Тепловое излучение тел

Саратовский государственный технический университет

Определение температуры накаливания нити лампочки с помощью оптического пирометра

Методические указания

к выполнению лабораторной работы по физике

для студентов всех специальностей

всех форм обучения

Электронное издание локального распространения

Одобрено

редакционно-издательским советом

Саратовского государственного

технического университета

САРАТОВ-2006

Все права на размножение и распространение в любой форме остаются за разработчиком.

Нелегальное копирование и использование данного продукта запрещено.

Составитель - Пулин Виктор Федотович.

Под редакцией - Зюрюкина Юрия Анатольевича.

Рецензент - Минаев Евгений Николаевич

410054, Саратов, ул. Политехническая 77,

Научно-техническая библиотека СГТУ,

тел. 52-63-81, 52-56-01

http: // lib.sstu.ru

Регистрационный

номер 060550Э

© Саратовский государственный

технический университет 2006 г.

Цель работы: ознакомиться с методикой измерения высоких температур с помощью оптического пирометра и экспериментально определить постоянную Стефана-Больцмана.

Оптическая пирометрия

Для измерения температуры раскаленных тел, а также светящихся тел, удаленных от наблюдателя (например, звезд), нельзя пользоваться обычными методами, основанными на применении термометров расширения, электрических термометров сопротивления и термопар. В этих случаях о температуре тела можно судить только по его излучению.

Совокупность методов измерения высоких температур, основанных на использовании зависимости излучения нагретых тел от температуры, называется оптической пирометрией. Приборы, которые служат для измерения температуры бесконтактным методом, называются пирометрами. В оптических пирометрах регистрируется излучение в каком-либо одном или двух узких участках спектра.

Тепловое излучение тел

Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, возникаю-щее за счет тепловой (внутренней) энергии излучающей системы. Например, раскаленные добела тела испускают белый свет, обладающий сплошным спектром частот. По мере понижения температуры тела излучение смещается в область более длинных волн – красных и инфракрасных, при этом также уменьшается его интенсивность. При дальнейшем охлаждении тела излучение им видимого света вообще прекращается – тело испускает лишь невидимые глазу инфракрасные лучи.

Основными характеристиками теплового излучения являются энергетическая светимость, спектральная плотность энергетической светимости и монохроматический коэффициент поглощения излучающего тела.

Энергетической светимостью R_э называется полный поток энергии, испускаемый единицей поверхности излучающего тела в единицу времени по всем направлениям во всем интервале длин волн

, (1)

Здесь dW_∞ - энергия, излучаемая во всем интервале длин волн за время dt. Отношение дает мощность излучения, dS – площадь излучающей поверхности. Энергетическая светимость измеряется в ваттах на квадратный метр (Вт/м²) и является функцией температуры тела.

Спектральной плотностью энергетической светимости r_λ называется величина, равная мощности излучения с единицы поверхности тела в единичном интервале длин волн

, (2)

где dW _λ – энергия, излучаемая за время dt с площади dS в интервале длин волн от λ до λ + d λ. Зная r_λ как функцию λ, можно определить энергетическую светимость тела путем ее интегрирования по λ:

, (3)

Монохроматическим коэффициентом поглощения тела α_λ называется отношение энергии, поглощенной телом в каждом бесконечно малом интервале длин волн dλ, к энергии, падающей на тело в виде излучения в том же интервале длин волн

, (4)

Монохроматический коэффициент поглощения является функцией длины волны и температуры тела. По определению α_λ ≤1.

Связь между величинами α_λ и r_λ устанавливает закон Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости тела к его монохроматическому коэффициенту поглощения не зависит от природы

тела и представляет собой универсальную (т.е. одинаковую для всех тел) функцию длины волны и температуры

(5)

Функция f(λ,T) есть универсальная функция абсолютно черного тела, потому как отношение излучения к поглощению не зависит от природы тела и для всех тел является одной и той же функцией.

Из закона Кирхгофа следует, что тело при одной и той же температуре излучает тем больше, чем больше оно поглощает на той же длине волны.