Определение постоянной стефана - больцмана с помощью фотоэлектрического пирометра

Цель работы: познакомиться с одним из методов определения постоянной Стефана - Больцмана.

Приборы и принадлежности: источник излучения (пластинка никеля), автотрансформатор, трансформаторы напряжения и тока, ваттметр, фотоэлектрический пирометр с усилителем и милливольтметром, термометр.

Сведения из теории

Все тела при любой температуре излучают электромагнитные волны. Это излучение называется тепловым. Твердые и жидкие тела дают сплошной спектр излучения (в спектре присутствуют длины волн от 0 до ). Однако доля энергии, приходящаяся на различные участки спектра, не одинакова и зависит от температуры излучающего тела. При Т = 900 ... 1000 К наибольшая энергия приходится на инфракрасную и красную части спектра (красное каление). При дальнейшем нагревании доля энергии, приходящаяся на видимую часть спектра, возрастает, и свечение становится белым.

Количественной характеристикой распределения энергии излучения по спектру служит величина, называемая спектральной плотностью энергетической светимости, - r_T.

Спектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность тела) - это энергия, излучаемая единицей поверхности тела в одну секунду и приходящаяся на единичный интервал длин волн вблизи данной длины волны 

    

где dФ_,Тпоток, излучаемый с площади ds и приходящийся на интервал длин волн d.

Общая энергия, т.е. энергия, приходящаяся на весь диапазон длин волн, излучаемая единицей площади за 1 с, называется энергетической светимостью тела R_T

. (9.2)

В явлениях, связанных с тепловым излучением тел, большое значение имеют законы, относящиеся к так называемым абсолютно черным телам. Абсолютно черным называется тело, которое полностью поглощает падающие на него лучи (никаких лучей не отражает). В природе нет абсолютно черных тел, но тела, близкие к ним по своим свойствам, можно себе представить. Для абсолютно черного тела, поглощательная способность равна 1 для всех длин волн (поглощательная способность тела а_это отношение энергии, поглощенной телом, ко всей падающей на него энергии):

.

Для реальных тел а_ <1. Между излучательной и поглощательной способностями любого тела имеется определенная связь, устанавливаемая законом Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела. Оно является одной и той же функцией длины волны и температуры и равно излучательной способности абсолютно черного тела:

, (9.3)

где r_,T - излучательная способность абсолютно черного тела.

Закон Кирхгофа, таким образом, утверждает, что чем меньше поглощательная способность тела в данном интервале волн, тем меньше его излучательная способность в этом интервале при данной температуре. Одной из важных количественных закономерностей, касающихся излучения абсолютно черного тела, является закон Стефана - Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна абсолютной температуре этого тела в четвертой степени:

R = ^   

где = 5,6710⁸ Вт/(м² К⁴)постоянная Стефана - Больцмана.

Для реальных тел энергетическая светимость тоже пропорциональна абсолютной температуре этого тела в четвертой степени, но коэффициент пропорциональности здесь иной:

R = К^  

Величину К называют степенью черноты тела. Эта безразмерная величина равна отношению энергетических светимостей данного тела и абсолютно черного тела при одной и той же температуре:

.

Степень черноты К зависит от температуры тела, его материала и состояния поверхности. Значения К лежат в интервале между 0 и 1.