Важнейшими характеристиками источника света являются спектральный состав его излучения и световая отдача. В лампах накаливания используются вольфрамовая нить по двум причинам: а) ее тугоплавкость и большая стойкость к распылению при больших Т, б) световая отдача у вольфрамовой нити, в видимой части спектра, значительно больше, чем у а.ч. тела, нагретого до такой же
Т.
Температура вольфрамовой нити в вакуумных лампах не должна превышать 2450 К, поскольку при более высоких температурах происходит ее сильное распыление. Максимум излучения при этой температуре соответствует длине волны 1,1 мкм, т. е. очень далек от максимума чувствительности человеческого глаза ( 0,55 мкм). Наполнение баллонов ламп инертными газами (например, смесью криптона и ксенона с добавлением азота) при давлении 50 кПа позволяет увеличить температуру нити до 3000 К, что приводит к улучшению спектрального состава излучения. Однако светоотдача при этом не увеличивается, так как возникают дополнительные потери энергии из-за теплообмена между нитью и газом вследствие
теплопроводности и конвекции. Для уменьшения потерь энергии за счет теплообмена и повышения светоотдачи газонаполненных ламп нить изготовляют в виде спирали, отдельные витки которой обогревают друг друга. При высокой температуре вокруг этой спирали образуется неподвижный слой газа и исключается теплообмен вследствие конвекции. Энергетический к. п. д. ламп накаливания в настоящее время не превосходит 5 %.
Люминесцентные источники света обладают в два-три раза большим К.П.Д.
Законы тепловогоОПТИЧЕСКАЯизлучения используютсяПИРОМЕТРИЯдля измерения температуры раскаленных и самосветящихся тел (например, звезд).
Методы измерения высоких температур, использующие зависимость спектральной плотности излучательности или интегральной излучательности (излучательности) тел от температуры, называются оптической пирометрией. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называются
пирометрами. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измерении температуры тел, различают радиационную, цветовую и яркостную температуры.
13.3. Радиационная температура
В данном случае регистрируется излучательность исследуемого тела и по закону Стефана — Больцмана вычисляется его радиационная температура:
Tp 4 RT /
Это такая температура абсолютно черного тела, при которой его излучательность Re равна излучательности RT исследуемого тела.
Радиационная температура Тр тела всегда меньше его истинной
температуры Т. Для доказательства этого предположим, что исследуемое тело является серым. Тогда, используя закон Стефана- Больцмана и выражение для излучательности серого тела, можно
записать |
Rc A R |
A T 4. |
|
T T e |
T |
С другой стороны |
RT |
Tр |
c |
4 |
Из сравнения этих выражений вытекает, что
Т р Т 4
АТ
Так как АТ < 1, то Тр < T, т.е. истинная температура тела всегда выше радиационной.
Для измерений используется радиационный пирометр.
A
B
Sii
mA
Радиационный пирометр
AB – светящаяся поверхность S – тела;
Si – крестообразная пластинка из платиновой фольги с зачернённой поверхностью.
В пластинке термопара.
Шкала миллиамперметра градуируется по излучению а.ч. тела прямо в К. Поэтому для произвольного излучателя определяется так называемая радиационная или энергетическая Т.
13.4. Цветовая температура |
|
|
Для серых тел (или тел, близких к ним по свойствам) спектральная |
||
плотность излучательности R |
A r |
, |
,T |
T ,T |
|
где АT = const < 1. Следовательно, распределение энергии в спектре
излучения серого тела такое же, как и в спектре абсолютно черного тела, имеющего ту же температуру. Поэтому к серым телам применим закон Вина, т. е., зная длину волны λтах, соответствую-
щую максимальной спектральной плотности излучательности Rλ,T исследуемого тела, можно определить его температуру
Тц b / max ,
которая называется цветовой температурой. Для серых тел цветовая температура совпадает с истинной. Для тел, которые сильно отличаются от серых (например, обладающих селективным поглощением), понятие цветовой температуры теряет смысл. Таким способом определяется температура на поверхности Солнца (Tц
6500 К) и звезд.
13.5. Яркостная температура
Яркостная температура Тя — температура абсолютно черного тела,
при которой для определенной длины волны его спектральная плотность излучательности равна спектральной плотности
излучательности исследуемого тела, т. е. r ,T |
R ,T , |
|
я |
где Т — истинная температура тела. По закону Кирхгофа, для исследуемого тела при длине волны λ
R ,T / A ,T r ,T ,
или, учитывая предыдущее выражение A |
r |
/ r |
. |
|||
|
,T |
|
,Tя |
|
,T |
|
Так как для нечерных тел А < 1, то |
r ,T |
r ,T |
и, |
|||
|
|
|
|
|||
следовательно, Тя < Т, т. е. (истинная температура телая всегда выше
яркостной.
В качестве яркостного пирометра обычно используется пирометр с исчезающей нитью. Накал нити пирометра подбирается таким,
чтобы выполнялось условие A ,T r ,T |
/ r ,T . |
|
я |
В данном случае изображение нити пирометра становится |
|
неразличимым на фоне поверхности раскаленного тела, т. е. нить как бы «исчезает». Используя проградуированный по абсолютно черному телу миллиамперметр, можно определить яркостную температуру.
Нагретое тело
Нить накала
Фильтр
Г
Пирометр с исчезающей нитью
Зная поглощательную способность Аλ,Т тела при той же длине
волны, по яркостной температуре можно определить истинную. Переписав формулу Планка в виде
r |
|
ñ |
r |
|
2 c2h |
|
1 |
|
|
||
|
|
|
5 |
|
hñ/(k T ) |
|
|
||||
,T |
|
|
2 ,T |
|
|
e |
1 |
||||
|
|
|
|
|
|
ÿ |
|||||
и учитывая это в A ,T r ,Tя / r ,T , получим
A ,T (ehc /(k T ) 1) /(ehc /(k Tя ) 1)
т. е. при известных Аλ,Т и λ можно определить истинную температуру исследуемого тела.