Краткие теоретические сведения. Цель работы: измерение температуры нити накала лампы оптическим пирометром с исчезающей нитью.

ИЗМЕРЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ НИТИ НАКАЛА ЛАМПЫ ОПТИЧЕСКИМ ПИРОМЕТРОМ

Цель работы: измерение температуры нити накала лампы оптическим пирометром с исчезающей нитью.

Оборудование: оптический пирометр, ЛАТР, амперметр, вольтметр, лампа накаливания.

Краткие теоретические сведения

Все тела излучают энергию в виде электромагнитных волн различной длины. Существуют различные виды излучения. Излучение, являющееся следствием теплового хаотического движения атомов и молекул тела, называется тепловым. Опыт показывает, что единственным видом излучения, которое может находиться в равновесии с излучающими телами, является тепловое. Все остальные виды излучения (хемилюминесценция, фотолюминесценция и др.) оказываются неравновесными.

Тепловое излучение тел характеризуется интегральной и спектральной испускательными способностями (R_Т и r_n,Т соответственно). Интегральная испускательная способность R_Т – это мощность, излучаемая единицей площади поверхности тела по всем направлениям во всем интервале частот n от 0 до ¥. Она является функцией температуры тела. Спектральная испускательная способность r_n,Т определяется как мощность, испускаемая единицей площади поверхности тела по всем направлениям в единичном интервале частот:

. (1)

Величины R_Т и r_n,Т связаны между собой соотношением

. (2)

Кроме того, любое тело характеризуется поглощательной способностью а_n,Т , показывающей, какая доля энергии, электромагнитных волн с частотами от ν до n+dn, падающих на поверхность тела, поглощается им.

Связь между испускательной и поглощательной способностями всех тел отражена в законе Кирхгофа:

, (3)

согласно которому отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от свойств излучающего тела и является универсальной функцией частоты и температуры , называемой функцией Кирхгофа. Это есть ни что иное, как испускательная способность абсолютно черного тела (далее АЧТ), поглощательная способность которого равна единице.

При известной испускательной способности АЧТ, используя закон Кирхгофа, можно вычислить распределение энергии в спектре излучения любого тела по известной его поглощательной способности.

Известно, что фотоны подчиняются статистике Бозе–Эйнштейна. Согласно этой статистике, в квантовой системе, характеризующейся температурой Т, среднее число фотонов, имеющих энергию e, равно

, (4)

где K – постоянная Больцмана, K = 1,38*10^-23 Дж/К.

Плотность состояний фотонов D(n), (т. е. число фотонов в единице объема с частотами от n до n +Dn в единичном интервале частот) равно

, (5)

где C – скорость света в вакууме.

Если умножить энергию одного фотона e на число состояний D(n) и на среднее число фотонов <N(e)> в каждом состоянии, то получим спектральную, объемную плотность энергии теплового равновесного излучения U(n,Т):

(6)

Спектральная испускательная способность АЧТ и спектральная плотность равновесного теплового излучения связаны между собой:

. (7)

Используя гипотезу Планка о квантовом характере излучения и формулу Планка

, (8)

где h – постоянная Планка, h = 6,63 10^-34 Дж с, из (6), (7) и (8) получим формулу Планка для распределения энергии в спектре абсолютно черного тела:

, (9)

которая блестяще подтвердилась на практике и явилась предвестницей появления и развития квантовой физики.