<Определение постоянной Стефана-Больцмана при помощьи оптического пирометра

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 88

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА ПРИ ПОМОЩИ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА

Введение

Всякое излучение тел происходит либо за счет подведенной из вне энергии, либо за счет внутренней энергии.

Излучение, происходящее за счет подведенной из вне к телу энергии, называется тепловым  или температурным.

Согласно закону Стефана-Больцмана энергетическая светимость абсолютно черного тела R пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры тела:

R = s··T4,                                                          (1)

где σ - постоянная Стефана-Больцмана.

Если излучение абсолютно черного тела происходит в среде, имеющей температуру Т0, то потеря телом энергии вследствие излучения будет равна:

R = σ ·(T4 - T04)                                              (2)

Основными современными (искусственными) источниками света являются раскаленные тела. Так как они не являются абсолютно черными, то для  них в закон Стефана-Больцмана вводится коэффициент k, численное значение которого определяется экспериментально для каждого из этих тел.

R = k· σ· (T4 - T04)                                                 (3)

Для измерения высоких температур широко применяются оптические методы, основанные на законах теплового излучения нагретых тел. Приборы, служащие для этих целей, носят названия оптических пирометров.

В данной лабораторной работе используется яркостной пирометр, обычно называемый пирометром с исчезающей нитью.

Описание установки

Установка состоит из оптического пирометра, электрическая и оптическая схема которого указаны на рис. 47, а общий вид его на рис. 48.

В фокальной плоскости зрительной трубы расположена эталонная лампочка  накаливания, нить которой имеет форму дуги. Питание этой лампочки происходит от лабораторного источника питания (ЛИП-1), который включается с помощью шнура в сеть с напряжением 220 В.


В зрительной трубе помещены два светофильтра: дымчатый (ДФ) и красный (КФ). Дымчатым светофильтром пользуются при измерении  температур в интервале 1400-2000˚С, красным светофильтром (λ=0,66 мкм) - при измерении температур в интервале 800-1200˚С. При измерении температур ниже 800˚С светофильтрами не пользуются.

При работе с красным светофильтром температуру определяют по верхней шкале. По нижней шкале отсчитывают температуру в том случае, если пользуются дымчатым светофильтром или вообще не применяют светофильтры.

Объектом измерения температуры в данной лабораторной работе является нить накала кинолампы, установленная вертикально в проекционном фонаре.

Пирометр и лампа установлены на панели так, что при сравнении яркостей нити накала кинолампы и эталонной лампочки пирометра достаточно сфокусировать их продольным перемещением объектива и окуляра пирометра.

Если яркость нити накала пирометра больше яркости нити спирали кинолампы, то она на фоне изображения выступит в виде светлой дуги, если ее яркость меньше, то она будет казаться темнее. При равенстве яркостей спирали кинолампы и нити  лампы пирометра последняя исчезает на фоне изображения спирали исследуемой лампы. В этом случае берут показания температуры по шкале гальванометра, проградуированной в градусах Цельсия.

Изменение яркости  нити накала лампочки пирометра достигается вращением кольца реостата в направлении, указанном стрелкой (по часовой или против часовой стрелки).

Смонтированная на панели электрическая цепь накала исследуемой кинолампы питается от понижающего трансформатора, включаемого в сеть с напряжением 220 вольт (рис.49).

Регулировка тока накала через исследуемую лампу осуществляется реостатом R.

С помощью амперметра и вольтметра, включенных в цепь накала лампы, можно определить электрическую мощность, выделяющуюся в спирали накала.

Подводимая к спирали электрическая мощность W=IU расходуется спиралью на излучение и выделение тепла в результате теплопроводности газа лампочки и токопроводящих проводов.

Если бы вся подводимая энергия расходовалась только на излучение, а спираль была бы абсолютно черным телом с поверхностью 1 м2, то имело бы место равенство:

W = I· U = σ· (T4 - T04)                                                       (4)

где Т - температура спирали; Т0 – комнатная температура.

С учетом того, что подводимая к спирали с поверхностью S энергия идет не только на излучение и, что спираль не является абсолютно черным телом, формула (4) примет вид:

K1· I ·U = k· σ· S· (T4 - T40)                                            (5)

где К1 – коэффициент, учитывающий, какая доля энергии, подводимой к спирали, расходуется на излучение.

Опыт показывает, что К1, К и S могут быть заменены одним экспериментально найденным множителем М

                                                   (6)

В области температур 1500 – 1600 К, пренебрегая Т04, которая меньше Т4, уравнение (5) можно записать в виде:

M·I·U = σ·T4                                                         (7)

Из этого соотношения можно найти σ:

                                                         (8)

Порядок выполнения работы

1.    Изучить установку, собранную согласно схеме рис. 49а.

2.    Повернуть в крайнее левое положение  (против часовой стрелки) кольцо движка реостата пирометра. Включить тумблер Т в цепи накала нити пирометра. Наблюдая глазом нить пирометра через окуляр, медленно вращать по часовой стрелке кольцо реостата пирометра, пока петля пирометра не будет накалена до красного каления. Затем сфокусировать нить лампочки пирометра продольным перемещением окуляра так, чтобы она была резко видна в поле зрения прибора.

3.    Ввести полностью сопротивление R в цепи кинолампы, температуру спирали которой необходимо измерить. Включить в сеть понижающий трансформатор и, уменьшая сопротивление, наблюдать одновременно за спиралью лампы. Когда она накалиться до красного каления, продольным перемещением объектива сфокусировать спираль кинолампы так, чтобы она была резко видна в окуляре.

4.    Отсчитать значение силы тока и напряжения по приборам.

5.    Для каждого установленного значения силы тока и напряжения произвести измерение температуры спирали лампочки пирометром, каждый раз, регулируя  силу тока накала нити пирометром до ее исчезновения на фоне спирали кинолампы. Отсчитанную температуру по пирометру в градусах Цельсия перевести в градусы Кельвина. Найденная таким образом температура носит название яркостной.

Ввиду того, что нить лампы пирометра обладает тепловой инерцией, кольцо реостата пирометра надо вращать очень медленно.

6.    Вычислить с точностью до 0,1 ватта мощность, подводимую к спирали кинолампы, для каждого значения температуры спирали.

7.    По найденным значениям мощности и температуры Т вычислить постоянную Стефана-Больцмана по формуле (8). Коэффициент М указан на панели установки.

8.    Для большей точности, постоянную σ определить для пяти значений мощности кинолампы и найти ее среднее значение.

Данные измерений занести в таблицу.

Сила тока в цепи кинолампы, ампер

Разность потенциалов, вольт

Температура по Кельвину

Мощность (IU), ватт

Постоянная Стефана-Больцмана,