8. Методика определения интегральной поглощательной способности.

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В. Курс общей физики. Т.3.

2. Сивухин Д.В. Общий курс физики. Оптика.

3. Ландсберг Г.С. Оптика.

Взято с сайта ФАЭ helper (URL: http://www.faehelper.narod.ru)

- 16 -

Министерство высшего и среднего специального образования РФ

НИЖЕГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Изучение законов теплового излучения c помощью оптического пирометра

Лабораторная работа №3-8

Нижний Новгород

1993 г.

Составители: А.Н. Мешков, А.М. Шутов, В.И. Шишко

УДК 621.373.8

Изучение законов теплового излучения с помощью оптического пирометра: Лабораторная работа по физике №3-8 для студентов всех специальностей/ НГТУ; Сост.: А.Н. Мешков, А.М. Шутов, В.И. Шишко. Н.Новгород, 1993. 19 с.

Даны сведения о законах теплового излучения, оптической пирометрии. Описаны лабораторная установка, методика измерения температуры раскаленного тела.

Нижегородский политехнический ин-т. 603600, Н.Новгород, ул. Минина, 24.

Лаборатория офсетной печати ГПИ.603022,Н.Новгород, пр. Гагарина,1.

© Нижегородский Государственный Технический Университет, 1993

2.4.2. Определение истинной температуры Т.

1. Найти Т по формуле (15) и таблице 1. Записать в таблицу 2 значения a_λ,Т, которые принимались при вычислении Т.

2. Построить график Т(Р) совместно с Тя(Р).

2.4.3.Определение интегральной поглощательной способности.

1. Вычислить α_Т по формуле (18).

2. Построить график α_Т=f(T).

3. Оценить погрешность определения одного из значений α_Т как погрешность косвенных измерений, считая, что погрешности ∆T=10^-9, ∆S=5*10^-7 м².

Таблица 2

№, п/п	U, В	I, А	P, Вт	tя, 0 С	Tя, К		T, К	αТ
1
2
3
…..
10

Отчет по лабораторной работе должен содержать схему установки, расчетные формулы, необходимые для составления расчетов с пояснениями, таблицу измерений, графики и расчет погрешностей.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Природа теплового излучения. Величины, характеризующие тепловое излучение.

2. Закон Кирхгофа, его проявление на опыте.

3. Формула Планка для функции Кирхгофа. Графическая зависимость излучательной способности от частоты излучения. Смысл численного значения функции Кирхгофа.

4. Законы Стефана-Больцмана и Вина, их проявление.

5. Радиационная, яркостная, цветовая температуры.

6. Принцип действия оптического пирометра и экспериментальной установки.

7. Методика определения температуры Т тела по яркостной температуре.

- 15 -

2.3. Указания по технике безопасности

2.3.1. При работе с установкой, опасным является напряжение сети 220 В, которым питается цепь накала исследуемой лапы и блок питания пирометра.

2.3.2. Прежде чем включать ЛАТР и блок питания пирометра в сеть, надо проверить соединение ЛАТРа, амперметра и исследуемой лампы.

2.3.3. Запрещается прикасаться к элементам схемы питания исследуемой лампы в процессе ее работы, за исключением ручки управления ЛАТРа.

2.4. Порядок выполнения работы

2.4.1. Измерение яркостной температуры Тя.

1. Установить ручку ЛАТРа регулировки напряжения нити накала исследуемой лампы в нулевое положение, повернув ее до отказа против часовой стрелки.

2. Проверить схему и включить ЛАТР и блок питания пирометра в сеть.

3. Поворотом ручки ЛАТРа установить напряжение нити лампы 60 В.

4. Подготовить пирометр к работе, для чего:

а) переключатель 5 пирометра поставить в положение

б) направить пирометр на исследуемый объект и перемещением объектива и окуляра добиться, что в поле зрения пирометра получилось четкое изображение нити исследуемой лампы.

5. Нажать кнопку 6 включения эталонной лампы. Вращая ручку пирометра 3 добиться, чтобы яркости эталонной и исследуемой нити были одинаковы, т.е. чтобы изображение границ пересечения эталонной нити и исследуемой нити исчезло. Отпустить кнопку 6.

6. Произвести отсчет температуры t_я в ⁰С по шкале 1 пирометра.

7. Показания вольтметра U, амперметра I и температуру tя0 С записать в таблицу 2.

8. Произвести измерения, измеряя напряжение U от 60 до 200 В через каждые 10-15 В. Всего следует произвести около 10 подобных измерений, все полученные результаты занести в таблицу 2.

9. Для каждого значения U вычислить по формуле (16) значения Тя в градусах по шкале Кельвина, результаты занести в таблицу 2.

10. Построить график Тя(Р).

- 14 –

Цель работы: изучить законы теплового излучения, понятия яркостной, радиационной, цветовой температуры, методику измерения температуры раскаленного тела пирометром.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Природа теплового излучения. Основные характеристики теплового излучения

Излучение света происходит в результате переходов электронов вещества из состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией. При каждом переходе выделяется квант энергии излучения hυ=∆W, где h=6,62*10^-34 Дж*с – постоянная Планка, υ – частота излучения, ∆W – разность энергий. Тепловое излучение обусловлено тем, что переход в состояние с большей энергией (в возбужденное состояние) происходит в результате теплового движения атомов.

