|
|
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАГРЕТОГО ТЕЛА. Исследование закономерностей теплового излучения нагретого тела
МИНОБРНАУКИ РОССИИ
САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)
Кафедра физики
ОТЧЕТ
по лабораторной работе №11 по дисциплине «Физика»
ТЕМА: ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАГРЕТОГО ТЕЛА
Студент гр. 9584 Тышкевич Р.В.
Преподаватель Посредник О.В.
Санкт-Петербург
2020
Лабораторная работа 11.
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НАГРЕТОГО ТЕЛА
Цели работы: экспериментальное исследование зависимости мощности теплового излучения от температуры; проверка закона Стефана–Больцмана
Схема экспериментальной установки представлена на рис. 11.1. В фокусе объектива О зрительной трубы пирометра расположена нить L, изогнутая в форме полуокружности. Через окуляр Oки красный светофильтр Ф наблюдатель видит среднюю часть нити на фоне поверхности тела, температуру которого требуется определить. С помощью потенциометра R осуществляется регулировка тока в нити и яркости ее свечения. После включения кнопкой К нагрева нити, ток, проходящий через нить пирометра, регулируют до тех пор, пока она не становится невидимой на фоне пластины.
Оптический пирометр прокалиброван по абсолютно черному телу. Шкала амперметра, измеряющего силу тока в нити, оцифрована в градусах по шкале Цельсия и определяет температуру нити (абсолютно черного тела).
Электрическая схема нагрева пластины содержит источник тока, амперметр PA для измерения силы тока I в пластине, величина которого регулируется потенциометром Ri , и вольтметр PU для определения падения напряжения U на пластине.
Тепловое излучение (ТИ) представляет собой явление генерации электромагнитных волн нагретым телом. Основу эффекта составляют процессы преобразования тепловой энергии макроскопической системы (нагретого тела) в энергию электромагнитного поля. Все остальные виды излучения, возбуждаемые за счет видов энергии, отличных от тепловой, называют люминесценцией. ТИ является изотропным, то есть вероятности испускания излучения разных длин волн или частот и поляризаций в разных направлениях равновероятны (одинаковы). ТИ имеет сплошной спектр, т. е. его спектральные энергетические (характеристики) светимости ω,T r и λ,T r (см. далее), зависящие от частот ω или длин волн λ излучения, изменяются непрерывно, без скачков. ТИ – это единственный вид излучения в природе, которое является равновесным, то есть находится в термодинамическом или тепловом равновесии 72 с излучающим его телом. Тепловое равновесие означает, излучающее тело и поле излучения имеют одинаковую температуру. В качестве меры преобразования энергии используется мощность P dW dt = , где dW – количество энергии, которое за время dt преобразуется из одного вида в другой. В связи с тем, что излучение электромагнитных волн происходит с поверхности тела, а мощность теплового излучения P пропорционально площади поверхности S, в качестве характеристики используют интегральную энергетическую светимость тела 2 (Вт м )
Правая часть равенства (10.1) задает суммарную плотность потока энергии электромагнитных волн всех частот, испускаемой поверхностью нагретого тела. Для характеристики зависимости светимости нагретого тела от частоты вводятся спектральные энергетические светимости ω,T r и λ,T r тела
где T dR – суммарная плотность потока энергии, переносимой волнами, частоты которых находятся в узком интервале (ω, ω + Δω) или (λ, λ + Δλ). Наряду с излучением может происходить и обратное преобразование энергии: энергия электромагнитного излучения поглощается веществом, т. е. трансформируется в тепловую энергию макроскопической системы. Мерой обратного преобразования энергии служит спектральная поглощательная способность α,T , определяемая следующим образом:
где погл d T (ω, ) – поток энергии, который поглощается телом, пад d T (ω, ) – величина падающего потока в интервале частот (ω, ω + ω) d . Тело, которое полностью поглощает энергию электромагнитных волн ( α 1 ,T = ), называют абсолютно черным телом (АЧТ). Если поглощательная способность в некоторой области частот меньше единицы и не зависит от частоты, то в этой области спектра тело считается серым.
Вопросы к лабораторной работе № 11 (20,31)
20 Что такое фотон. Энергия, масса и импульс фотона.
31 Что такое квантовый выход?
Квантовый выход прибора - количеств. характеристика прибора, регистрирующего дискретное число частиц (квантов, электронов и пр.), выражаемая отношением числа статистически независимых частиц N1, регистрируемых прибором, к числу статистически независимых частиц N2, падающих на приёмник прибора: Y=N1/N2.
Обычно Y<1, для идеального прибора Y=1. Высокочувствительным считается прибор с Y=0,1-0,4. Квантовый выход зависит от способа регистрации частиц (фотоэлектронная эмиссия, люминесценция и т. д.), состояния и свойств приёмника, энергии частиц.
Для фотоэлектронного прибора соотношение между спектральной чувствительностью Sl[a/Вт] на длине волны l [мкм] и квантовым выходом Y [электрон/фотон]
Вблизи красной границы для большинства металлов квантовый выход составляет порядка 10-4 электрон/фотон. Малость квантового выхода обусловлена тем, что энергию, достаточную для выхода из металла сохраняют только те электроны, которые получили энергию от фотонов на глубине от поверхности, не превышающей 0,1 мкм.
