ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА
Цель работы: 1. изучение законов теплового излучения;
2. ознакомиться с одним из методов измерения высоких
температур (оптической пирометрией).
Задачи работы:
1. Определить истинную температуру нити лампы накаливания.
2. Установить зависимость температуры нити лампы от потребляемой мощности.
Приборы и принадлежности: оптический пирометр, лампа накаливания, реостат, ваттметр, источник питания.
Краткая теория
Самым распространенным в природе видом электромагнитного излучения является тепловое излучение, т.е. испускание электромагнитных волн за счет внутренней энергии тел. Тепловое излучение происходит при любой температуре. При невысоких температурах излучение является преимущественно инфракрасным, при высоких температурах – видимым и ультрафиолетовым.
Для характеристики теплового излучения вводятся величины:
1. Энергетическая светимость R тела (или лучеиспускательная способность тела) – это поток энергии Ф, испускаемый единицей поверхности излучаемого тела во всем интервале длин волн:
.
2. Спектральная плотность энергетической светимости 
- это поток энергии, излучаемый с единицы поверхности тела, приходящийся на единичный интервал длин волн:
.
Все тела в той или иной степени поглощают энергию падающих на них электромагнитных волн. Спектральной характеристикой поглощения является поглощательная способность 
тела, равная отношению потока 
, поглощенного телом, к потоку 
лучистой энергии, падающему на тело:
.
Этот коэффициент зависит от частоты (длины волны) и температуры.
Тело, полностью поглощающее упавшее на него излучение всех частот, называется абсолютно черным. Коэффициент поглощения абсолютно черного тела равен 1 и не зависит от длины волны излучения. Наиболее близким приближением (моделью) к абсолютно черному телу является непрозрачный сосуд с небольшим отверстием, стенки которого имеют одинаковую температуру. Луч, попавший в такой сосуд, испытывает многократные отражения, частично поглощаясь при каждом из них. Через некоторое время стенки поглощают его полностью. В ограниченном интервале длин волн близким к единице коэффициентом поглощения обладают сажа и платиновая чернь ( 
). Абсолютно черных тел в природе не существует.
В теории теплового излучения наряду с понятием абсолютно черного тела часто пользуются другой идеализированной моделью реальных тел – серым телом. Тело называется серым, если его поглощательная способность меньше 1 и не зависит от длины волны излучения и температуры.
Связь между спектральной плотностью энергетической светимости 
и поглощательной способностью 
выражается законом Кирхгофа:
Отношение спектральной плотности энергетической светимости к поглощательной способности не зависит от природы тела, оно является для всех тел универсальной функцией длины (частоты) волны и температуры:
.
Излучение абсолютно черного тела подчиняется следующим законам.
Закон Стефана-Больцмана
,
где 
- постоянная Стефана-Больцмана.
Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры.
2. Закон смещения Вина (первый)
,
где С1 – постоянная Вина
Длина волны 
, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, обратно пропорциональна его абсолютной температуре.
Второй закон Вина
,
где С2 – постоянная второго закона Вина.
Максимальное значение спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела возрастает пропорционально пятой степени его абсолютной температуры.
Описание установки
Законы теплового излучения можно использовать для определения температуры раскаленного тела. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивности их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называются оптическими пирометрами. Они подразделяются на три группы: 1) яркостные, 2) цветовые и 3) радиационные пирометры.
Наибольшее распространение получил метод определения температур, основывающийся на сравнении излучения светящегося тела с излучением абсолютно черного тела на одном и том же фиксированном узком участке спектра. Обычно используется красная часть спектра. Схема яркостного пирометра, обычно называемого пирометром с исчезающей нитью, показана на рисунке. В данной работе излучающим телом является нить накаливания электрической лампочки, температуру которой нужно найти.
В простейшем пирометре с исчезающей нитью объектив (ОБ) дает действительное изображение светящейся нити лампы накаливания (Л) в плоскости, где расположена нить накала эталонной лампы (Н) пирометра. Изображения нити лампы накаливания и нити эталонной лампы пирометра одновременно рассматриваются через окуляр (ОК). За окуляром находится светофильтр (СК), позволяющий выделить узкую спектральную область ( 
мкм). Введение и удаление светофильтра осуществляется поворотом обоймы со светофильтрами. Накал нити эталонной лампы (Н) регулируют реостатом R посредством вращения кольца, находящегося в передней части трубы пирометра. Изменяя реостатом R величину тока в эталонной лампочке (Н), можно добиться исчезновения видимости нити эталонной лампы (Н) на фоне нити лампы накаливания (Л). В этом случае температуры нити лампы накаливания и нити эталонной лампы станут одинаковыми.
