 ПОЗНАВАТЕЛЬНОЕ
| Описание метода и экспериментальной установки
Лабораторная работа 8.1.
ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ МЕТОДОМ НЕКОНТАКТНОЙ ТЕРМОМЕТРИИ Библиографический список
Цель работы: изучение теплового излучения и ознакомление с методами оптической пирометрии на примере определения температурной зависимости коэффициента поглощения нечёрного тела. Приборы и принадлежности: пирометр, вольфрамовая лампа, ЛАТР, ваттметр.
Описание метода и экспериментальной установки
Электромагнитное излучение, причиной которого является возбуждение атомов и молекул вещества вследствие его нагревания, называется тепловым или температурным излучением. Температурное излучение является универсальным свойством тел. Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, непрерывно излучают лучистую энергию. Этот процесс сопровождается уменьшением внутренней энергии тела, вследствие чего тело остывает. Одновременно с излучением энергии происходит поглощение лучистой энергии, падающей на поверхность тела. Последний процесс приводит к увеличению внутренней энергии тела. Все окружающие нас тела находятся в лучистом теплообмене. Если один из процессов преобладает (излучение или поглощение), то температура тела изменяется. Если же оба процесса эквивалентны, то температура тела остается постоянной. Состояние системы называется равновесным, если распределение энергии между телами и излучением остается неизменным во времени. Равновесность является основным условием теплового излучения. Энергетической светимостью
Поглощательной способностью тела или коэффициентом поглощения
Тела, для которых Все реальные тела в зависимости от их излучательной и поглощательной способности можно разбить на две группы: селективные и серые. Селективными называются такие тела, у которых излучательная и поглощательная способность заметно изменяется с изменением длины волны излучения. Вообще говоря, излучение всех тел, существующих в природе, в той или иной степени является селективным. Степень селективности определяется отличием спектрального распределения излучательной способности тела от этого же распределения для абсолютно чёрного тела. Спектр теплового излучения тел непрерывен и имеет ярко выраженный максимум, положение которого зависит от температуры. Спектральная зависимость
В этой формуле впервые в истории физики была заложена идея квантов света, несущих энергию  . Излучательная способность серого тела
Законы Планка и Кирхгофа являются важнейшими для теплового излучения, законы Стефана-Больцмана и Вина – их следствия. В частности, по закону Стефана-Больцмана для серого тела интегральная излучательная способность
где
В данной работе в качестве источника теплового излучения используется ленточная вольфрамовая лампа СИ8-300I. Вольфрам не является идеальным серым телом, так как его поглощательная способность зависит от частоты. Поэтому при выполнении работы обязательно пользоваться светофильтром, в данном случае красным, максимум пропускания которого приходится на 6500 Нагревание вольфрамовой ленты в лампе производится электрическим током от сети через понижающий трансформатор. Подводимая мощность, которая необходима для нагревания ленты до температуры
Здесь первое слагаемое – это интегральная излучательная способность, т.е. энергия, излучаемая в единицу времени с единицы площади, или мощность, излучаемая с единицы площади при температуре Мощность N определяется ваттметром, включенным в цепь питания лампы (рис. 2). Коэффициент поглощения из закона Кирхгофа (4):
Температура вольфрамовой ленты измеряется пирометром «Проминь», принцип работы которого основан на сравнении яркости излучения исследуемого тела с яркостью нити пирометра, которая отградуирована по температуре. Равенство яркостей определяется на глаз. Оптическая система пирометра совмещает в одной плоскости нить пирометра и изображение вольфрамовой ленты (вертикально). Если в месте их пересечения горизонтальная полоса не видна на фоне вертикальной, то температура исследуемого тела равна температуре нити пирометра, которая указана на шкале прибора. Но это не истинная температура, а яркостная. Яркостная температура – это температура такого абсолютно чёрного тела, яркость которого такая же, как у серого тела. Яркостная температура всегда ниже истинной (энергетической) температуры тела. Связь их устанавливается формулой Планка.
Оптико-электрическая схема установки представлена на рис. 2. На этом рисунке 1– ленточная вольфрамовая лампа, ее лента накала – 2 – объект исследования Диапазон изменения температуры в данной работе от 900 до 1800 °С, т.е. по первой и второй шкале температур.
Порядок выполнения работы 1. Включить питание пирометра и ленточной лампы тумблера на верхней крышке ЛАТРа, при этом ручка ЛАТРа должна быть в крайнем положении против часовой стрелки. 2. Установить переключатель температурных шкал на шкалу 1 и по ней температуру 900 °С на нити пирометра, вращая ручку пирометра справа на его кожухе. 3. Добиться четкого изображения нити настройкой окуляра. 4. Поставить красный светофильтр лимбом на окуляре пирометра. 5. Вращая ручку ЛАТРа, добиться, чтобы яркость вольфрамовой лампы сравнялась бы с яркостью нити пирометра, т.е., чтобы в месте скрещивания нить пирометра не была видна на фоне изображения ленты. 6. Записать показание ваттметра, определяющее излучательную способность вольфрама при данной температуре. 7. Поставить на пирометре температуру 1000 °С, на 100 °С большую предыдущей. 8. Повторить указанное в п. 5, 6. 9. Повторить указанное в п. 7, 8 до температуры 1800 °С через каждые 100 °С, перейдя после 1400 °С на вторую температурную шкалу. 10. Перевести все значения яркостных температур в энергетические (по графику) и выразить их в градусах Кельвина. 11. Рассчитать для каждой температуры 12. Рассчитать относительную ошибку измерения
13. Определить ширину доверительного интервала (абсолютную ошибку) для 14. Построить график Таблица 1
|
тела называется энергия, излучаемая с единицы площади поверхности излучающего тела в единицу времени во всем диапазоне частот. Излучательной способностью тела 
, или спектральной плотностью энергетической светимости, называется отношение энергетической светимости в интервале частот от 
до 
к ширине этого интервала 
.
(1)
называется отношение энергии, поглощаемой единицей площади поверхности тела в единицу времени в интервале частот от 
(2)
, 
и 
зависят от температуры, а 
, называются абсолютно чёрными.
. (3)
подобна кривой для абсолютно чёрного тела (кривая 2 рис. 1). Основная особенность серых тел – независимость их коэффициента поглощения от частоты, т.е. коэффициент поглощения серого тела зависит только от температуры 
. Излучательную и поглощательную способность серых тел связывает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела закон Кирхгофа:
. (4)
, (5)
- коэффициент поглощения; 
; Т – температура, К.
.
от комнатной температуры 
:
. (6)
, второе слагаемое – то же при комнатной температуре 
; S – площадь излучающей поверхности вольфрамовой ленты.
. (7)
; 3 – оптический пирометр, состоящий из объектива – 4, с помощью которого производится фокусировка ленты накала в плоскости нити пирометра – 5; окуляр пирометра 6 – фокусирует изображение нити пирометра. В цепи накала пирометрической лампы включен потенциометр, отградуированный по температуре. На приборе три шкалы температур: 1) 800 – 1400 °С, 2) 1400 – 2000 °С, 3) 2000 – 2800 °С. Переключатель на верхней части кожуха пирометра.
% (6)
и 
, где 
и 
определяются как половина цены деления соответствующего прибора.
, отразив на нем доверительный интервал для каждого 
.
, 
.
