Главная | Обратная связь

ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ НАГРІТИХ ТІЛ

4.1 Мета роботи

 

Експериментальне підтвердження законів теплового випромінювання, вивчення методу вимірювання високих температур, будови і принципу роботи оптичного пірометра.

 

4.2 Вказівки з організації самостійної роботи студентів

 

Всі нагріті тіла і рідини випромінюють електромагнітні хвилі в широкому суцільному спектральному діапазоні довжин хвиль [1, с. 362-371; 2, с. 317-324; 3, с. 4-14]. Розподіл енергії випромінювання в залежності від довжини хвилі для абсолютно чорного тіла (АЧТ) описується законом Планка:

 

, (4.1)

 

де – спектральна густина випромінювальної здатності;

– довжина хвилі випромінювання;

– стала Планка;

– сталаБольцмана;

– швидкість світла;

Т – абсолютна температура.

З рис. 4.1 видно, що при різних температурах тіл максимум спектральної випромінювальної здатності припадає на різні довжини хвиль.

На цих властивостях спектра випромінювання основані безконтактні методи вимірювання температури нагрітих тіл.

Для визначення температури АЧТ можна виміряти довжину хвилі, на якій спостерігається максимальна потужність випромінювання, і використати закон випромінювання Віна:

 

( ). (4.2)

 

 

Рисунок 4.1 – Залежність енергії випромінювання від довжини хвилі

 

Температуру АЧТ можна визначити, використовуючи закон Стефана-Больцмана:

 

. (4.3)

 

Для цього необхідно виміряти випромінювальну здатність (спеціальним приймачем), а потім обчислити Т .

Формула (4.1) дозволяє визначити температуру тіла за зміною інтенсивності випромінювання в будь-якому вузькому спектральному діапазоні . На цій властивості базується робота оптичного пірометра, що використовується в макеті.

В оптичному пірометрі інтенсивність монохроматичного випро­мінювання (тобто на вузькому відрізку ) не вимірюється безпосередньо, а візуально порівнюється зі світністю еталонного тіла (нитки пірометра). Температура еталонного тіла задається силою струму розжарювання і легко змінюється. Зміною сили струму можна досягти рівності світностей двох тіл: досліджуваного та еталонного. У цьому випадку температура досліджуваного тіла дорівнює температурі еталонного, яка легко визначається.

Для реальних тіл, які зазвичай не є АЧТ, істинна температура визначається за температурою, яка вимірюється пірометром, введенням поправок, що враховують їх випромінювальні властивості.

 

4.3 Опис лабораторної установки

Схема лабораторного макета для дослідження випромінювання нагрітих тіл наведена на рис. 4.2.

Рисунок 4.2 – Схема лабораторної установки

 

Лабораторна установка складається з двох незалежних блоків: досліджуваного тіла (електролампи), температуру якого можна змінювати блоком живлення , і оптичного пірометра ЛОП-72 з блоком живлення .

Принцип дії пірометра наведений на рис. 4.3.

Всередині приладу, в полі зору окуляра Ок, знаходиться пірометрична лампа Е2, температуру нитки якої можна змінювати силою струму розжарювання. Сила струму в колі лампи Е2 регулюється потенціометром RP2 і вимірюється амперметром РА2. Температуру нитки розжарювання пірометричної лампи Е2 визначають за допомогою градуювальної кривої, розташованої на робочому місці. Добором положення окуляра можна досягти різкого зображення нитки пірометричної лампи, а обертанням об’єктива пірометра досягається чіткість зображення досліджуванного тіла. Температура досліджуваного тіла Е1 дорівнює температурі еталонного Е2, якщо потенціометром RP2 можна досягти зникнення зображення нитки на фоні тіла.

 

Рисунок 4.3 – Схема оптичного пірометра

4.4 Порядок виконання роботи і методичні вказівки з її виконання

 

4.4.1 Потенціометри RP1 і RP2 установіть у крайнє ліве положення (проти годинникової стрілки). Увімкніть блок живлення пірометра G2. Потенціометром RР2 і окуляром Оk отримайте чітке зображення світної нитки пірометричної лампи Е2. Амперметром РА2 виміряйте силу струму і за допомогою градуювальної кривої T(I), що наведена на робочому місці, визначте температуру нитки пірометричної лампи Е2. Визначте мінімальну температуру нитки, при якій тіло починає світитись. Змінюючи температуру нитки, спостерігайте за зміною яскравості нитки та її кольору. На основі цього досліду зробіть висновки.

4.4.2 За допомогою потенціометра RP1 встановіть довільний температурний режим (розжарювання) досліджуваного тіла. Наведіть оптичний пірометр на світну частину тіла E1 і за допомогою об’єктива отримайте її чітке зображення. За допомогою потенціометра RP2 досягніть співпадіння яскравості світності нитки пірометричної лампи і тіла.

Амперметром РА2 виміряйте силу струму і за допомогою градуювальної кривої визначте температуру тіла. За допомогою вольтметра PV1 й амперметра PA1 визначте потужність Р, що витрачається на нагрівання тіла Е1. Виміряйте температуру тіла при чотирьох-п’яти різних значеннях потужності нагріву. Результати вимірювань занесіть до таблиці за формою, наведеною в табл. 4.1.

 

Таблиця 4.1 – Результати вимірювань

	Uтіла, В	Iтіла, А	P, Вт	Iпіром, mA	T, К	lg P, Вт	lg T, К

 

4.4.3 Зробіть оцінку похибки вимірювань потужності за класом точності амперметра та вольтметра.

4.4.4 Побудуйте графік залежності потужності розжарювання Р від температури тіла Т. Залежність , що відповідає закону Стефана-Больцмана, має такий саме характер.

Побудуйте графік залежності від . Оскільки залежність має степеневий характер, то експериментальні дані мають створювати пряму лінію в координатах від :

 

. (4.4)

 

За графіком обчисліть показник степені n в законі Стефана-Больцмана:

 

. (4.5)

 

Значення або можна вибрати довільно. Зручно вибрати так, щоб ця величина дорівнювала цілому числу поділок масштабної сітки вздовж координати .

Зробіть висновок щодо залежності енергетичної світності вольфраму від температури. Порівняйте отримане експериментальним шляхом значення «показник степені n» із теоретичним.

 

4.5 Контрольні запитання і завдання

 

1. Які види випромінювання існують? Яке випромінювання є рівноважним?

2. Які характеристики теплового випромінювання ви знаєте?

3. Виведіть розмірності основних характеристик теплового випромінювання.

4. Сформулюйте закони теплового випромінювання.

5. Отримайте закони теплового випромінювання з формули Планка.

6. Як з формули Планка можна визначити енергетичну світність?

7. Як можна знайти радіаційну, кольорову та яркісну температури?

8. Які переваги оптичного методу вимірювання температури порівняно з іншими методами?

9. Поясніть принцип вимірювання температури за допомогою пірометра із ниткою, що зникає.

10. Поясніть принцип дії і конструкцію ЛОП-72.

11. Які прямі вимірювання потрібно виконати в даній роботі?

12. Які обчислення потрібно виконати в роботі?