В момент “исчезновения” нити (Н) эталонной лампы производят отсчет по шкале гальванометра (Г). Шкала гальванометра градуируется в градусах Цельсия. На приборе имеется две шкалы: одна для измерений в интервале температур 700-14000С (при введенном красном светофильтре), другая для интервала 1200-20000С (при введении ослабляющего светофильтра (СО) между объективом и эталонной лампой пирометра).
Источник света (нить лампы накаливания) отличается от абсолютно черного тела. В момент выравнивания яркостей нитей эталонной лампы (Н) и лампы накаливания (Л) прибор показывает так называемую яркостную температуру, которая ниже истинной температуры тела. Яркостная температура равна такой температуре абсолютно черного тела, при которой спектральная плотность энергетической яркости абсолютно черного тела равна спектральной плотности энергетической яркости исследуемого тела.
Спектральной плотностью энергетической светимости называется величина энергии излучения в единичном интервале длин волн, испущенной в единицу времени в единичной телесный угол и приходящийся на единицу площади поверхности, перпендикулярной направлению распространения излучения.
Энергетическая светимость нечерного тела равна:
Отсюда 
Истинная температура нити лампы накаливания определяется по графику зависимости 
для вещества, используемого в работе.
Порядок выполнения работы
1. Собрать цепь по схеме (рис. 1).
2. Подготовить оптический пирометр к проведению измерений, для этого:
а) установить стрелку гальванометра на нулевую отметку шкалы поворотом реостата R влево до упора;
б) постепенно поворачивая кольцо реостата R по часовой стрелке, увеличивают ток в цепи эталонной лампы (Н) и доводят накал приблизительно до 10000С;
в) вращая тубус окуляра (ОК), добиваются резкости изображения нити эталонной лампы (форма петли).
3. Перемещая ползунок реостата R1 в цепи лампы накаливания (Л), устанавливают потребляемую лампой мощность N1=5 Вт.
4. Вводят красный светофильтр (СК).
5. Если температура исследуемого тела выше 14000С, ввести ослабляющий светофильтр (СО) (белая точка совпадает с индексом “20”).
6. Вращая кольцо реостата R пирометра добиться одинаковой яркости нити эталонной лампы пирометра и нити лампы накаливания (“исчезновение” петли).
7. По шкале гальванометра определить яркостную температуру тела.
8. По графику для вольфрама определить истинную температуру нити лампы накаливания.
9. Повторить измерения (пункты 3,6-8), увеличивая мощность N, потребляемую лампой накаливания, через каждые 5 Вт.
10. Результаты измерений занести в таблицу (1)
11. Построить график зависимости 
Таблица 1. Результаты измерений и расчетов
| N, Вт | 5 | 10 | 15 | 20 | 25 |
 ,0С
| |||||
 ,0С
| |||||
 ,К
|
ОБ СО ОК СК
Л Н
Л
R
R1
~
220 
Рисунок 1- Рабочая схема лабораторной установки
ОБ – объектив
СО – светофильтр ослабляющий
Л – нить лампы накаливания
Н – нить эталонной лампы
ОК – окуляр
СК – светофильтр красный
Г – гальванометр
R – реостат пирометра
R1 – реостат в цепи лампы накаливания
W – ваттметр (измеряет мощность)
Контрольные вопросы
1. Что такое тепловое излучение?
2. Дайте определение энергетической светимости, спектральной плотности энергетической светимости и поглощательной способности.
3. Дайте определение абсолютно черного тела. Модель абсолютно черного тела.
4. Сформулируйте и запишите законы Кирхгофа, Стефана-Больцмана, Вина.
5. Назначение и устройство оптического пирометра с исчезающей нитью.
6. Что такое яркостная температура?
7. Как рассчитать излучение нечерных тел?
Литература [ 3,6,7]
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 33
Дата: 2019-07-24, просмотров: 229.
