2Експериментальна частина

2.1Методика вимірювань

В даній роботі для визначення сталої Стефана – Больцмана використовується випромінювання нечорного тіла – спіралі лампи розжарення.

Електрична потужність Р, яку споживає лампа розжарення, складається з потужності теплового випромінювання Р' спіралі та потужності Р'', яка витрачається на теплообмін з оточуючим середовищем внаслідок теплопровідності тримачів спіралі та конвекції повітря навколо лампи:

(9)

Згідно (2), інтегральна випромінювальна здатність Е(Т) спіралі чисельно дорівнює потужності теплового випромінювання з одиниці площі її поверхні:

де – площа бічної поверхні спіралі (циліндрична поверхня). Беручи до уваги формулу (5, а), подамо Р' у вигляді:

(10)

Будемо вважати далі, що потужність втрат Р'' при зміні температури спіралі у відносно невеликих межах лишається майже незмінною. Тоді для двох різних режимів роботи лампи можна записати рівняння (9):

та

звідки:

або, враховуючи (10),

З останнього рівняння дістанемо

(11)

Електричну потужність Р лампи легко визначити за законом Джоуля – Ленца:

де величини напруги U та сили струму I встановлюють за показами вольтметра та амперметра в колі лампи.

2.2Вимірювання температури спіралі

Температуру спіралі лампи розжарення в даній роботі вимірюють за допомогою оптичного пірометра.

Пірометрами (від грец. πυρός – вогонь, μετρέω – вимірюю) називають оптичні прилади для безконтактних (дистанційних) вимірювань температури розжарених тіл. Майже усі пірометричні методи базуються на вимірюванні інтенсивності теплового випромінювання. Оскільки інтенсивність теплового випромінювання різко спадає при зменшенні температури тіл, методи пірометрії застосовують для вимірювання відносно високих температур (розплави металів, полум’я плазми, розряду електричної дуги, поверхні зірок тощо). Пірометричні методи вимірювання температури при t < 1000^оС відіграють в цілому другорядну роль, при t > 1000^оС стають головними, а при t > 3000^оС – практично єдиними. До недоліків методів пірометрії слід віднести невелику точність ~ 3 – 10 %.

В даній роботі застосовується яскравісний пірометр ОППИР-017 із зникаючою ниткою. Пірометри такого типу забезпечують найбільшу точність вимірювань в діапазоні 10³…10⁴ К. В простіших візуальних пірометрах із зникаючою ниткою об’єктив фокусує зображення поверхні досліджуваного тіла (спіралі лампи) на площину, в якій розташоване зображення нитки спеціальної пірометричної лампи розжарення. Через окуляр пірометра нитку розглядають на фоні зображення тіла і, змінюючи струм розжарювання нитки, домагаються, аби яскравості нитки і тіла зрівнялися (нитку не можна розрізнити на фоні тіла). Шкалу електровимірювального приладу, який реєструє силу струму розжарювання нитки, градуюють звичайно у ^оС або К, і в момент зрівнювання яскравостей нитки та тіла прилад показує температуру тіла.

Відмітимо, що при використовуванні візуальних пірометрів помітні похибки вимірювань можуть вносити індивідуальні особливості ока спостерігача.

При вимірюваннях температур t > 3000^оС слід користуватися спеціальним червоним світлофільтром (λ ≈ 600 нм), а відлік температури виконувати по другій, паралельній шкалі.