4.3 Методика исследования

4.3.1 Определение суммарного коэффициента поглощения

Целью данной работы является определение суммарного коэффициента поглощения а_T вольфрамовой нити лампы накаливания, включенной в цепь постоянного тока.

Суммарный коэффициент поглощения а_T можно определить , используя соотношение (24) , полученное на основе Закона Стефана – Больцмана с учетом излучения окружающей среды:

. (4.17)

Из соотношения (30) следует , что для экспериментального определения суммарного коэффициента поглощения необходимо измерить энергию R , излучаемую единицей поверхности нити лампы в единицу времени в окружающую среду, температуру нити T_T и окружающей среды T_ср..

Энергию R , излучаемую единицей поверхности нити лампы за единицу времени, можно определить по энергии W , подводимой к нити лампы от источника тока, так как при термодинамическом равновесии энергии излучения равна энергии, подведенной от источника тока, то есть

, (4.18)

где I – сила тока, протекающего по нити лампы;

U – напряжение на лампе;

S – излучающая поверхность нити лампы.

Подставим полученное соотношение для R в (30) и получим формулу для определения суммарного коэффициента поглощения а_T опытным путем:

. (4.19)

Температура окружающей среды (лаборатории) T_ср. измеряется обычным комнатным термометром, ее значение оказывается в несколько раз меньше температуры нити лампы накаливания. В первом приближении значение T_ср⁴ можно не учитывать по сравнению с T_т⁴ Измерение истинной температуры нити лампы следует рассматривать особо.

4.3.2 Измерение истинной температуры нити лампы накаливания

(исследуемого объекта)

Истинная температура нити лампы T_T определяется по яркостной температуре T_я , измеряемой с помощью оптического пирометра. Яркостной температурой T_я называют температуру абсолютно черного тела , имеющего такую же спектральную плотность излучения , как и данное нечерное тело, то есть

.

Из закона Кирхгофа (18) и формулы Планка (27) следует, что истинная температура тела T_T всегда выше его яркостной температуры T_я.

Выведем формулу для определения истинной температуры нити лампы T_T , учитывая , что в данной лабораторной работе исследования проводятся при температурах, для которых максимум спектральной плотности излучения лежит в инфракрасной части спектра излучения, и , следовательно, в видимой области спектра

,

то есть можно воспользоваться законом Вина (28):

.

Обозначим ;

.

Тогда спектральная плотность излучения абсолютно черного тела при температуре T_я будет определяться соотношением:

. (4.20)

Для нечерного тела (нити лампы), находящегося при температуре T_T , в соответствии с законом Кирхкофа (18) имеем:

. (4.21)

Найдем отношение к , учитывая соотношения (33) и (34):

,

так как по условию определения яркостной температуры

.

Отсюда имеем:

. (4.22)

Прологарифмируем полученное выражение (35):

.

И найдем истинную температуру T_T :

. (4.23)

Яркостная температура определяется оптическим пирометром, нить которого принимается за абсолютно черное тело. Схема устройства яркостного пирометра (или пирометра с исчезающей нитью) приведена на рисунке 4.2 (более детально принцип работы и устройства пирометров различных типов рассмотрено в « Описание оптических приборов» [4].

Рисунок 4.2 Устройство яркостного пирометра и схема его включения

Основной частью прибора является зрительная труба с объективом О и окуляром О₁ . в фокальной плоскости объектива О помещается лампочка А, нить которой принимается за эталон – абсолютно черное тело. Здесь же получается и изображение поверхности наблюдаемого тела. Яркость изображения тела пропорциональна яркости самого тела. В окуляре О₁ одновременно наблюдается изображение поверхности исследуемого тела и нити пирометра.

Узкий спектральный участок выделяется с помощью цветных светофильтров Ф , располагаемых около окуляра О₁ . обычно используется красный светофильтр, для которого λ = 0,66 мкм.

Нить лампочки пирометра питается током от источника постоянного тока (И.П.). меняя силу тока с помощью реостата R , вмонтированного в пирометр, можно изменить интенсивность ее излучения. Если яркость нити лампочки пирометра больше яркости изображения исследуемой поверхности, то она будет светлее, ниже – темнее изображения. При совпадении их яркостей нить лампочки пирометра «исчезает» на фоне изображения исследуемой поверхности.

Гальванометр Г, регистрирующий ток через нить лампочки пирометра, проградуирован в градусах Цельсия. Если не используются поглощающие фильтры, температура определяется по верхней синей шкале. Данное замечание относится к пирометру типа ОППИР.