Методическое обоснование работы

Учреждение образования

«ВЫСШИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОЛЛЕДЖ СВЯЗИ»

кафедра М и Ф

 

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНЫМ РАБОТАМ

по изучению законов теплового излучения

 

по дисциплине

 

«ФИЗИКА»

 

Экспериментальная проверка закона Стефана - Больцмана

Экспериментальная проверка закона смещения Вина

Экспериментальное определение постоянной Планка

 

для студентов всех специальностей

 

Минск 2007

Составители: Н.И. Дудо, С.Ф. Шкирман

 

 

Издание утверждено на заседании кафедры М и Ф

«5» июня 2006 года, протокол № 11

 

Зав. кафедрой Л.Л. Гладков

 

Методическое обоснование работы.

Тепловое излучение является по своей природе электромагнитным, т.е. содержащий электромагнитные волны всевозможных частот при любой температуре и возникает в результате изменения энергетических состояний атомов, молекул и ионов, входящих в состав излучающего тепла. Термин тепловое излучение возник в связи с тем, что испускание энергии происходит при нагревании тела или среды. Человеком тепловое излучение воспринимается как тепло или свет.

Область спектра электромагнитных волн, соответствующую тепловому излучению, принято разделять на следующие спектральные диапазоны: ультрафиоле­товый (0,2 – 0,4 мкм), видимый (0,4 – 0,72 мкм) и три инфракрасных – ближний (0,72 – 2,5 мкм), средний (2,5 – 25 мкм) и дальний (25 – 1000 мкм). Спектр электромагнитного излучения в тепловой области изображен на рис. 1.

Рис. 1. Спектр электромагнитного излучения в тепловой области

Основной особенностью теплового излучения является его равновесный характер. Так как источником теплового излечения является внутренняя энергия тел, то ее постоянство, т. е. постоянство температуры нагретого тела, можно поддерживать двумя способами:

1 За счет поглощения излучающим телом теплового излучения из окружающего пространства;

2 В результате непосредственной передачи энергии телу при механическом контакте с более нагретыми телами.

Если температура излучающего тела поддерживается постоянной первым способом, то говорят, что тело находится в состоянии термодинамического равновесия с окружающей средой. Законы теплового излучения строго справедливы именно для такого равновесия.

Фундаментальным понятием при рассмотрении теплового излучения твердых тел является понятие об абсолютно черном теле (АЧТ). Абсолютно черным называется тело, поглощающее все падающие на него излучения любых длин волн. Соответственно, при данной температуре АЧТ излучает максимально возможное (предельное) количество энергии. В природе таких источников не существует. Каждый тепловой излучатель испускает в единицу времени с единичной площадки при заданной температуре в любом спектральном интервале меньшее количество энергии, чем АЧТ при тех же условиях. Однако, возможно построение источников теплового излучения, весьма близких по своим излучательным характеристикам к характеристикам АЧТ. Простейшей моделью АЧТ может служить замкнутая полость с непроницаемыми стенками и малым выходным отверстием.

Выдвинутая в начале XX века М. Планком гипотеза квантования энергии электромагнитных волн позволила ему открыть фундаментальный закон распределения спектральной плотности излучения АЧТ:

. (1)

Здесь R (λ, T) – спектральная плотность излучения, т.е. мощность излучения с единицы площади поверхности тела в единичном интервале длин волн; λ – длина волны, м; h – постоянная Планка (h = 6,626∙10^-34 Дж∙с); T – абсолютная температура, K; c – скорость света (c = 2,998∙10⁸ м/с); k – постоянная Больцмана (k = 1,380∙10^-23 Дж/К).

Величина R (λ,T) называется также монохроматической испускательной способностью и зависит от длины волны и абсолютной температуры излучающего тела. Изотермы спектральной плотности излучения АЧТ в диапазоне температур от 500 до 900 К изображены на рис. 2. Пунктирная кривая на рис. 2 является геометрическим местом максимумов, смещающихся с увеличением температуры в сторону коротких длин волн.

 

Рис. 2. Изотермы спектральной плотности излучения абсолютно

черного тела для нескольких температур

 

Они представляют собой плавные кривые с одним максимумом, спадающие до нуля при стремлении λ к 0 и к бесконечности.

Закон Планка (1) наиболее полно описывает процесс излучения абсолютно черного тела. Все другие законы теплового излучения могут быть получены из него.

Энергетическая светимость реальных тел R¢ _T, как отмечалось выше, всегда меньше энергетической светимости абсолютно черного тела R _T при той же температуре. Отношение

(2)

является безразмерной физической величиной и называется коэффициентом излучения тела (или степенью черноты). Коэффициент излучения зависит от вида материала, обработки его поверхности и может изменяться с изменением длины волны излучения и температуры. По этому более общим выражением для εявляется соотношение

, (3)

где ε(λ) – спектральный коэффициент излучения. По характеру изменения ε(λ) все источники теплового излучения могут быть разделены на три типа:

1 Абсолютно черное тело (полный излучатель), ε(λ) = ε = 1;

2 Серые тела, ε(λ) = < 1;

3 Селективные излучатели, для которых ε(λ) меняется с длиной волны.