Мета роботи. Ознайомитися з будовою і принципом роботи оптичного пірометра із зникаючою ниткою, визначити сталу Стефана–Больцмана

Лабораторна робота №4

ВИЗНАЧЕННЯ СТАЛОЇ СТЕФАНА–БОЛЬЦМАНА

Ознайомитися з будовою і принципом роботи оптичного пірометра із зникаючою ниткою, визначити сталу Стефана–Больцмана

Для виконання лабораторної роботи студенту попередньо необхідно: знати фізичну суть і закони теплового випромінювання (§3.1, §3.2), квантову гіпотезу і формулу Планка (§3.3)

Прилади і матеріали

Оптичний пірометр із зникаючою ниткою, електрична лампочка розжарення, регулятор напруги, ватметр, блок живлення пірометра (акумуляторна батарея)

В даній лабораторній роботі для знаходження сталої Стефана–Больцмана застосовується метод порівняння потужності електричного струму, яка витрачається на розжарення вольфрамової нитки електричної лампочки і потужності теплового випромінювання з поверхні цієї нитки.

Якщо знехтувати втратами на теплопровідність провідників і середовища, що оточує розжарену нитку електричної лампочки, то можна записати рівність:

, (1)

де – площа поверхні розжареної нитки; – коефіцієнт сірості (ступінь чорноти) тіла, який визначається як відношення інтегральної випромінювальної здатності сірого тіла до інтегральної випромінювальної здатності абсолютно чорного тіла : (для вольфраму в інтервалі температур 800–1400 ⁰С для довжини хвилі =0,85); – стала Стефана–Больцмана; – температура тіла; – температура оточуючого середовища.

З (6) випливає, що

. (2)

Методи вимірювання високих температур, які використовують залежність випромінювальної здатності тіл від їх температури, відносяться до оптичної пірометрії. Прилади для вимірювання температури нагрітих тіл за інтенсивністю їх теплового випромінювання в оптичному діапазоні довжин хвиль називаються пірометрами. Існують декілька типів пірометрів. Пірометр із зникаючою ниткою, який використовується в даній лабораторній роботі, схематично зображений на рис. 1.

Основною частиною такого пірометра є еталонна лампочка 1, нитка розжарення якої розташована у фокальній площині об’єктива 3, призначеного для збирання світлових променів від досліджуваного об'єкта 6 у цій площині. Таким чином, у фокальній площині об’єктива зображення поверхні досліджуваного тіла, температуру якого необхідно виміряти, накладається на нитку розжарення еталонної лампочки. За допомогою реостата змінюють силу струму в колі еталонної лампочки 1 і, спостерігаючи через окуляр 5 нитку розжарення еталонної лампочки, добиваються того, щоб на фоні випромінюючої поверхні нитка зникала (рис. 2, а). В цьому випадку яскравості нитки і поверхні досліджуваного тіла в спектральній ділянці, що пропускає світлофільтр 4, співпадають між собою. При меншому розжаренні нитки еталонної лампочки в пірометрі на фоні випромінюючої поверхні спостерігається темніша нитка (рис. 2, б), при більшому – світліша нитка (рис. 2, в).

Відлік температури за шкалою пірометра роблять тоді, коли яскравості нитки розжарення еталонної лампочки 1 пірометра і поверхні досліджуваного тіла, а отже їх випромінювальні здатності, будуть однаковими. Яскравісною температурою тіла Т_я при випромінюванні світла з довжиною хвилі l називається така температура абсолютно чорного тіла, при якій яскравості обох тіл у світлі з однією і тією ж довжиною хвилі рівні між собою.

Зв’язок між температурою і дійсною температурою тіла надається співвідношенням:

, (3)

де ; =0,45– для вольфраму в області температур 1000–1500⁰ С,(ln0,45=-0,8); – середня довжина хвилі спектральної ділянки, яку пропускає світлофільтр пірометра. Таку довжину хвилі використовують при вимірюванні пірометром температури тіл в інтервалі 800–1200⁰ С. Для більших температур використовують послаблюючий димчастий світлофільтр.

Рис. 1. 1 – еталонна лампочка; 2 – діафрагма; 3 – об’єктив; 4 – світлофільтр; 5− окуляр; 6− досліджуване тіло.

а) б) в)

Рис.2

Дата добавления: 2015-06-04