБИРСКИЙ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

им. Серго Орджоникидзе

Кафедра физики

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ В ЗАКОНЕ

СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА С ПОМОЩЬЮ

ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА

Руководство к лабораторной работе № 10о

(Оптика)

Приборы и принадлежности

1.  Оптический пирометр

2.  Аккумулятор.

3.  Амперметр.

4.  Вольтметр.

5.  Реостат (или автотрансформатор).

6.  Трансформатор.

7.  Никелевая пластинка.

8.  Провода.

9.  Штангенциркуль или линейка.

Теоретическое введение

Согласно атомно-молекулярной теории строения вещества все тела состоят из атомов и молекул, обладающих свойствами хаотического (теплового) движения. Двигаясь, атомы и молекулы соударяются и при этом передают друг другу энергию. Атомы и молекулы, получившие порции энергии, переходят в повышенное энергетическое состояние, называемое возбужденным. Возбужденное состояние является неустойчивым, и за время порядка 10^-8 сек. возбужденные атомы и молекулы переходят в нормальное состояние. При этом они излучают электромагнитные волны. Так как атомы и молекулы хаотически двигаются при любых температурах (кроме абсолютного нуля), то фактически все тела при любых температурах излучают электромагнитные волны, спектр которых представляет собой некоторый интервал сплошного спектра.

Излучение, происходящее за счет возбуждения атомов и молекул их тепловым движением, называется тепловым или температурным.

Характер теплового излучения зависит от природы тела и его температуры. Так, например, излучение многих непрозрачных тел (угля, металлов) при температуре 600—700°С таково, что наибольшая мощность излучения приходится на инфракрасную и красную области спектра (красное кале­ние). Мощность излучения коротких волн при этом так мала, что глаз их не ощущает. С повышением температуры к красным лучам присоединяются оранжевые, затем желтые и т. д. И при температуре порядка 1000° С свечение становится белым (белое каление).

Излучение, содержащее в себе инфракрасные, видимые и ультрафиолетовые области спектра, называется оптическим излучением.

Всякое излучение обладает энергией. Мощность оптического излучения называется потоком излучения.

где Ф – поток излучения,

dW - энергия оптического излучения, соответствующая интервалу времени dt.

Поток излучения dФ, отнесенный к поверхности dS излучающего тела, называется энергетической светимостью R:

                                                                        (1)

В формуле (1) под dФ подразумевается интегральный поток излучения, т. е. поток, содержащий волны всех длин, испускаемых телом. Однако следует помнить (о чем выше говорилось), что энергия излучения волн разной длины различна.

Если на тело падает поток излучения dФ, то часть его отражается, часть поглощается и часть (если тело прозрачно) проходит через него. Все тела обладают селективностью, т. е. неодинаково поглощают потоки разных длин волн. Практически не удается рассчитать способность данного тела поглощать лучи строго определенной одной длины. Поэтому расчет обычно производится на некоторый интервал длин волн dl вблизи некоторой волны l. Количество поглощаемой телом энергии зависит также от температуры тела.

Величина, показывающая, какая доля от падающего потока dФ вблизи некоторой длины волны l при данной температуре Т поглощается, называется поглощательной способностью тела или коэффициентом поглощения.

где а_(l,Т) – или К — поглощательная способность,

dФ_(l) - падающий поток излучения,

dФ^’_{(l, Т)} - поток излучения, поглощенный телом при температуре Т.

Для всех реально существующих тел К<1.

Однако можно представить такое тело, которое полностью поглощает весь падающий на него поток. Такое тело называется абсолютно черным. Для него К=1. Близкими к абсолютно черному телу в диапазоне длин волн видимого света являются сажа, платиновая чернь, окислы некоторых металлов (например, никеля).

Австрийские физики Стефан в 1879 г. эмпирически и Больцман в 1884 г. теоретически установили, что интегральная энергетическая светимость абсолютно черного тела для всех длин волн пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры - закон Стефана-Больцмана, который можно записать так:

                                             (2)

где s - постоянная закона Стефана-Больцмана.

Формула (2) справедлива только при условии, что излучение происходит в среду с абсолютной температурой, равной нулю. Если тело с поверхностью S не абсолютно черное и излучает в среду с температурой Т₀, то формула (2) примет вид:

                               (2а)

где Е - энергия всех волн, излучаемых в 1 с телом при температуре Т

К - коэффициент поглощения данного тела, предполагаемый одинаковым для волн всех длин, испускаемых телом.

Целью данной лабораторной работы является опытное определение постоянной s.