ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА
Цель работы: познакомиться с одним из методов определения постоянной Стефана - Больцмана.
Приборы и принадлежности: источник излучения (пластинка никеля), автотрансформатор, трансформаторы напряжения и тока, ваттметр, фотоэлектрический пирометр с усилителем и милливольтметром, термометр.
Сведения из теории
Все тела при любой температуре излучают электромагнитные волны. Это излучение называется тепловым.Твердые и жидкие тела дают сплошной спектр излучения (в спектре присутствуют длины волн от 0 до ¥). Однако доля энергии, приходящаяся на различные участки спектра, не одинакова и зависит от температуры излучающего тела. При Т = 900... 1000 К наибольшая энергия приходится на инфракрасную и красную части спектра (красное каление). При дальнейшем нагревании доля энергии, приходящаяся на видимую часть спектра, возрастает, и свечение становится белым.
Количественной характеристикой распределения энергии излучения по спектру служит величина, называемая спектральной плотностью энергетической светимости, - r l, T.
Спектральная плотность энергетической светимости (излучательная способность тела) - это энергия, излучаемая единицей поверхности тела в одну секунду и приходящаяся на единичный интервал длин волн вблизи данной длины волны l.
, (9.1)
где dФl,Т - поток, излучаемый с площади ds и приходящийся на интервал длин волн d l.
Общая энергия, т.е. энергия, приходящаяся на весь диапазон длин волн, излучаемая единицей площади за 1 с, называется энергетическойсветимостью тела RT
. (9.2)
В явлениях, связанных с тепловым излучением тел, большое значение имеют законы, относящиеся к так называемым абсолютно черным телам. Абсолютно черным называется тело, которое полностью поглощает падающие на него лучи (никаких лучей не отражает). В природе нет абсолютно черных тел, но тела, близкие к ним по своим свойствам, можно себе представить. Для абсолютно черного тела, поглощательная способность равна 1 для всех длин волн (поглощательная способность тела аl,T - это отношение энергии, поглощенной телом, ко всей падающей на него энергии):
.
Для реальных тел а l ,T <1. Между излучательной и поглощательной способностями любого тела имеется определенная связь, устанавливаемая законом Кирхгофа: отношение излучательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела. Оно является одной и той же функцией длины волны и температуры и равно излучательной способности абсолютно черного тела:
, (9.3)
где r l ,T - излучательная способность абсолютно черного тела.
Закон Кирхгофа, таким образом, утверждает, что чем меньше поглощательная способность тела в данном интервале волн, тем меньше его излучательная способность в этом интервале при данной температуре. Одной из важных количественных закономерностей, касающихся излучения абсолютно черного тела, является закон Стефана - Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела прямо пропорциональна абсолютной температуре этого тела в четвертой степени:
R = s T 4, (9.4)
где s = 5,67×108 Вт/(м2 К4)- постоянная Стефана - Больцмана.
Для реальных тел энергетическая светимость тоже пропорциональна абсолютной температуре этого тела в четвертой степени, но коэффициент пропорциональности здесь иной:
R = К s T 4. (9.5)
Величину К называют степенью черноты тела. Эта безразмерная величина равна отношению энергетических светимостей данного тела и абсолютно черного тела при одной и той же температуре:
.
Степень черноты К зависит от температуры тела, его материала и состояния поверхности. Значения К лежат в интервале между 0 и 1.