Поможем написать учебную работу
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.

Предоплата всего

Подписываем
Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Розробка: Степанчиков Д.М., Польща В.О., Курак В.В., Гоголева Т.П.
Мета роботи: ознайомитися з фізичними основами пірометричних методів вимірювання температури, експериментально визначити сталу Стефана-Больцмана.
Обладнання: оптичний пірометр ОППИР-017, лабораторна установка у складі електричної лампи з вольфрамовою ниткою розжарення, випрямляча, регулятора напруги (ЛАТРу), вольтметра, амперметра.
З усього різноманіття електромагнітних випромінювань, які сприймаються або не сприймаються людським оком, можна виокремити одне, яке властиве усім тілам. Це випромінювання нагрітих тіл, або інакше теплове випромінювання. Воно обумовлено тепловим рухом – кінетичною енергією частинок тіла.
Фізичний механізм цього випромінювання залежить від температури і агрегатного стану речовини. При низьких температурах (Т < 500-600 К) випромінювання обумовлено коливально-обертальним рухом молекул, а також коливаннями атомів або іонів тіла. Енергія, яка випромінюється при цьому є малою і тому практично увесь спектр випромінювання тіл при низьких температурах знаходиться у інфрачервоній невидимій області.
Із зростанням температури тіла енергії стає достатньо, щоб перевести атоми або молекули у збуджені електронні стани. Енергія випромінювання з цих станів є значно більшою, ніж коливально-обертальна, тому з підвищенням температури увесь спектр випромінювання зміщується у бік коротких довжин хвиль, тобто у видиму область.
Механізм теплового випромінювання металів має певні особливості. В металах є багато вільних електронів, які належать не окремим атомам, а всій кристалічній решітці. При нагріванні середня швидкість теплового руху цих електронів зростає. Але оскільки вільні електрони рухаються у кристалічній решітці, то відбувається їх зіткнення з іонами, які знаходяться у вузлах. В результаті такого гальмування електронів відбувається випромінювання електромагнітних хвиль. Крім цього, метали також випромінюють за рахунок механізмів, описаних вище.
Основні характеристики теплового випромінювання:
(1)
(2)
це означає, що чим більшою є поглинаюча здатність тіла, тим більшою буде й випромінювальна здатність тіла – будь-яке тіло при даній температурі випромінює переважно промені тих частот (довжин хвиль), які воно при цій температурі поглинає.
Серед різноманіття тіл окреме місце займає таке тіло, поглинаюча здатність якого для усіх частот (довжин хвиль) при будь-якій температурі дорівнює одиниці – таке тіло називають абсолютно чорним (АЧТ), це модель, яка повною мірою в природі не реалізується. Із закону Кірхгофа (2) стає очевидним, що для АЧТ універсальна функція Кірхгофа є спектральною випромінювальною здатністю , яка визначається формулою Планка:
(3)
(4)
де Джс – стала Планка, Дж/К – стала Больцмана, м/с – швидкість світла.
Поняття абсолютно чорного тіла не пов’язане з так званим “чорним кольором”, оскільки абсолютно чорним може бути й тіло білого накалювання, якщо його поглинаюча здатність дорівнює одиниці (Сонце – майже абсолютно чорне тіло).
Хоча АЧТ випромінює усі частоти (довжини хвиль), але спектральна густина випромінювання не є однаковою для різних частот (довжин хвиль). Наприклад, функція Планка (4) має вигляд як на рис.1: на певній довжині хвилі спостерігається максимум, положення якого визначається лише температурою тіла (згідно закону Віна):
(5)
де мК – стала Віна.
Отже, при підвищенні температури максимум спектральної густини випромінювання зміщується у короткохвильову область спектру.
Якщо перейти до шкали частот, то закон Віна приймає вигляд
(6)
де (сК)-1 – стала Віна.
Таким чином, закон Віна стверджує, що для абсолютно чорного тіла існує така частота, для якої величина його випромінювальної здатності сягає максимуму і ця частота прямо пропорційна абсолютній температурі тіла.
Прояв закону Віна відомий з повсякденних спостережень. При кімнатній температурі теплове випромінювання тіл в основному припадає на інфрачервону область і людським оком не сприймається. Якщо температура підвищується, то тіла починають світитися темно-червоним світлом, а при більш високій температурі – білим з блакитним відтінком.
Для АЧТ залежність інтегральної випромінювальної здатності від температури визначається законом Стефана-Больцмана, згідно з яким інтегральна випромінювальна здатність АЧТ пропорційна четвертому ступеню абсолютної температури тіла:
, (7)
де Вт/(м2К4) – стала Стефана-Больцмана.
Закон Стефана-Больцмана можна якісно проілюструвати на різних тілах (піч, електроплитка, металева болванка): по мірі їх нагрівання відчувається все більш інтенсивне випромінювання.