Тело, нагретое до температуры в несколько тысяч градусов, имеет сплошной спектр излучения, занимающий область от невидимого инфракрасного излучения до невидимого ультрафиолетового. Доля энергии, приходящаяся на различные участки спектра, зависит от температуры излучающего тела. Тепловое излучение характеризуют следующими параметрами.

Энергетическая светимость R_T, Вт/м² – энергия излучения нагретого тела в единицу времени с единицы поверхности по всем направлением во всем интервале излучаемых длин волн. Индекс «Т», указывает на то, что энергетическая светимость зависит от температуры.

Испускательная способность

(1)

является функцией частоты и температуры, характеризует распределение энергии излучения по частотам. Чем выше r_υ,T при данной частоте υ и температуре Т, тем больше dR_T, а значит, больше энергии излучает тело на частотах, близких к υ (в диапазоне от υ до υ+dυ).

Очевидно, что

(2).

- 3 -

Поглощательная способность a_υ,Т, - характеризует способность тел поглощать падающее на них излучение. она показывает, какая доля энергии падающего излучения поглощается поверхностью на частотах, близких к υ. Поглощательная способность зависит от частоты и температуры. Для реальных тел 0<a<1. Тела, у которых a_υ,Т=1 для всех частот и температур (полное поглощение), называют абсолютно черными. Близки к ним в видимой области спектра – сажа, черный бархат. Абсолютно черное тело можно сделать искусственно в виде полости с малым отверстием (рис.1).

Излучение, попавшее извне в отверстие, полностью захватывается телом за счет многократных переотражений, при каждом из которых происходит частичное поглощение. Такая полость, разогретая до температуры Т, излучает из отверстия волны, характерные для абсолютно черного тела.

Рис.1

1.2. Закон Кирхгофа. Формула Планка.

Между испускательной и поглощательной способностью существует взаимосвязь. Кирхгоф установил, что отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тел и является универсальной для всех тел функцией частоты и температуры:

(3).

Это означает, что тело, сильнее поглощающее какие-либо лучи, будет эти лучи сильнее и испускать.

Закон Кирхгофа хорошо подтверждается на опыте. Если нагреть в печи кусок белого фарфора, наполовину покрытого черной краской, то, вынув кусок из печи, можно наблюдать в темноте собственное свечение – ярче светиться окрашенная часть. На свету – ярче выглядит часть керамики, не покрытая краской. Наблюдаемый эффект соответствует закону Кирхгофа, т.к. зачерненная поверхность является более поглощающей, а следовательно, и более излучающей.

• 4 –

2.2. Методика проведения измерений.

2.2.1. Измерение яркостной температуры Тя.

Пирометр непосредственно позволяет определить яркостную температуру нити исследуемой лампы в градусах Цельсия, затем ее пересчитывают в шкалу Кельвина. Если одновременно по приборам (рис.4,а) регулировать напряжение U и ток лампы I, а значит и мощность потребляемую нитью

, (16)

можно построить графики Tя=f(Р)

2.2.2. Определение истинной температуры т.

По формуле (15) и таблице 1 можно определить истинную температуру Т исследуемой нити и построить график Tя=f(Р).

2.2.3. Определение интегральной поглощательной способности α_Т

По определению (11) . При достаточно высокой температуре (при излучении видимого света) лишь небольшая часть мощности электропитания Р идет на передачу тепла через цоколь лампы, в основном она обеспечивает излучение лампы в видимом и инфракрасном диапазонах, т.е. в соответствии с определением электрической светимости,

, (17)

где S – площадь нити исследуемой лампы, имеет величину порядка 10^-4 м², точное значение указано на установке. Выразив из (17), а из (8), (9), найдем их отношения:

, (18)

что позволяет определить α_Т и построить график α_Т(Т).

Коэффициент α_Т показывает, какую долю энергии излучает нить реальной лампы от той энергии, которую бы излучала лампа с абсолютно черной нитью при той же температуре. На практике численные значения α_Т применяют при изменении температуры радиационным способом. Для металлов α_Т=0,1-0,9, для сплавов металлов и угля α_Т≈0,9.

- 13 -

(10)

Для сравнения энергетической светимости реальных тел и абсолютно черного можно ввести коэффициент , равный отношению интегралов (10) и (7), т.е.

(11)

Коэффициент иногда называют интегральной поглощательной способностью (или интегральным коэффициентом черноты). Он характеризует свойство реальных тел, что все они излучают меньше энергии (на всех вместе взятых частотах), чем абсолютно черное тело при той же температуре. Значения всегда меньше единицы, зависят от температуры, природы тела, состояния его поверхности.

Закон Стефана-Больцмана справедлив лишь для абсолютно черных тел. Для других тел закономерность (8) нарушается. Поэтому измерение постоянной δ, а затем через нее и h (см.(9)) проводят только на абсолютно черном теле или его искусственной модели (рис.1)