Законы теплового излучения тела могут быть проверены экспериментально с помощью лабораторной установки (см. схему рис.3). Лабораторная установка состоит из источника теплового излучения 1 (нихромовая спираль в форме цилиндра); механического модулятора светового потока, включающего обтюратор 2 и электродвигатель 3; набора оптических инфракрасных фильтров 4; сферического зеркала 5; пироэлектрического приемника излучения 6; электронного блока обработки сигнала фотоприемника с цифровым вольтметром 7 и блока питания 8.
Рис. 3. Схема лабораторной установки
Конструктивно установка выполнена в виде единого прибора, состоящего из оптико-механического блока, расположенного, расположенного в левой части под прозрачной крышкой, и электронного блока в правой части. Смена оптических фильтров осуществляется поворотом барабана с фильтрами на фиксированный угол с помощью рукоятки, расположенной над крышкой. Поворот следует производить плавно до щелчка, означающего фиксацию положения фильтра. При этом номер установленного фильтра индицируется в прямоугольном окне на верхней поверхности прозрачной крышки.
Функциональные назначения кнопок управления режимами работы электронного блока следующие: в нажатом (отжатом) положении кнопки СЕТЬ установка подключена (отключена) к (от) сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц;
- в нажатом положении одной из кнопок Т1, Т2 или Т3 излучатель подключен к источнику тока, определяющему температуру нагрева спирали, при этом загорается один из светодиодов.
Внимание! Не допускается одновременное нажатие любых двух кнопок из Т1, Т2, Т3;
- в нажатом положении кнопки МОДУЛЯТОР подается напряжение на электродвигатель, и вращением обтюратора осуществляется модуляция светового потока;
- в нажатом положении кнопки ДИАПАЗОН показания цифрового индикатора следует увеличить в 3 раза.
Поток излучения от нихромовой спирали модулируется во времени, проходит через оптический фильтр и отражаясь от сферического зеркала, падает на фотоприемник. Модуляция потока осуществляется с целью устранения фоновых засветок, уменьшения влияния внутренних шумов фотоприемника и электронных схем, а также для эффективной обработки полезного сигнала.
Оптический узкополосный фильтр позволяет выделить из падающего потока излучения энергию узкого спектрального интервала. Спектр пропускания такого фильтра приведен на рис. 4.
 |
Рис. 4. Спектр пропускания оптического инфракрасного узкополосного фильтра (t – коэффициент пропускания; λmax – длина волны, на которой фильтр имеет максимальное пропускание (t max)).
Ширина спектра пропускания фильтра на полувысоте ∆λ (0,5 t max) = (2÷2.5)%∙ λ max что позволяет использовать такой фильтр для измерения средней величины монохроматической испускательной способности R (λ, T) в очень узком интервале длин волн. Применив набор фильтров с различными λ max, можно построить по результатам измерений R (λ, T) спектральную кривую излучения нагретого тела. В установке применяются семь инфракрасных узкополосных фильтров. В таблице 1 указаны величины λ max, соответствующие номерам фильтров.
Таблица 1
| № фильтра | |||||||
| λmax, мкм | 2,1 | 2,5 | 3,2 | 3,9 | 4,5 | 6,2 | 8,5 |
Сферическое зеркало фокусирует спектральное излучение с поверхности нагретого тела на рабочую площадку фотоприемника. Приемник обладает практически равной чувствительностью в диапазоне длин волн 2–20 мкм. Величина напряжения сигнала на выходе фотоприемника пропорциональна величине падающего на фотоприемник светового потока Φ(λ, Т), а значит и R (λ, T), т.к. Φ(λ, Т) = R (λ, Т)· S, где S – площадь излучаемой поверхности.
Таким образом, показания цифрового индикатора вольтметра, выражаемые в вольтах, пропорциональны величине спектральной плотности энергетической светимости. В данной работе измеряется не абсолютное значение R (λ, Т), а величина напряжения UR (λ, Т), пропорциональная R (λ, Т).
Нихромовый излучатель можно считать серым телом, т.к. спектральный коэффициент излучения слабо зависит от длины волны. Поэтому, форма кривой R (λ)(λ, Т = const) или в нашем случае U R(λ, Т = const) в относительных координатах должна практически совпадать с формой кривой, описываемой функцией Планка при той же температуре для АЧТ.
Построив кривые UR (λ,Т = const) для различных температур, можно осуществить проверку выполнения основных законов теплового излучения: закона Стефана-Больцмана, закона смещения Вина и экспериментальное определение постоянной Планка. Во всех этих случаях необходимо построить экспериментальные кривые UR (λ,Т = const).
Задание 1. Экспериментальная проверка закона
Стефана – Больцмана
Цель работы: изучить основные закономерности теплового излучения;
проверить выполнение закона Стефана-Больцмана.
Интегральную испускательную способность АЧТ можно получить, проинтегрировав выражение (1) по длинам волн в интервале от 0 до 
:
. (4)
Произведем замену переменной. Обозначим через 
, тогда подстановка 
и 
приводит выражение (4) к виду
, (5)
где 
. Так как 
, то
. (6)
Интегральную характеристику RT называют также энергетической светимостью АЧТ. Как видим, величина s (постоянная Стефана-Больцмана) выражается через постоянные величины c, h, k. Размерность [s] = Вт/(м2.К4).
