Изучение характеристик лампы накаливания

1.1. Цель работы: исследовать при разных напряжениях эксплуатационные и оптические характеристики лампы накаливания.

1.2. Подготовка к работе: ознакомиться с описанием лабораторной работы, прочитать §§ 197–201 в учебнике [2]^* и пп. 4.3.1, 4.3.2 в [4]. В результате нужно знать следующее:

а) особенности и характеристики теплового излучения;

б) понятие коэффициента поглощения излучения;

в) законы Кирхгофа и Стефана – Больцмана, их смысл;

г) яркостная температура и связь ее с истинной температурой светящегося тела;

д) метод измерения яркостной температуры с помощью пирометра;

е) понятие световой отдачи электрической лампы.

1.3. Экспериментальная установка и методика

измерений

Объектом исследования в этой работе является раскаленная вольфрамовая пластинка 1 электрической лампы Л (рис. 1.1). Подаваемое на нее напряжение от понижающего трансформатора Тр регулируется с помощью ЛАТРа и измеряется вольтметром рV; для измерения силы тока, протекающего по пластине, служит амперметр рА. Излучаемый лампой свет попадает на объектив 2 яркостного пирометра – специального прибора для бесконтактного измерения высоких температур.

Основной частью пирометра П является вмонтированная внутри него эталонная лампа. Она питается от внешнего источника постоянного тока БП по схеме, изображенной на рис. 1.2.

Реостат R служит для регулирования величины тока в лампе Э. На практике это осуществляется вращением рифленого кольца 4 на корпусе пирометра (см. рис. 1.1). Температура дугообразной нити накала эталонной лампы однозначно связана с силой тока, протекающего по ней; поэтому шкала 5 измеряющего его микроамперметра рА проградуирована в градусах Цельсия.

Свет от исследуемой лампы Л попадает на объектив 2 и проходит через систему линз зрительной трубы пирометра. В окуляр 3 можно наблюдать изображение светящейся пластинки исследуемой лампы и одновременно нить эталонной лампы. Расположенный в окуляре красный светофильтр КФ пропускает практически монохроматический свет с длиной волны . Поэтому изображения пластинки и нити видны в красном цвете. Изменяя силу тока через эталонную лампу, можно добиться их одинаковой яркости. В этом случае эталонная нить становится незаметной на фоне светящейся пластинки (поэтому приборы такого типа называют пирометрами с исчезающей нитью).

При высокой температуре лампы Л в пирометре предусмотрено введение нейтрального светофильтра НФ с помощью рычажка 6 (см. рис. 1.1). Нейтральный светофильтр уменьшает яркость изображения пластинки 1 и позволяет выравнить яркости пластинки и нити при меньшем токе через лампу Э. При введенном светофильтре НФ показания пирометра снимаются с его нижней шкалы, при выведенном (низкие температуры) – с верхней. Так как при измерении выравниваются яркости изображений, то пирометр показывает не истинную температуру нити эталонной лампы, а так называемую яркостную , т. е. температуру АЧТ, имеющую такую же яркость. Однако, если перевести в Кельвины ( ), то истинную абсолютную температуру нити (следовательно, и пластинки) можно определить по формуле [2]:

. (1.1)

Самым распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое. Оно возникает за счет энергии теплового движения атомов и молекул тела. Тепловое излучение присуще всем телам при температуре выше абсолютного нуля. Количественной характеристикой теплового излучения служит энергетическая светимость , равная мощности всех волн, излучаемых во все стороны с единицы поверхности нагретого тела. Когда по лампе течет электрический ток, ее пластинка разогревается за счет джоулева тепла и излучает. Очевидно, что не вся потребляемая электрическая мощность преобразуется в излучение, а только ее часть, равная . Величина называется световой отдачей. Пусть – площадь светящейся поверхности пластинки, тогда энергетическая светимость, по определению, равна:

. (1.2)

Если считать вольфрам серым телом с коэффициентом поглощения , то его энергетическую светимость можно связать с энергетической светимостью АЧТ по закону Кирхгофа:

.

В свою очередь, связано с температурой Т тела законом Стефана – Больцмана:

, (1.3)

где .

Таким образом можно определить температуру пластинки, выразив ее через мощность Р электрического тока, потребляемую лампой

. (1.4)

Логарифмируя это выражение и определяя из него , получим

, (1.5)

где

. (1.6)

Из соотношения (1.5) следует, что график зависимости от должен быть линейным с угловым коэффициентом 0,25. Эта прямая линия будет пересекать ось в точке С, которая содержит в себе коэффициент светоотдачи.