Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Краткие теоретические сведения

ДИСТАНЦИОННОЕ ИЗМЕРЕНИЕ

ТЕМПЕРАТУРЫ ОПТИЧЕСКИМ ПИРОМЕТРОМ

Цель работы: измерение температуры нити накала лампы оптическим пирометром с исчезающей нитью.

Оборудование: оптический пирометр, ЛАТР, амперметр, вольтметр, лампа накаливания.

Краткие теоретические сведения

Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Существуют различные виды излучения. Излучение, являющееся следствием теплового хаотического движения атомов и молекул тела, называется тепловым. Опыт показывает, что единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами, является тепловое. Все остальные виды излучения (хемилюминесценция, фотолюминесценция и др.) оказываются неравновесными.

Тепловое излучение тел характеризуется интегральной и спектральной испускательными способностями (R_Т и r _n_{, Т} соответственно). Интегральная испускательная способность R_Т – это мощность, излучаемая единицей площади поверхности тела по всем направлениям во всем интервале частот n от 0 до ¥. Она является функцией температуры тела. Спектральная испускательная способность r _{n, Т} определяется как мощность, испускаемая единицей площади поверхности тела по всем направлениям в единичном интервале частот:

. (1)

Величины R_Т и r _{n, Т} связаны между собой соотношением

. (2)

Кроме того, любое тело характеризуется поглощательной способностью а _{n, Т}, показывающей, какая доля энергии, электромагнитных волн с частотами от ν до n+dn, падающих на поверхность тела, поглощается им.

Связь между испускательной и поглощательной способностями всех тел отражена в законе Кирхгофа:

, (3)

согласно которому отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от свойств излучающего тела и является универсальной функцией частоты и температуры , называемой функцией Кирхгофа. Это есть ни что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела (далее АЧТ), поглощательная способность которого равна единице.

При известной испускательной способности АЧТ, используя закон Кирхгофа, можно вычислить распределение энергии в спектре излучения любого тела по известной его поглощательной способности.

Известно, что фотоны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна. Согласно этой статистике, в квантовой системе, характеризующейся температурой Т, среднее число фотонов, имеющих энергию e, равно

, (4)

где K – постоянная Больцмана, K = 1,38*10^-23 Дж/ К.

Плотность состояний фотонов D (n), (т. е. число фотонов в единице объема с частотами от n до n +Dn в единичном интервале частот) равно

, (5)

где C – скорость света в вакууме.

Если умножить энергию одного фотона e на число состояний D (n) и на среднее число фотонов < N (e)> в каждом состоянии, то получим спектральную, объемную плотность энергии теплового равновесного излучения U (n, Т):

(6)

Спектральная испускательная способность АЧТ и спектральная плотность равновесного теплового излучения связаны между собой:

. (7)

Используя гипотезу Планка о квантовом характере излучения и формулу Планка

, (8)

где h – постоянная Планка, h = 6,63 10^-34 Дж с, из (6), (7) и (8) получим формулу Планка для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела:

, (9)

которая блестяще подтвердилась на практике и явилась предвестницей появления и развития квантовой физики.

Описание установки

В данной работе определяется температура накала нити лампы Л на рис. 1. Автотрансформатор ЛАТР служит для изменения подводимого к лампе Л напряжения. Амперметр А и вольтметр V позволяют определить подводимую к лампе Л мощность.

Температура нити накала лампы Л определяется с помощью пирометра с исчезающей нитью, схематически показанного на рис. 1.

Объектив O₁ и окуляр O₂ формируют изображение нити накала лампы Л и наложенное на него изображение петлеобразной нити эталонной лампы пирометра Л_П.

Рис. 1

Для работы в ограниченной области спектра (0,65 мкм) используется красный светофильтр Ф ₂, который вводится выступающим на окуляре O ₂ диском. Пирометр имеет две шкалы: верхнюю для измерения температур от 800 до 1400 °C и нижнюю от 1200 до 2000 °C. При работе с нижней шкалой высоких температур вводится дымчатый светофильтр Ф ₁ поворотом головки фильтра по часовой стрелке до совмещения белой точки на головке с индексом «20» на корпусе пирометра. Головка фильтра Ф ₁ расположена между объективом О ₁ и шкалой пирометра. При работе с верхней шкалой более низких температур, фильтр Ф ₁ не используется.

Резкость изображения нити Л _п регулируется выдвижением окуляра О ₂, а нити накала Л – перемещением объектива О ₁.

Ниже шкалы пирометра расположен реостат R, с помощью которого меняется накал лампы пирометра (Л _П) поворотами диска по часовой или против часовой стрелки. Отсчет температуры производится одинаковой яркости обеих ламп, когда петлеобразная нить пирометра как бы «исчезает» на фоне светящегося изображения нити исследуемой лампы.

При этом определяется яркостная температура–температура АЧТ, при которой его испускательная способность для определенной длины волны равна испускательной способности исследуемого тела. Поглощательная способность нечерного тела меньше единицы, поэтому из закона Кирхгофа (3) следует, что истинная температура нечерного тела всегда больше его яркостной и равна

, (10)

где t – измеренная яркостная температура, D t – положительная поправка на нечерноту. Она определяется по графику (на лабораторном столе), на котором по оси абсцисс отложена температура, определенная с помощью пирометра, а по оси ординат – поправка D t.

В случае термодинамического равновесия мощность, подводимая к нити накала лампы, пропорциональна интегральной испускательной способности вольфрама R. Таким образом, исследуя зависимость температуры нити накала лампы от подводимой к ней мощности, можно качественно проверить справедливость закона Стефана – Больцмана: .