СТЕФАН-БОЛЬЦМАН ТҰРАҚТЫСЫН АНЫҚТАУ

ҚАЖЕТТІ ҚҰРАЛ-ЖАБДЫҚТАР: оптикалық пирометр, қыздыру шамы,

амперметр, реостат, вольтметр, кілттер.

 

5.8.І ҚЫСҚАША ТЕОРИЯЛЫҚ КІРІСПЕ

 

Денелердің қыздырған кезде жарық шығаруын температуралық жарық немесе жылулық сәулелену деп атаймыз. Температуралық жарықтың тепе-теңдік сипатын дененің сәуле шығаруы нәтижесінде энергиясы қанша кемісе, өзі жұтқан сәулелік энергия мөлшері де сондай болумен түсіндіруге болады. Сөйтіп, жылулық сәулелену үшін тепе-теңдік күй өзінен-өзі орнауы керек. Сонда дене не аз, не көп энергия жұтқан жағдайда шығарылатын сәуленің қарқындылығы күшеюі немесе бәсеңдеуі нәтижесінде жүйе қайтадан бұрынғы күйіне оралады да, тепе-теңдік орнықты болады.

Дененің бетінен бірлік уақытты шығарылатын сәулелік энергия мөлшері дененің сәуле шығарғыштық қабілеті немесе энергетикалық жарқырауы деп аталады. Егер, дененің сәуле шығарғыштық қабілеті спектрлік аралықтың бір алқабына есептелінсе, оны дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілеті деп атайды. Сөйтіп, дененің сәуле шығарғыштық қабілеті мынаған тең

(5.8.1)

Егер, дене мөлдір болмаса, онда дене бетіне түскен сәулелік энергияның біраз бөлігі жұтылады. Осы жұтылған энергияның түскен энергияға қатынасы дененің сәуле жұтқыштық қабілеті деп аталады. Демек, бұл шама түскен сәулелік энергияның қандай бөлігі жұтылғанын көрсетеді. Сонда, толқындар ұзындығы және аралығындағы сәулелер энергиясының белгілі температурада дененің беті жұтқан бөлігін көрсететін шама дененің спектрлік сәуле жұтқыштық қабілеті деп аталады.

Егер, дене бетіне түскен сәулелік энергияны талғамай толық жұтатын болса, ондай дене абсолют қара дене деп аталады. Осындай дененің сәуле жұтқыштық қабілеті бірге тең болады (). Ал абсолют қара дененің толық сәуле шығарғыштық қабілеті (5.8.1) өрнек арқылы табуға болады. Ондағы абсолют қара денені спектрлік сәуле шығарғыштық қабілеті, ол сәуленің толық ұзындығы мен температурасы – ға тәуелді болады, яғни

Неміс ғалымы Кирхгоф термодинамика заңдарына сүйеніп, сәуле шығарғыштық қабілетінің (), сәуле жұтқыштық қабілетіне () қатынасы дененің табиғатына байланысты болмай, барлық денелерге бірдей, сәуленің толқын ұзындығы () мен температурасына тәуелді функция болады деген қорытынды жасады, яғни

(5.8.2)

Осы қағида Кирхгоф заңы деп аталады.

Табиғатта толқын ұзындығына байланыссыз барлық сәулелерді түгел жұтатын абсолют қара дене кездеспейді. Сондықтан, дененің сәуле жұтқыштық қабілеті дәл бірге тең болмай, аралығында болады.

Абсолют қара дененің сәуле шығарғыштық қабілеті оның температурасы жоғарылаған сайын күшейе түседі. Яғни, температура жоғарылаған сайын дененің жарқырауы да күшейіп, одан шығатын сәуленің түсі де өзгереді. Олай болса, белгілі бір температурада абсолют қара дененің әр түрлі толқын ұзындығына сәйкес салыстырма сәуле шығарғыштық қабілетін эксперименттік қисықтарынан байқауға болады (5.8.1-сурет).

 

5.8.1-сурет

 

Абсолют қара дененің сәуле шығару қисығын сан жағынан зерттеудің нәтижесінде мынадай заңдылықтар ашылған болатын. Абсолют қара дененің жарқырауы оның төрт дәрежеленген абсолют температурасына пропорционал болады, яғни

(5.8.3)

мұндағы - Стефан – Больцман тұрақтысы.

(5.8.3) өрнек Стефан – Больцман заңы деп аталады.

Неміс физигі В.Вин термодинамика және электродинамика заңдарына сүйене отырып жоғарыда айтылған (5.8.1-суреттегі) толқын ұзындығының температураға тәуелділік заңын ашты. Сонда абсолют қара дененің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілетінің максимал мәніне сәйкес келетін толқын ұзындығы () оның абсолют температурасына кері пропорционал болады, яғни

(5.8.4)

мұндағы тәжірибемен алынған Вин тұрақтысы.

