ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ.

Излучение света происходит в результате перехода атомов, молекул и других атомных систем из состояния с большей в состояние с меньшей энергией. Излучение света телами при их нагревании до высоких температур называют тепловым или температурным излучением, в отличие от так называемых явлений люминесценции (свечения), при которых излучение света вызывается действием некоторых других факторов (химических реакций, газовых разрядов, облучением частицами или электромагнитным излучением). Таким образом, тепловое излучение отличается от других видов изучения только способом перехода излучающих систем в возбужденное состояние.

В явлении теплового излучения такой переход осуществляется в результате теплового движения атомов или молекул. Мерой интенсивности теплового движения частиц, а правильней сказать, мерой средней кинетической энергии теплового движения частиц является абсолютная температура. Последняя обычно называется истинной температурой тела.

Характерной особенностью излучения нагретых тел является способность находиться в равновесии с излучающими телами. К равновесным процессам и состояниям применимы законы термодинамики. Поэтому тепловое излучение должно подчиняться определенным закономерностям, установленным из принципов термодинамики. Известны три основных закона теплового излучения: закон Кирхгофа, закон Стефана – Больцмана и закон смещения Вина.

На основании экспериментальных данных Прево установил, что если два тела поглощают разные количества энергии, то излучение этих тел будет разным. Следует добавить, что при одинаковой температуре спектральный состав излучения этих двух тел будет также различным. Все это привело к необходимости построения модели излучающего тела, которое имеет универсальные характеристики, например, полностью поглощает все падающее излучение любой длины волны при любой температуре. Такое тело было названо абсолютно черным телом (АЧТ). Совершенно ясно, что при определенной температуре излучательная способность этой модели будет отличаться от излучательной способности реальных или нечерных тел.

Существуют различные приборы для измерения температуры нагретых тел (термометры расширения, электрические термометры сопротивления, термопары и т.д.). Однако, для сильно нагретых тел (свыше 2000⁰ С) эти методы измерения температуры непригодны. Кроме того, эти методы совершенно неприменимы, если раскаленные тела, температуру которых необходимо определить, чрезвычайно удалены от наблюдателя (например, Солнце, звезды). В этом, а также и в других случаях в качестве термометрического фактора можно использовать тепловое излучение.

Методы измерения высоких температур на основе законов теплового излучения (зависимость спектральной и интегральной излучательных способностей от температуры тел) называются оптической пирометрией. Приборы, используемые для этой цели, называются пирометрами излучения.

В зависимости от того, какой тепловой закон используется при измерении температуры нагретых тел, различают три температуры – радиационную, цветовую и яркостную.

Радиационная температура. Если измерять интегральную излучательную способность АЧТ, то по известному σ можно определить температуру тела, исходя из закона Стефана – Больцмана:

.

Как известно, нечерные тела на подчиняются закону Стефана – Больцмана. Тем не менее на практике при измерении интегральной излучательной способности нечерного тела пользуются законом Стефана – Больцмана:

.

Определенная таким образом температура нечерного тела называется его радиационной температурой. Очевидно, что радиационная температура есть такая же температура АЧТ, при которой его интегральная излучательная способность ε(Т) равна интегральной излучательной способности Е(Т) данного нечерного тела.

Цветовая температура. При известном распределении энергии излучения в спектре АЧТ можно определить температуру по закону смещения Вина по расположению максимума излучательной способности: . Вычисленная таким образом средняя температура Солнца составляет примерно 6000⁰ К. Эту температуру АЧТ, при которой излучение АЧТ близко по цвету к излучению серых тел, называют цветовой температурой серого или очень близкого по распределению энергии к нему тела. Таким образом, , где λ_max – длина волны, соответствующая максимальной лучеиспускательной способности Е(λ,Т) тела, температуру которого определяем. Цветовая температура обычно выше истинной температуры тела. Для тел, обладающих сильной селективностью испускания, понятие цветовой температуры теряет смысл.

Яркостная температура. Кроме условно принятых цветовой и радиационной температур тел используется также понятие яркостной температуры. Под яркостной температурой понимается такая температура АЧТ, при которой его излучательная способность для определенной длины волны равна излучательной способности рассматриваемого тела., т. е. ε(λ₀,Т_я)= Е(λ₀,Т) (1), где Т – истинная температура тела. Применяя закон Кирхгофа к исследуемому телу при длине волны λ₀, получим

(2).

Учтем (1) и (2):

(3).

Так кА для всех нечерных тел , то , следовательно, Т_я<Т.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ.

