ИЗУЧЕНИЕ ЗАКОНОВ ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
(Лабораторная работа 80)
Цель работы: изучить зависимость излучательной способности тела от температуры.
Приборы и принадлежности: лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), электрическая лампочка, вольтметр, амперметр.
Тепловое излучение совершается за счет энергии теплового движения атомов и молекул вещества и свойственно всем телам при температуре выше 0 К. Тепловое излучение характеризуется сплошным спектром положение максимума которого зависит от температуры. Тепловое излучение - единственный вид излучения, который может быть равновесным.
Тело, способное поглощать полностью при любой температуре все падающее на него излучение любой частоты, называется черным. Поглощательная способность абсолютно черного тела равна единице.
Тело, поглощательная способность, которого меньше единицы, но одинакова для всех частот и зависит только от температуры материала и состояния поверхности тела, называется серым.
Тепловое излучение подчиняется следующим законам.
Количественная связь между спектральной плотностью энергетической светимости и спектральной поглощательной способностью тел определяется законом Кирхгофа: отношение спектральной плотности энергетической светимости (излучательной способности)  к спектральной поглощательной способности  не зависит от природы тела; оно является для всех тел универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры.
 .
Для черного тела  . Таким образом, универсальная функция Кирхгофа  есть спектральная плотность энергетической светимости черного тела. Интегральная энергетическая светимость черного тела  .
Из закона Кирхгофа следует, что спектральная плотность энергетической светимости черного тела зависит от температуры. Согласно закону Стефана-Больцмана
 , (1)
то есть энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуре.  - постоянная Стефана-Больцмана.
Энергетическая светимость серого тела  . (2)
Из формул (1) и (2) следует, что энергетическая светимость серого тела
 (3)
Зависимость длины волны  , соответствующей максимуму функции Кирхгофа  от температуры Т определяется законом смещения Вина
 ,
то есть длина волны , соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре.  - постоянная Вина.
В настоящей работе изучается зависимость излучательной способности нити накала электрической лампочки, которую можно считать серым телом, от температуры.
Для определения коэффициента черноты серого тела используется экспериментальная установка (рис. 21.1). Установка состоит из лампы накаливания, регулятора напряжения - латра, вольтметра и амперметра. На рис. 21.2. изображена электрическая схема установки.
Напряжение с автотрансформатора Тр - латра подается на лампу накаливания Л. Значение напряжения  измеряется вольтметром 2. Сила тока  в цепи измеряется амперметром 3. Напряжение и ток регулируются с помощью латра ручкой 1. С увеличением напряжения ток на лампе растет, и температура нити лампы Л увеличивается.
Предположим, что вся подводимая к нити энергия идет на излучение. Излучательную способность нити можно определить как
 , (4)
где  - мощность излучения; - сила тока, текущего через лампу, А; - напряжение, приложенное к ней, В;  и  - диаметр и длина нити накаливания соответственно, м.
Мощность излучения определяется по формуле
 (5)
Температуру нити определим по её сопротивлению  . Сопротивление большинства металлов прямо пропорционально температуре
 (6)
где  - температурный коэффициент сопротивления,  - сопротивление при температуре  = 293 К (200 С).
Сопротивление лампы найдем по закону Ома:
 . (7)
Из формул (3) и (4) выразим температуру
  . (8)
Из формул (3) и (4) получаем выражение,  , откуда следует соотношение
 (9)
|
Скачать 3.25 Mb.