Порядок выполнения работы.

Лабораторная работа №5.

Измерение температуры спирали лампы накаливания

Методом оптической пирометрии и определение постоянной

Стефана-Больцмана».

       Цель работы: изучение законов излучения абсолютно черного тела, ознакомление с работой оптического пирометра.

Методика эксперимента.

       Оптической пирометрией называется совокупность оптических методов измерения высоких температур, основанных на законах теплового излучения. Приборы, применяемые для этого, называются пирометрами. В оптической пирометрии различают радиационную, цветовую и яркостную температуры тела.

       Радиационной температурой тела Т_р называется температура черного тела, при которой его энергетическая светимость R⁰ равна энергетической светимости R данного тела. При определении радиационной температуры регистрируется энергетическая светимость исследуемого тела и по закону Стефана-Больцмана вычисляется его радиационная температура:

      

       Цветовой температурой Т_ц тела называется такая температура черного тела, при которой цветность излучения черного тела совпадает с цветностью излучения исследуемого тела. Цветовая температура может быть установлена с помощью закона смещения Вина. Определив длину волны l _m , соответствующую максимальной испускательной способности исследуемого черного тела, можно на основании закона смещения Вина определить его температуру:

       Яркостной температурой Т_я тела называется температура черного тела, при которой его испускательная способность r⁰ _l для какой-либо определенной длины волны l₀ равна испускательной способности данного тела для той же длины волны:

.                                                                                         (1.1)

Обычно l₀ = 660 нм (красный свет).

По закону Кирхгофа для исследуемого тела при длине волны l₀:

или, учитывая (1.1),

       .                                                                           (1.2)

       Так как для черных тел а _l <1, то и, следовательно, Т_я < Т, т. е. истинная температура тела всегда выше яркостной.

       Для определения яркостной температуры тела используется пирометр с «исчезающей» нитью.

       Пусть имеется черное тело, нагретое до некоторой температуры, и пусть на его фоне расположена нить накала специальной лампы. Если в целях упрощения задачи рассматривать нить и тело через светофильтр (например, красный свет l=660 нм), то, регулируя ток накала нити лампы, можно добиться того, что нить перестанет быть различимой на фоне нагретого черного тела. Это произойдет тогда, когда яркости черного тела и нити в узком интервале длин волн l… l+ d l сравниваются. Выполнив такую операцию для ряда значений температуры черного тела, можно проградуировать прибор по излучению черного тела и установить, какой ток накала соответствует «исчезновению» нити при различных температурах абсолютно черного тела. После этого по показаниям измерительного прибора, соответствующим «исчезновению» нити на фоне поверхности любого нагретого тела, определяют температуру абсолютно черного тела, обладающего в данном интервале длин волн той же яркостью, что и яркость наблюдаемого тела. Если наблюдаемое тело является абсолютно черным, то измеренная температура будет его истинной температурой. Если же исследуемое реальное тело отличается от черного, то найденная температура является его яркостной температурой.

       Учитывая, что спектральная яркость пропорциональна испускательной способности, из определения яркостной температуры и закона Кирхгофа имеем:

       ,                                                                 (1.3)

где а(l₀,Т) – поглощательная способность исследуемого тела при истинной температуре для волны l₀, пропускаемой светофильтром.

       В исследуемом диапазоне температур, соответствующем диапазону температур раскаленной светящейся вольфрамовой нити, а именно: 1000 К < Т < 3000 К – и при длине волны l₀ =660 нм показатель экспоненты в формуле Планка значительно превышает единицу: . В этом случае можно пренебречь единицей в знаменателе формулы Планка и записать ее в виде:

.                                                                                      (1.4)

       Подставляя (1.4) в (1.3) и логарифмируя, получим соотношения, связывающие яркостную и истинную температуры:

                                                                                         (1.5)

       Для вольфрама в области температур от 1000 до 3000 К а(l₀,Т) = 0,45. Подставляя известные значения констант h, c, k и l₀ = 660 нм в формулу (1.5), получим выражение, удобное для расчета:

       .                                                                                          (1.6)

 

Описание установки.