Используемый для измерения яркостной температуры прибор называется пирометром с исчезающей нитью (рис. 1). Пирометр по своей конструкции аналогичен устройству лабораторной зрительной трубы, которая состоит из объектива (ОБ) и окуляра (ОК). Нить фотометрической лампы накаливания Л₁ располагается в фокальной плоскости объектива. В этой же плоскости получается действительное изображение раскаленного объекта Л₂ – вольфрамовой нити бытовой лампочки. И нить и изображение объекта рассматриваются через красный светофильтр Ф, находящийся в окуляре. Регулируя ток накала нити фотометрической лампы с помощью реостата, вмонтированного в прибор, можно добиться одинаковых яркостей изображения нити бытовой лампочки и нити фотометрической лампы. При градуировке прибора на заводе яркость нити фотометрической лампы сравнивается с яркостью АЧТ. Поэтому нанесенная на прибор шкала позволяет сразу определить термодинамическую температуру, если исследуемым объектом являлось бы АЧТ. Но реальные тела не являются АЧТ, поэтому определенная пирометром температура является не истинной, а яркостной температурой.

При измерении пирометр располагают на штативе на расстоянии примерно 0,7 м от раскаленного тела (исследуемой бытовой лампочки) и перемещением окуляра добиваются четкого изображения нити пирометрической лампы, а перемещением объектива – четкого изображения раскаленного тела. При указанном порядке наводки на резкость плоскость изображения тела будет совпадать с плоскостью нити накала пирометрической лампы. До работы пирометрическая лампа, естественно, должна быть выключена. На это указывает совпадение нулевых рисок, нанесенных на корпусе прибора и кольца. Включение лампы производится поворотом кольца в направлении, противоположном стрелке – указателю. При этом в окуляр будет видно, что нить начинает раскаляться, и стрелка будет смещена с начального деления шкалы. При дальнейшем повороте кольца сопротивление соединенного с ним реостата будет уменьшаться, и ток через пирометрическую лампу возрастает. Добившись равенства яркостей нитей по шкале, проградуированной в градусах Цельсия, определяют температуру раскаленного тела Т_я. При выведенном ослабляющем фильтре ОФ пользуются шкалой 800-1400⁰ С, при введенном – 1200-2000⁰ С. Введение фильтра осуществляется поворотом головки, расположенной на корпусе прибора. Наиболее точно сравнение яркостей можно осуществить лишь в монохроматических лучах. Для этого на тубусе окуляра имеется монохроматический красный светофильтр Ф, пропускающий свет с длиной волны 660 нм. Он укреплен в поворотной обойме с рифленой поверхностью и должен быть введен всякий раз при точном уравнивании яркостей. Убедившись, что в красных лучах яркости нити и тела совпадают, по соответствующей шкале производят отсчет температуры тела с точностью до 10⁰С . После снятия отсчета пирометрическую лампу следует сразу выключить (поворотом кольца в направлении, указанном стрелкой, до совпадения нулевых рисок).

ЗАДАНИЕ

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НИТИ НАКАЛА БЫТОВОЙ ЛАМПОЧКИ, ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА - БОЛЬЦМАНА.

На рис. 2 показана электрическая схема, которая уже собрана до выполнения работы. Для включения ЛАТРа в сеть (~220 В) используются клеммы с надписью "Сеть 220 В". Перед включением ЛАТРа необходимо проверить следующее: а) регулятор напряжения ЛАТРа должен быть установлен в положение "0"; б) переключатели пределов измерений на амперметре и вольтметре должны быть поставлены в положения 0,5 А и 150В; в) проверить совпадение нулевых отметок на пирометре. Замкнуть ключ К (падать напряжение на пирометрическую лампу) (рис.1).

Включить ЛАТР в сеть. Установить на ЛАТРе напряжение 80 В, и при нем проверить совпадение верхней и нижней шкал пирометра. Измерения яркостной температуры нити лампы Л₂ с помощью пирометра проделать при следующих напряжениях: U=110, 130,150 В. Измерить силу тока при этих напряжениях. НАПРЯЖЕНИЕ, СНИМАЕМОЕ С ЛАТРА НЕ ДОЛЖНО ПРЕВЫШАТЬ 200 В!

Энергия, потребляемая единицей излучающей поверхности вольфрамовой проволоки в единицу времени определится: , где S – площадь изучающей поверхности (в экспериментальной установке S=162,8·10^-6м²). Эта энергия затрачивается на поддержание проволоки в раскаленном состоянии и поэтому пропорциональна количеству энергии, излучаемой проволокой в единицу времени:

,

где a – коэффициент пропорциональности, Т₂ – температура окружающей среды, Т₁ – истинная температура нити накаливания лампы.

Поскольку пирометром определена яркостная температура, то необходимо перейти от яркостной к истинной температуре по известной связи между ними.

, откуда .

Но , а , тогда .

Величину надо прибавить к измеренной температуре Т_я, чтобы получить значение истинной температуры Т, т. е. .

Значение и а находятся по графикам, прилагаемым к работе.

ЛИТЕРАТУРА

1. Савельев И.В., Курс общей физики, т.3, М., 1973.

2. Шпольский Э.В. Атомная физика. Т.I. М.1974.

3. Широков Ю.М., Юдин Н.П. Ядерная физика. М.1984.

4. Солоухин Р.И. Оптика и атомная физика (лабораторный практикум). Новосибирск, 1976.

5. Л.Л.Гольдин и др. Руководство к лабораторным занятиям по физике. М.1984.