Описание работы пирометра

Определение постоянной Стефана – Больцмана

Цель работы: приобретение навыков исследования законов теплового излучения.

Задачи: определение постоянной Стефана-Больцмана; знакомство с работой оптического пирометра.

1 Краткая теория

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии тела и зависящее только от температуры и оптических свойств этого тела. Оно происходит при любой термодинамической температуре выше абсолютного нуля и имеет непрерывный спектр излучения. Кроме того, это – единственный вид излучения, способный находиться в термодинамическом равновесии с веществом.

Зависимость мощности излучения с единицы поверхности тела (энергетической светимости) R от температуры определяется для абсолютно черных тел, т.е. тел, полностью поглощающих при любой температуре всю энергию падающего на них электромагнитного излучения любых частот, законом Стефана-Больцмана

, (1)

где s - постоянная Стефана-Больцмана.

Для реальных (нечерных) тел

, (2)

где а – степень черноты, т.е. коэффициент, определяющий поглощательную способность тел. Если излучающее тело находится в среде с температурой , оно поглощает энергию, излучаемую этой средой, и, следовательно, мощность его излучения уменьшится и формула (2) приобретает вид

. (3)

2 Методика эксперимента

Задание 1: В данной работе определяется постоянная s в законе Стефана-Больцмана.

Источником теплового излучения является вольфрамовая нить лампочки накаливания (нечерное тело), поэтому для расчетов используется формула (3), в котором значение степени черноты принимается равным а=0,32.

Рисунок 1

Лампочка накаливания включается в цепь переменного тока по схеме, изображенной на рисунке 1. Изменяя реостатом силу тока в лампочке, добиваются различной степени нагретости (температуры) источника. Мощность излучения лампочки рассчитывается по известной формуле , где и определяются соответственно по показаниям амперметра и вольтметра .

В предположении, что вся выделяемая мощность идет на тепловое излучение, энергетическую светимость R можно выразить как

, (4)

где - общая поверхность раскаленной части нити лампочки, значение которой в данной работе равно .

Подставляя в левую часть выражения (3) значение R из формулы (4) и решая полученное уравнение относительно s, получим рабочую формулу:

. (5)

Таким образом, вычисление постоянной Стефана-Больцмана s связано с измерениями силы тока I, напряжения U на лампочке и температуры нити накаливания Т. В качестве Т₀ принимается температура помещения, измеряемая лабораторным термометром.

Задание 2: В работе преследуется ещё одна цель – ознакомиться с принципом работы бесконтактного (с измеряемым источником теплового излучения) оптического (яркостного) пирометра, позволяющего производить измерения в широком диапазоне высоких температур и применять его в научных исследованиях или лабораторных измерениях.

Описание работы пирометра

Внешний вид яркостного пирометра, используемого в экспериментальной лабораторной работе ОТТ-7 в лаборатории оптики и физики твердого тела, представлен на рисунке 2.

Рисунок 2

В данной работе была смоделирована на компьютере работа оптического пирометра ЭОП-66, предназначенного для точного измерения яркостных температур (от 1073 до 10273 К) нагретых тел по их тепловому излучению в видимой области спектра. Нами использовался второй интервал температур 1400-2000 °С, в который попадают значения температуры применявшегося в работе источника излучения в определенном диапазоне напряжений источника питания. Пирометр мог измерять температуры источника на расстоянии от 0,7 м до оптической бесконечности.

Рисунок 3

Работа прибора, схема которого показана на рисунке 3, основана на измерении квазимонохроматической яркости излучения нагретого объекта (нить лампы Л₁) путем уравнивания ее с яркостью эталона. В качестве эталона яркости используется специальная пирометрическая лампа Л₂, для которой дана зависимость температуры Т от тока I (рисунок 3). Оптический пирометр состоит из зрительной трубы ЗТ, в фокусе объектива L₁ которой находится нить эталонной лампы Л₂. Изображение источника излучения, температуру которого нужно измерить, с помощью объектива проецируется в плоскости нити пирометрической лампы Л₂. Наблюдатель, смотрящий в окуляр L₂, видит нить пирометрической лампы Л₂ в виде дугообразной световой полоски на фоне изображения источника излучения, ограниченного дымчатой диафрагмой Д (рисунок 3, б). Накал нити пирометрической лампы Л₂ регулируется реостатом R₂. Изменением тока в пирометрической лампе уравнивают яркость ее нити с яркостью источника излучения. В этом случае исчезает видимость рабочего участка нити, ограниченного диафрагмой на фоне изображенного объекта измерения, а это значит, что температуры нити пирометрической лампы Л₂ и нити излучателя стали одинаковыми. Измерив соответствующий ток пирометрической лампы Л₂ с помощью амперметра А₂ по таблице или по градуировочному графику, определяют температуру измеряемого объекта.