       Схема установки приведена на рисунке 1.1. Объектом исследования является вольфрамовая спираль Н лампы. Лампа подключается к сети переменного напряжения через регулировочный автотрансформатор АТ. Потребляемая лампой электрическая мощность определяется показаниями вольтметра (V) и амперметра (A). В работе определение температуры Т спирали Н лампы осуществляется с помощью пирометра с «исчезающей» нитью.

       Схема пирометра представлена на рисунке 1.2. Здесь 1 – линза объектива; 2 - ослабляющий фильтр; 3 – пирометрическая лампа; 4 – красный фильтр; 5 – окуляр; 6 – индикатор (амперметр, градуированный в ° С).

 

Основной частью пирометра является пирометрическая лампа накаливания 3 с дугообразной нитью, расположенной вблизи фокуса объектива 1. Объектив 1 дает действительное изображение исследуемой спирали Н в плоскости, где расположена нить 3 пирометрической лампы. Изображение спирали Н и нити 3 одновременно рассматривается через окуляр 5.

Перед окуляром находится светофильтр 4 с эффективной длиной волны 660 нм (эффективная длина волны соответствует максимальной пропускной способности светофильтра). Пирометрическая лампа 3 питается от отдельного источника. С помощью реостата R регулируют силу тока через нить 3 (измеряется амперметром 6) и, следовательно, яркость ее свечения. Спектральная яркость (яркость) светящейся поверхности в некотором направлении есть величина, равная отношению силы света I в этом направлении к площади S₁ проекции светящейся поверхности на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Сила света – отношение потока излучения к телесному углу, в пределах которого это излучение распространяется.

Регулировка осуществляется вращением рифленого кольца В: поворот кольца В по часовой стрелке приводит к увеличению тока в нити, а следовательно, и яркости нити. При измерении температуры спирали Н регулируют ток в нити 3 до тех пор, пока последняя не исчезнет на фоне изображения спирали Н. При этой силе тока яркость излучения нити 3 и спирали Н совпадает. В этот момент производят отсчет по шкале амперметра 6, которая градуируется в градусах Цельсия.

Используется две шкалы: одна – для измерения в интервале температур 700 – 1400 ° С при введенном красном светофильтре 4; другая – для интервала 1200 – 2000 ° С при введении ослабляющего светофильтра 2 с помощью рифленого кольца А.

 

Порядок выполнения работы.

1. Ознакомиться с устройством и работой оптического пирометра.

2. Включить ток в цепи исследуемой лампы. Продольным перемещением объектива 1 добиться резкой видимости спирали Н исследуемой лампы. Вращением кольца В включить ток в цепи пирометрической лампы 3, перемещением окуляра 5 добиться четкого изображения нити пирометрической лампы 3. Проверить, накладывается ли изображение вершины пирометрической нити 3 на спираль Н.

3. Установить на спирали Н исследуемой лампы напряжение, рекомендованное преподавателем. Измерить значение тока, протекающего через спираль. Отсчет значений тока и напряжения необходимо производить через одну – две минуты после регулировки яркости, когда режим в цепи исследуемой лампы полностью установится.

4. Для каждого установленного значения напряжения произвести изменение температуры спирали исследуемой лампы с помощью пирометра. Для этого необходимо регулировать накал нити 3 пирометрической лампы вращением кольца В до тех пор, пока изображение вершины нити не исчезнет на фоне спирали лампы. При этом условии считывать температуру по шкале пирометра. Измерение температуры следует производить не менее пяти раз. Регулировку накала нити 3 следует проводить медленно, учитывая, что лампа пирометра обладает тепловой инерцией.

Полученный результаты занести в таблицу 1.1

Таблица 1.1

I, A	U, B	W, Вт	tя , °С	tяср , °С	Tя, K	T, K	lg W	lg T	h, Дж с
1
2
2
4
5