ОПИСАНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
И МЕТОДИКИ РАБОТЫ.
Объектом исследования является W- лампа накаливания, относительное распределение энергии в спектре излучения которой такое же, как и у абс. черного тела в видимой области спектра (рис. 1.). Нить лампы изготовлена из вольфрама в виде тонкой спирали. W, имея температуру плавления – 3700 К, выносит длительное нагревания только до 2700 К. Для увеличения срока службы лампы в нее добавляется инертный газ при давлении – 0,5МПа, что уменьшает потери вольфрама на испарение при Т=2700 К. Подводимая к W- спирали электрическая мощность (Р) расходуется на выделение тепла. Для стационарного процесса количество тепла, выделяемого током в спирали, равно количеству энергии, отдаваемой за то же время в окружающую среду. При Т>1000 К основная часть энергии теряется спиралью в виде излучения. Потерями энергии в этих условиях за счет теплопроводности и конвенции можно пренебречь, особенно при Т>1500 К. Мощность, полученную W- спиралью от окружающих тел при Т-300 К, можно также не учитывать при расчетах. Таким образом, мощность теплового излучения W- спирали можно определить по величине Р, связанной с формулой (5) соотношением:
(7)
где S- площадь W- спирали.
Следовательно, в области достаточно высоких температур график зависимости Р=f(Т4) должен быть линейным, что указывает на справедливость механизма тепловых потерь W- спирали при нагревании ее током, а следовательно, и на справедливость закона Стефана-Больцмана. Из tg угла наклона зависимости Р=f(Т4) можно определить среднее в исследованном интервале температур значение коэффициента черноты W- нити накала, т. е.
тогда
Для определения величины Р и Т собирается электрическая цепь (рис. 2)
|
|
 |
~220 В
 |  | ||
Л
Рис. 2.
W- лампа (60 или 100 Вт). Величина 
так как коэффициент мощности cos≈1 вследствие малой величины реактивного сопротивления вольфрамовой спирали. Величины I и U определяются по показаниям приборов класса точности 0,5 и лучше.
Определение температуры W- спирали лампы основано на приближенно линейной температурной зависимости сопротивления металлов
R=Rо(1+αТt),
где R и Rо – сопротивления W- спирали при температурах t и 0о С соответственно: αТ- температурный коэффициент сопротивления. Тогда
(10)
Величина R нити накала при фиксированной температуре Т находится из экспериментальных данных по току и напряжению
R=U/I (11)
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ.
1. Собрать электрическую схему (рис.2)и, изменяя напряжение на лампе ручкой РНШ-10, снять зависимость I=f(U). Диапазон напряжений от 50 до 200 В с шагом 10 В. Результаты измерений занести в таблицу.
2. Рассчитать значения Р, R и Т по формулам (9), (11) и (10), приняв для вольфрама αТ=4,8 * 10-3К-1, а Rо=70 Ом для 60 Вт лампы: 40 Ом – для 100 Вт. Результаты расчетов занести в таблицу.
3. Построить график зависимости P=f(T4) и определить tgα линейной части полученной зависимости.
4. Рассчитать средний коэффициент черноты Е вольфрамовой спирали по формуле (8), взяв величину 
5.Рассчитать λm по формуле (6) для 3 – х температур, соответствующих двум крайним и средней точкам линейного участка зависимости P=f(T4)
6.Оценить случайные погрешности определений. Указать на систематические ошибки.
|
|
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ.
1. Понятия: теплового излучения, энергетической светимости, спектральной плотности излучательности и спектральной поглаощательности тела.
2. Закон Кирхгофа. Абс. черное тело. Серое тело. Модель абс. черного тела.
3. Закон Стефана-Больцмана.
4. Распределение энергии в излучении абс. черного тела (ф. Планка) и закон смещения Вина.
5. Характеристика теплового излучения W- спирали лампы накаливания. Коэффициент черноты.
6. Зависимость P=f(T4) является линейной в области высоких температур W- лампы накаливания (Т>1500 К.) Почему?
7. Методика определения Т по величине измеренного сопротивления вольфрама. Указать систематические погрешности при использовании формулы (10).
Таблица.