Кроме того, поверхность металлов сильно отражает излучение. С увеличением энергии фотонов, то есть с уменьшением длины волны излучения квантовый выход увеличивается.
ЗАЩИТА:
Вычислить температуруТповерхности Солнца, принимая что Солнце излучает как абсолютно чёрное тело. На S= 1 см2 земной поверхностипадает лучистый поток = 8,1 Дж/мин (с учётом энергии, поглощаемой земной атмосферой). Расстояние от Земли до Солнцаr= 1,5108км, радиус Солнца RC = 6,5105км.
1.
Тепловое излучение – процесс распространения электромагнитных колебаний с различной длиной волн, обусловленный тепловым движением атомов или молекул излучающего тела.
Характеристики теплового излучения зависят от следующих свойств излучающего объекта или тела:
Температура поверхности
Гладкость или шероховатость поверхности
Спектральная поглощающая способность
Спектральная мощность излучения
Энергетическая светимость тела -{\displaystyle R_{T}} физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.
Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).
Поглощающая способность тела — {\displaystyle
a_{\omega ,T}} функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот w
Отражающая способность тела - {\displaystyle
b_{\omega ,T}} функция частоты и температуры, показывающая какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот w
Абсолютно черное тело - это физическая абстракция(модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение
Серое тело - это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры
Объемная плотность энергии излучения - {\displaystyle
U_{T}} функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единицу объема по всему спектру частот
Спектральная плотность энергии - {\displaystyle
U_{\omega ,T}} функция частоты и температуры, связанная с объемной плотностью излучения формулой:
ИЗЛУЧЕНИЕ РАВНОВЕСНОЕ – эл-магнитное излучение ,находящееся в термодинамич. равновесии при определённой темп-ре Т с веществом, испускающим и поглощающим это излучение. И. р. часто называют излучением абсолютно чёрного тела (чёрным излучением). С микроскопической точки зрения равновесие для излучения осуществляется в результате компенсации прямых и обратных элементарных процессов каждого рода, согласно детального равновесия принципу, и является полным (см. Тепловое излучение ).И. р. изотропно и равномерно заполняет некоторый объём, напр., полость, стенки к-рой нагреты до температуры Т (поэтому для И. р. применяют также термин "излучение в полости"), пли объём, содержащий разреженное вещество (газ, плазму) при темп-ре Т, в условиях, когда пробег излучения в веществе (см. Поглощение света)много меньше размеров этого объёма.
закон излучения Планка для спектральной испускательной способности
2.
Закон Кирхгофа. Между испускательными и поглощательными свойствами любого тела должна существовать связь. Ведь в опыте с равновесным тепловым излучением (рис. 1.1) равновесие в системе может установиться только в том случае, если каждое тело будет излучать в единицу времени столько же энергии, сколько оно поглощает. Это означает, что тела, интенсивнее поглощающие излучение какой-либо частоты, будут это излучение интенсивнее и испускать.
Поэтому, в соответствии с таким принципом детального равновесия, отношение испускательной и поглощательной способностей одинаково для всех тел в природе, включая абсолютно черное тело, и при данной температуре является одной и той же универсальной функцией частоты (длины волны).
Этот закон теплового излучения, установленный в 1859 г. Г.Кирхгофом при рассмотрении термодинамических закономерностей равновесных систем с излучением, можно записать в виде соотношения
Закон Стефана-Больцмана. Экспериментальные (1879 г. Й.Стефан) и теоретические (1884 г. Л.Больцман) исследования позволили доказать важный закон теплового излучения абсолютно черного тела. Этот закон утверждает, что энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его абсолютной температуры
Закон смещения Вина. В 1893 г. немецкий физик В.Вин теоретически рассмотрел термодинамический процесс сжатия излучения, заключенного в полости с идеально зеркальными стенками. С учетом изменения частоты излучения за счет эффекта Допплера при отражении от движущегося зеркала Вин пришел к выводу, что испускательная способность абсолютно черного тела должна иметь вид
Формула Рэлея-Джинса
Равновесное излучение в полости представляет собой систему стоячих волн. Без учета возможных видов поляризации количество стоячих волн, отнесенное к единице объема полости, определяется формулой , в которой скорость v нужно положить равной с. Вдоль заданного направления могут распространяться две электромагнитные волны одинаковой частоты, отличающиеся направлением поляризации (поляризованные во взаимно перпендикулярных направлениях). Чтобы учесть это обстоятельство, нужно выражение умножить на два. В результате получим
Плотность энергии, приходящуюся на интервал частот:
Получим выражение для испускательной способности абсолютно черного тела:
Формула для испускательной способности абсолютно черного тела.
Равновесие между излучением и излучающим телом устанавливается при конечных значениях u(T)
Формула Планка:
Коэффициент пропорциональности h получил впоследствии название постоянной Планка.
Гипотеза Планка:
Нагретое тело испускает и поглощает свет не непрерывно, а определенными конечными порциями энергии – квантами
 |
|
|
Скачать 2.42 Mb.