Описание метода и установки

Определение постоянной Стефана - Больцмана в нашем случае производится из следующих соображений. Энергия, излучаемая в 1 секунду единицей поверхности реального тела, находящегося при температуре T, в окружающую среду, имеющую температуру T₀, равна

. (9.6)

Таким образом, если К задано, то для определения s достаточно измерить R', T₀ и T.

Если излучающее тело в виде, например, никелевой пластинки нагревать путем пропускания через нее электрического тока, то R' можно определить по мощности этого тока. Считая, что все выделяющееся в пластине тепло теряется излучением, можно записать

, (9.7)

где I - сила тока, проходящего через пластинку; U - падение напряжения на пластинке; S - площадь поверхности пластинки (пластинка излучает в обе стороны).

Сравнивая выражения (9.6) и (9.7), получим

или

, (9.8)

где P = I×U - мощность тока.

По этой формуле и определяют постоянную Стефана - Больцмана.

Схема включения никелевой пластинки в цепь показана на рис.9.1. Напряжение в 220 В от городской сети подается на автотрасформатор (ЛАТР). С автотрансформатора напряжение поступает на первичную обмотку силового понижающего трансформатора (СТ), во вторичную обмотку которого включена никелевая пластинка. Тепловая мощность, выделяемая пластинкой, оценивается по мощности потребляемого тока. Мощность тока определяется ваттметром W.

Так как сила тока, идущего через пластинку, велика, а падение напряжения на пластинке мало, то токовая обмотка и обмотка напряжения ваттметра подключаются соответственно через измерительные тран­с­фор­ма­торы тока (ИТТ) и напряжения (ИТН). Коэффициенты транс­фор­мации ИТТ и ИТН подобраны таким образом, что одно деление шкалы ваттметра соответствует 1 Вт.

Измерение температуры тела (пла­стинки) производится при по­мо­щи фото­элек­три­чес­ко­го пи­ро­ме­тра, схема которого показана на рис. 9.2. Здесь 1 – за­щитное сте­кло, 2 - корпус,3 - диафрагма, 4 – фо­тодиод, 5 - усилитель, 6 –из­ме­ри­тельный прибор (mА).

Основным элементом дан­но­го пирометра является фотодиод, ко­торый играет роль датчика, преобразующего световой сигнал в электрический. Фотодиод пред­ста­вля­ет собой систему из двух полупроводников с разными типами проводимости, с наличием n-p -перехода. При освещении n -полупроводника в его объеме освобождаются электроны, которые диффундируют в p -полупроводник. В результате между n и p частями возникает разность потенциалов, пропорциональная интенсивности падающего света.

В данной установке на фотодиод падает излучение, даваемое нагретой пластинкой. Так как энергия излучения зависит от температуры пластинки, а сигнал на фотодиоде - от падающей на него энергии излучения, то по сигналу фотодиода можно судить о температуре пластинки. Разность потенциалов с фотодиода подается на усилитель, а с него - на измерительный прибор. Пирометр был предварительно проградуирован по термопаре.

Выполнение работы

1. Ознакомиться с установкой, состоящей из двух частей: для нагревания пластинки и для измерения ее температуры (пирометра). Обратить внимание на шкалы измерительных приборов, положение стрелок, положение указателя трансформаторов (последнее должно быть на нуле).

2. На усилитель подать напряжение 220 В и прогреть усилитель в течение 10-15 минут.

П р и м е ч а н и е: стрелка измерительного прибора отклонится влево от нулевого деления. Это связано со спецификой электрической схемы усилителя. Переводить стрелку на “нуль” корректором прибора не следует, так как отклонение стрелки влево учтено при градуировке прибора.

3. Подать напряжение 220 В на установку для нагревания пластины. Медленно вращая ручку автотрансформатора в ту или иную сторону (при этом изменяется напряжение на пластине), визуально убедиться, что яркость свечения пластины изменяется.

4. Измерить не менее 5 раз температуру пластины (показания милливольтметра) при разных мощностях тока (показателя ваттметра). Начинать лучше с высоких температур (мощность 15-17 Вт), уменьшая затем мощность каждый раз на 1-2 Вт.

Одновременно необходимо измерить по термометру температуру окружающей среды. Результаты занести в табл. 9.1.

Таблица 9.1

5. По прилагаемому градуировочному графику и показаниям милливольтметра выразить измеренные в п.4 температуры в градусах Цельсия и Кельвина. Результаты занести в табл. 9.1.

6. По формуле (9.8) вычислить для каждого измерения постоянную s. Найти ее среднее значение.

Дополнительные данные.

1. В интервале температур проведения опыта среднее значение К = 0,6.

2. Площадь пластинки, с которой улавливается излучение, S = 3,2 ×10^{- 4} м².

3. Имеющая место некоторая неравномерность излучения по поверхности, а также тепловые потери теплопроводностью в работе не учитываются.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Тепловое излучение.

2. Величины, характеризующие излучение и излучающие тела.

3. Абсолютно черное тело. Законы теплового излучения для абсолютно черных тел.

4. Принцип определения постоянной Стефана - Больцмана (в данной работе).

5. Фотодиод. Устройство и принцип действия.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 10

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