Сондықтан, сәулелік энергияның максимум шамасы толқын ұзындығына сәйкес ығысып отыратындықтан (5.8.4) өрнекті Виннің ығысу заңы деп атайды. Егер температура өсетін болса, онда энергиянын максимум шамасы толқын ұзындығының қысқа жағына қарай (УК-аймаққа), ал температура төмендейтін болса, толқын ұзындығының ұзару жағына қарай (ИҚ – аймаққа) ығысатын болады.

 

5.8.2 ҚОНДЫРҒЫНЫҢ СИПАТТАМАСЫ

 

Жылулық сәуле шығару заңдарына негізделген жоғарғы температураларды өлшеуге арналған оптикалық әдістерді оптикалық пирометрия деп атайды.

Біздің тәжірибемізде жойылмалы сызығы бар пирометр қолданылады. Оның құрылысы төмендегідей (5.8.2-сурет):

 

5.8.2- сурет

 

О – обьективі арқылы жарқыраған дененің кескіні фотометрлік (Л) шамның қылымен беттестіріледі. Қыл сым мен кескін окулярынан байқалынады, Ф-фильтр. Қыл сымның қызуының түсін реостат арқылы реттеуге болады. Температурасы анықталатын дененің түсі мен қыл сымның түсі бірдей болғанда тізбектегі ток пен кернеу жазылып алынады.

Пирометр тізбегіндегі миллиамперметр () тікелей температураны көрсетеді. Сондықтан оптикалық пирометр арқылы ашықтық температура анықталады, өйткені абсолют қара дене үшін ал шамның қылы абсолют қара дене емес, ендеше нақты температура

Ал () график бойынша анықталады (5.8.3-сурет).

5.8.3- сурет

 

5.8.3 ЖҰМЫСТЫҢ ОРЫНДАЛУЫ

Бұл жұмыста Стефан -Больцман тұрақтысы анықталады. Абсолют қара дене үшін қыздыру шамының қыл сымы алынады. Қыздыру шамының қыл сымы абсолют қара дене емес, сондықтан ол абсолют қара дене бейнесіне тек жуықтайды. Шамды қыздыру үшін мына сұлбаны пайдаланамыз (5.8.4-сурет).

5.8.4-cурет

 

В-қыздыру шамының қыл сымы.

Қыздыру шамының қыл сымын қыздыру үшін шамды айнымалы ток тізбегіне қосамыз. Реостат арқылы тізбектегі ток күшін өзгерту арқылы қыл сымның қызуын реттеуге болады. Қыл сымды қыздыруға жұмсалған қуатты Стефан – Больцман заңына теңестірейік:

бұдан

(5.8.5)

табамыз.

мұндағы - бөлме температурасы, - қыл сымның температурасы, - пирометрдің көрсетуі, - график бойынша анықталатын қосымша, - қыздыру шамы қылының ауданы, - жұту коэффициенті.

 

5.8.4 ӨЛШЕУЛЕР МЕН ӨЛШЕУ НӘТИЖЕЛЕРІН ӨҢДЕУ

5.8.4- сурет бойынша тізбекті жинау керек.

1. Осы суреттегі -ді жылжыту арқылы қыздыру шамының В – қыл сымның температурасын жуықтап - қа дейін қыздырайық.

2. 5.8.2- суреттегі пирометрдің окулярын жылжыта отырып, сымның кескінің анықтап көреміз.

3. Пирометрдің В- батареясын (5.8.2- сурет) қосып пирометрдің Л- шамының қылын анықтап көреміз де, О және (обьектив және окуляр) линзаларын жылжыта отырып, қыздыру шамының және пирометр шамдарының қылдарын бір жазықтыққа келтіріп, түстерінің бірдей болғандағы бейнесін бақылаймыз.

4.Осы алынған мәліметтерді мына кестеге жазамыз

 

N	T		I

 

5. (5.8.5) өрнекке қойып, -ні анықтаймыз.

6. Есептеу кезіндегі коэффициенттері белгісіз болғандықтан оқытушыдан ақыл – кеңес сұрауға болады.

7. Абсолюттік және салыстырмалы қателіктерді анықтау керек.

 

5.8.5 БАҚЫЛАУ СҰРАҚТАРЫ

 

1. Жылулық сәуле шығару дегеніміз не?

2. Денелердің спектрлік сәуле шығарғыштық қабілеті деген не?

3. Денелердің сәуле жұтқыштық қабілеті деген не?

4. Денелердің спектрлік сәуле жұтқыштық қабілеті деп нені айтады?

5. Абсолют қара дене заңдарын түсіндіру керек.

6. тұрақтысының физикалық мағынасын түсіндіру керек.