Якщо випромінювання відбувається у середовищі з температурою , то закон Стефана-Больцмана запишеться у вигляді
. (8)
Монохроматична (4) та інтегральна (7) інтенсивності випромінювання будь-якого фізичного тіла завжди є меншими за такі для АЧТ при однаковій температурі. Для фізичних тіл маємо
(9)
де – коефіцієнт монохроматичного випромінювання (монохроматичний коефіцієнт чорності тіла), – коефіцієнт інтегрального випромінювання (інтегральний коефіцієнт чорності тіла). Значення і для різних фізичних тіл є різними і залежать від багатьох факторів, які важко врахувати: від складу речовини, стану поверхні тіла, температури тіла, тощо. На рис. 2 показано як залежить коефіцієнт від температури для вольфраму.
Пірометри – прилади для вимірювання температури, принцип їх роботи ґрунтується на використанні енергії випромінювання нагрітих тіл. Переваги цих приладів полягають у тому, що вони не спотворюють температурне поле об’єкту вимірювання і мають більш широкий діапазон вимірюваних температур у порівнянні з контактними методами. Градуювання пірометрів проводять за випромінюванням АЧТ.
Оптичний пірометр ОППИР-017 із зникаючою ниткою (рис.3) відноситься до пірометрів часткового випромінювання. У цьому пірометрі яскравість досліджуваного тіла порівнюється з яскравістю нитки фотометричної лампи 4. Яскравість нитки лампи регулюється реостатом і контролюється вольтметром . Фотометричну лампу вбудовано у телескоп, який має об’єктив 2 і окуляр 5. При вимірюванні температури телескоп спрямовують на досліджуване тіло 1, і при цьому пересуванням об’єктиву і окуляру отримують чітке зображення тіла і нитки фотометричної лампи у одній площині.
Змінюючи струм у фотометричній лампі шляхом повороту рифленого кільця на корпусі приладу, яке з’єднано з реостатом R, домагаються однакової яскравості нитки і досліджуваного тіла (середня частина дуги фотометричної лампи повинна зникнути на фоні зображення досліджуваної вольфрамової нитки). Відлік показів відбувається за шкалою вольтметру, який проградуйовано у градусах температури АЧТ. Пірометр має дві шкали: верхню для температур 8001400С і нижню для температур 12002000С.
Нитку фотометричної лампи 4 можна накалювати до певної температури (1400С), тому для розширення межі вимірюваних температур у пірометрі є послаблюючий нейтральний (димчастий) світлофільтр 3, який зменшує яскравість досліджуваного тіла у певне число разів. Для встановлення димчастого світлофільтру білу точку на головці світлофільтру 3 слід сумістити з червоною точкою на корпусі пірометру, після чого здійснити відлік температури за верхньою шкалою вольтметру пірометру (при вимірюваннях без димчастого світлофільтру температуру відраховують за нижньою шкалою).
Красний світлофільтр 6 пропускає промені з довжиною хвилі мкм (максимум пропускання відповідає довжині хвилі 0,66 мкм). Око людини є чутливим до променів з довжиною хвилі до 0,73 мкм. Таким чином, порівняння інтенсивності випромінювання відбувається практично у вузькому спектрі 0,620,73 мкм. Світлофільтр 6 завжди необхідно використовувати при вимірюваннях температури, але він може виводитися з полю зору при наведенні об’єктиву пірометра на ризьке зображення досліджуваної вольфрамової нитки. Керування красним світлофільтром здійснюється обертанням диску збоку на окулярі.
Внаслідок неповноти випромінювання реальних тіл яркісні пірометри вимірюють не дійсну температуру тіла , а так звану яркісну температуру . Співвідношення між цими температурами дається виразом
, (10)
де = 0,66 мкм, =0,014 мК.
У даній лабораторній роботі для дослідів з тепловим випромінюванням використовується лампа з вольфрамовою ниткою розжарення. Напругу на цій лампі змінюють за допомогою лабораторного автотрансформатору (ЛАТРу). Потужність, що йде на нагрівання вольфрамової нитки з площею поверхні , визначається вольтметром і амперметром. В реальних умовах ця потужність майже повністю передається в оточуюче середовище у вигляді теплового випромінювання. Тоді маємо
(11)
Це рівняння дає можливість експериментального визначення сталої Стефана-Больцмана:
(12)
для окисленої поверхні вольфраму , площа випромінюючої поверхні досліджуваної спіралі см2.
Увага! Перед проведенням експерименту обов’язково ознайомитися з правилами з техніки безпеки (див. с.7).
(13)
(14)
(15)
Таблиця № 1
№ |
I, А |
U, В |
tЯР,ºС |
ТЯР,К |
Т,К |
АТ |
, Вт/(м2К4) |
ср, Вт/(м2К4) |
, Вт/(м2К4) |
|
Правила з техніки безпеки
Дослідження, яке проводиться у даній роботі, пов’язане із застосуванням електрики та високих напруг. Тому, виконуючи лабораторну роботу, необхідно дотримувати правил з техніки безпеки:
стор. 1 з 6
Рис.3.
Рис.1.
Рис. 2. Температурна залежність монохроматичного коефіцієнта чорності вольфраму (для довжини хвилі = 0,66 мкм).
Рис. 4.