Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Fizika_chast_3 / LAB64

.DOC
Скачиваний:
41
Добавлен:
17.02.2016
Размер:
90.62 Кб
Скачать

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-4

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ

ЦЕЛЬ РАБОТЫ: определение интегральной степени черноты путем исследования изучения вольфрамовой нити накаливания электрической лампы.

КРАТКАЯ ТЕОРИЯ РАБОТЫ

Излучение нагретых тел называется тепловым или температурным. Излучение уносит энергию, поэтому, чтобы характеристики оставались длительное время неизменными, убыль энергии в теле необходимо восполнять. Так в обычной электрической лампе убыль энергии излучения восполняется проходящим через нить накаливания электрическим током. Из всех видов излучения только тепловое может быть равновесным, т.е. таким, что в любом интервале длин волн тело излучает столько энергии, сколько поглощает. В изолированной системе тела с различной температурой по истечении некоторого времени принимают одинаковую температуру, т.е. приходят в состояние теплового равновесия. Тепловое равновесие носит динамический характер. Каждое из тел, участвующих в теплообмене, поглощает излучение, испускаемое другими телами, и, в свою очередь, излучает. Так как в условиях теплового равновесия температура каждого тела остается неизменной, то каждое из тех излучает столько же энергии, что и поглощает. Следовательно, тела, которые больше поглощают, должны обладать и большей излучательной способностью.

Поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела по всем направлениям (в пределах телесного угла 4-стерадиан), называют энергетической светимостью (излучательностью) тела RЭ и измеряют в Вт/м2. Излучение содержит волны с различной длиной волны . Обозначим поток энергии, испускаемый единицей поверхности тела в интервале длин волн от  до , через dR. Этот поток, очевидно, пропорционален d:

(1)

Величину rT называют спектральной плотностью энергетической светимости (испускательной способностью). Она является функцией длины волны и температуры тела.

Зная спектральную плотность энергетической светимости можно вычислить энергетическую светимость тела которая является функцией температуры.

(2)

Пусть на элементарную площадку поверхности тела падает поток излучения dT с длинами волн в интервале от  до . Часть этого потока dT будет поглощена телом. Безразмерная величина называется поглощательной способностью тела.

(3)

Она является функцией длины волны и температуры. По определению aT не может быть больше единицы. Тело называется абсолютно черным, если оно поглощает все упавшее на него излучение (АЧТ – абсолютно черное тело). У такого тела . Моделью АЧТ в некотором интервале длин волн может служить полость с небольшим отверстием.

Закон Кирхгофа (открыт в 1859 году). Отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и является для всех тел одной и той же (универсальной) функцией длины волны и температуры:

(4)

Из формулы (4) видно, что в случае АЧТ rT = f(,T). Вид функции распределения f(,T) был теоретически найден в 1900 году М. Планком на основе квантовых представлений о механизме излучения света.

График функции f(,T) для ряда температур представлен ниже:

Площадь под функцией распределения численно равна энергетической светимости абсолютно черного тела, которую обозначим посредством RЭ*

Закон Стефана-Больцмана. Энергетическая светимость АЧТ пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры:

(5)

Постоянная Вт/(м2К4) носит название постоянной Стефана-Больцмана. В природе абсолютно черных тел не существует. Лишь некоторые вещества в ограниченном интервале длин волн к ним приближаются, такие как сажа или платиновая чернь. Для всех прочих тел соотношение (5) не выполняется. Однако всегда можно записать, что

(6)

где RЭ – энергетическая светимость реального тела, а aT – безразмерная функция температуры. Эта функция и есть интегральная степень черноты (которую требуется определить в данной работе у вольфрамовой нити накаливания лампы). Иначе говоря, интегральная степень черноты определяется как отношение энергетической светимости излучения реального тела к энергетической светимости абсолютно черного тела, взятых при одной и той же температуре T.

Для металлов значения aT невелики (0,1  0,3) и сильно зависят от качества поверхности. У грязных неполированных поверхностей aT значительно выше, чем у очищенных и полированных.

