ИЗУЧЕНИЕ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВОЛЬФРАМА

Цель работы: познакомиться с законами теплового излучения нагретых тел, определить поглощательную способность вольфрамовой спирали лампы.

Оборудование: электрическая лампа накаливания, яркостный пирометр, вольтметр, амперметр, блок питания.

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ВВЕДЕНИЕ

Тепловое излучение – это излучение электромагнитных волн атомами и молекулами тел за счет энергии теплового движения. Тепловое излучение, как и тепловое движение, существует при температуре выше абсолютного нуля. Тепловое излучение, в отличие от других видов излучения, например люминесценции, является равновесным. То есть при тепловом равновесии изолированной системы тел они могут обмениваться тепловым излучением при постоянной температуре сколь угодно долго без подвода энергии извне.

Параметрами теплового излучения являются: W – энергия излучения; – поток, то есть мощность излучения со всей поверхности тела; – энергетическая светимость, то есть мощность, излучаемая единицей площади поверхности тела; – спектральная плотность энергетической светимости, которая характеризует распределение излучения по длинам волн и равна мощности излучения с единицы площади тела в единичном интервале длин волн; – поглощательная способность тела, равная отношению поглощенного потока к падающему.

Особое место в теории теплового излучения занимает абсолютно черное тело, которое полностью поглощает падающее на него излучение, его поглощательная способность равна единице, а = 1. Таких тел в природе нет. Даже у сажи а = 0,98. Моделью абсолютно черного тела может служить поверхность небольшого отверстия в полости, так как луч света, попав в полость, после многократных отражений исчезает. Если поглощательная способность тела одинакова во всем интервале длин волн и меньше единицы, то такое тело называется серым.

Рассмотрим законы теплового излучения.

1. Закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и является универсальной функцией длины волны и температуры:

. (1)

То есть, чем больше поглощательная способность тела, тем больше оно должно излучать. Например, при температуре около 1000 К, кусок черного угля ярко светится, а белый мел почти не излучает.

Так как для абсолютно черного тела а = 1, то универсальная функция Кирхгофа имеет смысл спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела r_ачт=f ( λ,T). Она зависит от длины волны и температуры (рис. 1). Уравнение этой функции теоретически было получено М. Планком, который при выводе впервые в истории науки ввел понятие о квантовании энергии излучения атомов: e = h n, где h = 6,63 10^-34Джּс – постоянная Планка; n – частота излучения.

2. Закон Стефана – Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры

R = s T ⁴, (2)

где s = 5,67 10 ^–8 Вт/м ²К ⁴ – постоянная Стефана – Больцмана. Для серого тела, согласно закону Кирхгофа, энергетическая светимость меньше в а раз

R _cт = a s T ⁴. (3)

3. Закон смещения Вина определяет положение максимума функции Кирхгофа: длина волны, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре

, (4)

где постоянная Вина b = 2890 мкм/К. С повышением температуры излучение тела смещается в диапазон все более коротких волн.

4. Второй закон Вина определяет высоту максимума функции Кирхгофа: максимальная спектральная плотность энергетической светимости абсолютно черного тела пропорциональна пятой степени температуры

r _max = С Т ⁵, (5)

где постоянная С = 1,3 10 ^–5 Вт/м ³ К ⁵.

В данной лабораторной работе определяется поглощательная способность вольфрамовой спирали электрической лампы накаливания. Если считать, что вся подводимая мощность от источника тока JU к исследуемой лампе отдается в окружающее пространство в виде потока теплового излучения Ф = аσТ ⁴ S, то уравнение баланса мощности имеет вид

JU = аσТ ⁴ S. (6)

Откуда поглощательную способность вольфрамовой спирали можно определить по формуле

. (7)

Здесь I, U – сила тока и напряжение на исследуемой лампе, S –площадь излучающей поверхности спирали.

Температуры тел можно определить по их тепловому излучению с помощью пирометров. Существуют радиационные, цветовые и яркостные пирометры. Принцип действия яркостного пирометра, применяемого в данной работе, состоит в сравнении яркости свечения исследуемого нагретого тела и яркости нити лампы пирометра. При измерении следует, глядя в окуляр пирометра, совместить изображения исследуемого тела и нити лампы пирометра в форме дуги. Меняя накал лампы пирометра, следует добиться одинаковой яркости, при которой нить эталонной лампы как бы исчезает на фоне исследуемого тела. Температуру определяют по верхней шкале миллиамперметра, который предварительно проградуирован в градусах Цельсия по излучению абсолютно черного тела. Как видно из формул (2) и (3), при одинаковой энергетической светимости температура серого тела выше, чем абсолютно черного тела. Поэтому для определения истинной
температуры исследуемой лампы следует к яркостной температуре добавить положительную поправку.

ВЫПОЛНЕНИЕ РАБОТЫ

1. Включить блок питания в сеть 220 В. Установить реостатом лампы некоторый накал. Установить пирометр и исследуемую лампу так, чтобы в поле зрения окуляра нить накала лампы пирометра (в форме дуги) и спираль исследуемой лампы были совмещены. Сфокусировать изображение нитей лампы пирометра окуляром, а спирали исследуемой лампы – объективом.

2. Вращая барабан реостата пирометра, изменять накал нити лампы пирометра так, чтобы яркости нити и спирали стали одинаковы. При этом часть нити лампы пирометра как бы исчезает на фоне спирали исследуемой лампы. Определить яркостную температуру в градусах Цельсия, умножив показания по верхней шкале пирометра на коэффициент *100. Измерить силу тока и напряжение на лампе.

Повторить измерения не менее пяти раз, изменяя накал исследуемой лампы реостатом на блоке питания во всем пределе изменения. Результаты записать в таблицу. Выключить установку.

3. Произвести расчеты. Определить истинную абсолютную температуру спирали исследуемой лампы по формуле Т = t + D t +273 K, где D t – яркостная поправка, определяемая по графику (рис.3). Определить мощность, потребляемую лампой, JU.

Определить поток теплового излучения спирали как для абсолютно черного тела σТ ⁴ S. Принять площадь S = 32 мм² = 0,32∙10^{-4 м2}. Температуру в четвертой степени представить в виде, например: 1370⁴= 1,370⁴∙10¹².

Определить по формуле (7) в каждом опыте поглощательную способность вольфрама. Определить среднее значение поглощательной способности вольфрама < a >.

4. Оценить случайную погрешность измерения поглощательной способности вольфрама по формуле прямых измерений

. (8)

5. Записать результат в виде а = < а> ± d а, Р =...

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Дайте определение теплового излучения, параметров теплового излучения: энергии, потока, энергетической светимости, спектральной плотности энергетической светимости.

2. Дайте определение поглощательной способности тела. Какое тело называется абсолютно черным, серым?

3. Сформулируйте законы теплового излучения: закон Кирхгофа, закон Стефана – Больцмана, два закона Вина.

4. Поясните принцип измерения температуры яркостным пирометром. Как производится его градуировка?

5. Запишите уравнение теплового баланса для спирали исследуемой лампы. Выведите расчетную формулу для поглощательной способности вольфрамовой спирали.

6. Объясните введение яркостной поправки для определения истинной температуры спирали исследуемой лампы.

Работа 35

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: