2.1. Терминология, определения
Все нагретые тела излучают тепло. Это, так называемое, тепловое излучение.
Исследования показали, что энергия, испускаемая нагретыми телами, так же как и светящимися телами, это энергия электромагнитного излучения.
Спектральный анализ показал, что достаточно зачерненные нагретые тела дают спектры, зависящие только от температуры и не зависящие от химического состава или механических свойств этих тел. Тела, обладающие таким свойством, называются абсолютно черными телами.
Немного иначе это определение абсолютно черного тела можно переформулировать так: тела, интенсивность излучения которых зависит только от температуры, называются абсолютно черными телами.
Интенсивность излучения – это энергия, излучаемая единицей поверхности тела в единицу времени.
Интенсивность излучения = 
, т.е.
Наряду с понятием интенсивность излучения, имея в виду то же самое, часто пользуются выражениями: энергетическая светимость, интегральная испускательная способность.
Важной характеристикой тел, определяющей их отношение к внешнему излучению, падающему на них, является их поглощательная способность
, где
– коэффициент поглощения, 
– интенсивность падающего на тело внешнего электромагнитного излучения; 
– интенсивность поглощенной части этого излучения.
Для абсолютно черных тел (а.ч.т.) коэффициент поглощения равен единице
. (1)
Это является еще одним определением а.ч.т., которое можно переформулировать так: тела, которые поглощают все электромагнитное излучение, падающее на них, называются абсолютно черными телами.
Исторически было так, что тела, с которыми имели дело исследователи и для которых условие (1) выполнялось или почти выполнялось, были действительно телами черного цвета. Но потом оказалось, что условие (1) выполняется и для такого совершенно не черного тела как Солнце. Тем не менее прилагательное «черное» сохраняется, имея номинальный смысл, обозначая тела, для которых выполняется условие (1).
2.2. Лабораторная модель а.ч.т. Закон Стефана-Больцмана
В качестве лабораторной модели абсолютно черного тела часто пользуются печью, схематически изображенной на рис. 1.
Печь нагревается электрическим током 1. Внутри ее покрывают углем
|
или платиновой чернью 2. Термометром 3 измеряют температуру внутри печи, которая изолируется от окружающей среды изолятором 4. Термическое
излучение распространяется из небольшого
отверстия 5 в стенке печи. Внутреннюю полость этого устройства можно считать а.ч.т., т. к. внешнее излучение, попавшее через отверстие 5 внутрь печи, после многократного взаимодействия с поверхностью 2, приобретает свойства собственного излучения печи. Внешнее излучение становится полностью поглощенным, коэффициент поглощения α становится равным единице, а печь – абсолютно черным телом, интенсивность излучения которого зависит только от температуры.
Во второй половине XIX века Стефан и Больцман эмпирически установили эту зависимость в следующем виде:
(2)
где 
= = 5,67·10-8 
- постоянная Стефана-Больцмана, Т – температура по шкале Кельвина.
Выражение (2) называется законом Стефана-Больцмана.
Функциональная зависимость 
для не абсолютно черного тела выражается похожим эмпирическим законом – законом Кирхгофа:
(3)
где α – коэффициент поглощения тела.
Т. к. 
, (4)
то из (2) и (3) следует, что при одной и той же температуре интенсивность излучения а.ч.т. больше интенсивности излучения не абсолютно черного тела; и при закон Кирхгофа переходит в закон Стефана-Больцмана.
Из соотношения (2) следует, что цель лабораторной работы будет достигнута, если:
1) будет экспериментально найдена и изучена зависимость интенсивности излучения I от температуры Т в четвертой степени (из теории следует, что эта зависимость для а.ч.т. линейная);
2) по экспериментальным данным I и Т будет вычислено численное значение постоянной Стефана-Больцмана σ и произведено сравнение с табличным значением.
Аппаратура и материалы
Установка состоит из трех частей (рис. 2): А – электропечи, служащей абсолютно черным телом; В – приемника излучения а. ч. т.; С – блока индикации.
Электропечь состоит из тех же элементов, что и модель а. ч. т., изображенная на рис. 1. Нагрев в печи производится током, пропускаемым через спираль, напряжение на которой можно менять с помощью регулятора напряжения 1 на крышке блока А.
Датчиком температуры внутри печи является термопара, соединенная с блоком индикации С. Один спай термопары находится внутри печи в тепловом равновесии с тепловым излучением, другой – вне печи в тепловом равновесии с внешней средой, температуру которой можно принять равной комнатной температуре. Термо ЭДС, возникающая из-за разности температур внутри и вне печи, передается в блок индикации, где снова переводится в разность температур ΔТ. Ее можно видеть на цифровом индикаторе 2.
Электропечь снабжена вентилятором для охлаждения корпуса печи. Кнопка 3 служит для включения – выключения вентилятора. Кнопка 4 служит для включения – выключения электропечи.
Термическое излучение а.ч.т. происходит через небольшое отверстие 5 электропечи.
Приемник излучения а.ч.т. (В) состоит из коробочки 6 с термостолбиком, установленном на штативе 7. Термостолбик представляет собой систему последовательно соединенных термопар.
Одна половина спаев термостолбика сведена к центру коробочки 6, другая разведена по периферии коробочки, где температура всегда равна комнатной температуре.
Излучение а.ч.т. из отверстия 5 через втулку 8, попав на центральные спаи термостолбика, поглощается им. Температура этих спаев повышается, возникает разность температур между центральными и периферическими спаями термостолбика, что, в свою очередь, приводит к возникновению термоЭ.Д.С., которая регистрируется цифровым индикатором 9 блока индикации С. Обозначим соответствующее напряжение через Uтс.
Очевидно, Uтс пропорционально интенсивности падающего на термостолбик излучения
или 
(6).
Для данной установки принять коэффициент пропорциональности a равным 2,2·104 А/м2.
Таким образом, по показаниям индикатора 2 (рис.2), пользуясь равенством (6), можно найти интенсивность излучения I а.ч.т., а по показаниям индикатора 9 (рис.2) – температуру Т а.ч.т. Имея эти данные, можно исследовать зависимость I = f(T) интенсивности излучения а.ч.т. от температуры и проверить закон Стефана-Больцмана.