Первый закон Вина. Длина волны m, на которую приходится максимум спектральной плотности электрической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорционален абсолютной температуре тела:

(7)

– первая постоянная Вина.

Второй закон Вина. Максимальная спектральная плотность энергетической светимости АЧТ возрастает пропорционально пятой степени абсолютной температуры:

(8)

Вт/м2K5 – вторая постоянная Вина.

Выполнение данной лабораторной работы состоит из двух этапов. Первый – определение энергетической светимости RЭ нити накаливания лампы. Энергетическая светимость RЭ равна отношению излучаемого потока  к площади (d – диаметр, L – длина) поверхности нити. Величина потока  пропорциональна мощности электрического тока, протекающего через нить:

(9)

где  – определяет долю мощности, которая идет на излучение. В данной работе используется газонаполненная лампа, в которой часть мощности тратится на нагревание газа и окружающего воздуха. В данной установке  = 0,6. Таким образом, энергетическая светимость нити будет равна:

(10)

Энергетическая светимость абсолютно черного тела при температуре нити .

В результате для интегральной степени черноты имеем расчетную формулу:

(11)

ОПИСАНИЕ УСТАНОВКИ

Лампа накаливания включается во вторичную цепь трансформатора. Потенциометром регулирует напряжение U на нити, измеряемое вольтметром V (рис.2).

Температура нити накаливания Т измеряется оптическим пирометром.

Основная часть пирометра (рис.3) – лампа накаливания Л с дугообразной нитью, расположенной в фокусе объектива (L1). С помощью объектива (L1) получают изображение излучающей поверхности нити накаливания лампы в плоскости нити пирометрической лампы (Л). При этом пирометр должен быть расположен на расстоянии 1 м (и более) от излучающего тела. Наблюдая через окуляр (L2), с помощью реостата (R) регулируют силу тока в пирометрической нити до тех пор, пока нить не исчезнет на фоне изображения тела (рис.4). Отсчет температуры делают в этот момент.

В этом случае яркости нити и изображения совпадают между собой. Сравнение яркости производится в ограниченной области спектра; для получения монохроматического излучения в трубу окуляра помещен красный светофильтр ( мкм). Красным светофильтром пользуются в интервале температур (800 – 1400 C). Расширить пределы измерения температур от 1200 до 2000 С позволяет использование дымчатого светофильтра, который вводят поворотом головки (5) (рис.5).

Температуру нити отсчитывают по вольтметру (VП), включенному параллельно пирометрической лампочке, шкалы которого проградуированы непосредственно в градусах (°С) по излучении абсолютно черного тела. Для каждого диапазона температур имеется соответствующая шкала.

порядок выполнения работы

1.Включить установку в сеть. Регулируя на нити лампы накаливания потенциометром, довести её до раскаленного состояния.

2.Направить пирометр на нить лампы накаливания и поворотом кольца (1) реостата пирометра (рис.5) довести яркость пирометрической нити до яркости изображения нити лампы (рис.4).

3.Отсчитать температуру по шкале (3) пирометра.

4.Измерить ток и напряжение во вторичной обмотке. Результаты занести в в таблицу 1.

5.Измерения пп. 4 и 5 повторить три раза.

6.Рассчитать значение интегральной степени черноты материала нити лампы накаливания по формуле (11).

7.Найти среднее значение интегральной степени черноты материала нити лампы накаливания.

Таблица 1

№ п/п

d, м

L, м

T = TЯ, K

I, А

U, В

1

2

3

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.Какое излучение называется тепловым?

2.Какое тело называют абсолютно черным?

3.Что такое интегральная степень черноты?

4.Назовите характеристики теплового излучения.

5.Сформулируйте законы теплового излучения. Поясните графиком.

6.Что такое спектральная плотность энергетической светимости тела?

7.Сформулируйте закон Кирхгофа.

8.Как меняется функция распределения f(,T) от частоты и температуры?

9.Сформулируйте закон смещения Вина.

10.Какую температуру называют яркостной температурой?

6

Соседние файлы в папке Fizika_chast_3