Дослідження температури нитки розжарення за допомогою оптичного пірометра.

Прилади та приладдя: пірометр з джерелом живлення на 6В, амперметром 0,5А, вольтметр на 150В, реостат на 3200Ом, досліджувана лампа розжарення в корпусі освітлювача.

Мета роботи: засвоїти застосування оптичного пірометра.

 

Коротка теорія та методика вимірювань

 

Методи оптичної пірометрії використовуються для вимірювань високих температур від 800˚С і вище. При вимірюваннях вони не потребують беспосереднього контакту з вимірюваним середовищем і дозволяють вимірювати температтури розжарених тіл на великих відстанях від них. В основу оптичної пірометрії покладено закони теплового випромінювання.

Тепловим називають електромагнітне випромінювання тіл, нагрітих вище 0 К, що здійснюється за рахунок енергії теплового руху атомів. Для різних тіл спектральний склад випромінювання різний і змінюється зі зміною температури тіл, але у всіх тіл з підвищенням температури збільшується частка випромінювання, що припадає на короткі довжини хвиль. При низьких температурах випромінюється в основному інфрачервоні промені. Розжарені тіла, поряд з інфрачервоними, випромінюють видимі і ультрафіолетові промені. Для характеристики теплового випромінювання користуються поняттям повної променевипромінювальної та спектральної променевипромінюювальної здатності r (λ).

Повною променевипромінювальною здатністю Re, або енергетичною світимістю тіл, називають фізичну величину, що чисельно дорівнює потужності випромінювання з одиниці площі поверхні тіла. Розподіл енергії за довжиною хвиль визначається спектральною променевипромінювальною здатністю, що дорівнює потужності, яка випромінюється з одиниці площі поверхні тіла в одиничному інтервалі довжин хвиль.

r_λ = ΔR_λ / Δλ. (1)

Тут ΔR_λ – потужність випромінювання з одиниці площі поверхні в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ.

Одночасно з випромінюванням тіло поглинає випромінювання, що падає на нього. Для характеристики поглинальної здатності тіл користуються спектральною променепоглинальною здатністю а_λ). Спектральною променепоглинальною здатністю тіл називають відношення променевої енергії ΔW^/_λ поглинутої тілом в інтервалі довжин хвиль від λ до λ + Δλ, до падаючої на нього енергії ΔW_λ в тому ж діапазоні довжин хвиль:

а_λ = ΔW^/_λ /ΔW_λ. (2)

В нерівноважному стані температура тіла може підвищуватись або знижуватись в залежності від того, переважає поглинання чи випромінювання енергії тілом. В стані рівноваги енергія, що поглинається, дорівнює тій, що випромінюється, і температура тіла залишається сталою. Для тіл в стані термодинамічної рівноваги справедливий закон Кірхгофа: відношення променевипромінювальної здатності тіла до його променепоглинальної здатності не залежить від природи тіла, є універсальною функцією довжини хвилі випромінювання та температури і являє собою променевипромінювальну здатність абсолютно чорного тіла (АЧ Т) при тій же температурі.

r_λ / a_λ = f (λ, T). (3)

Абсолютно чорним тілом називається таке тіло, променепоглинальна здатність якого дорівнює одиниці в усьому діапазоні довжин хвиль. Моделлю АЧТ може бути зачорнена порожнина циліндра з обох торців, в одному з яких є малий отвір. Для АЧТ експериментально встановлені такі закони.

1. Закон Стефана-Больцмана: енергетична світимість АЧТ пропорційна червертій степені абсолютної температури тіла

R_e = σT⁴, (4)

де σ = 5,67^.10 ^-8 Вт/(м² К⁴) – стала закону Стефана-Больцмана.

2. Закон Віна: довжина хвилі, на яку припадає максимум променевипромінювальної здатності АЧТ, обернено пропорційна абсолютній температурі тіла:

λ_max = C / T, (5)

де С = 2,90 ^.10 ^-3 м К - стала закону Віна.

Закон випромінювання АЧТ достатньо точно виконується для газової оболонки Сонця, для отворів в печах, для пористих зачорнених поверхонь інших тіл.

Загальний вигляд універсальної функції f (λ, T) теоретично обгрунтував М. Планк в 1900 р. Вигляд цієї функції такий:

f (λ, T) = , (6)

де А і В - сталі коефіцієнти.

Як видно з наведених формул (4) і (5), за виміряними R_e та λ_max можна робити висновки про температуру АЧТ. На цьому основані методи оптичної пірометрії, а саме в одному з методів використовується закон Віна, в якому за знайденою λ_max визначають температуру тіла

T = С / λ_max. (7)

В даній лабораторній роботі вивчається метод визначення температури за допомогою оптичного пірометра зі зникаючою ниткою (рис. 1) В цьому методі порівнюють яскравість досліджуваного тіла з яскравістю нитки еталонної лампи пірометра. При однаковій яскравості досліджуваного тіла і нитки еталонної лампи пірометра температура тіла вважається однаковою з температури нитки, якщо досліджуване тіло можна вважати АЧТ. В пірометрі різке зображення еталонної нитки розжарення одержують через переміщення окуляра. Різке зображення досліджуваного тіла одержують переміщенням об’єктива і самого пірометра. Зображення еталонної нитки має бути суміщене з зображенням досліджуваного тіла. Для виділення інтервалу довжин хвиль близько λ=660 нм застосовують червоний світлофільтр, що вводиться в поле зору окуляра. При вимірюваннях, поступово повертаючи кільце реостата пірометра, змінюють опір в колі розжарення еталонної нитки і підбирають такий електрострум, щоб яскравість еталонної нитки співпадала з яскравістю досліджуваного тіла.

Стрілка гальванометра на пірометрі показує при цьому температуру еталонної нитки (шкала пірометра має градуювання за температурою АЧТ).

Для реальних тіл при вимірюваннях вводиться поправка, яка враховує їх відміну від АЧТ. При однаковій яскравості в області довжин хвиль істинна температура Т і визначена за шкалою пірометра Т^/, пов’язані співвідношенням

1/Т - 1/Т^/ = ln a_λ / b, (8)

де a_λ - спектральна поглинальна здатність досліджуваного тіла; b= В/λ В- з формули Планка).

Для тіл, випромінювання яких близьке до випромінювання АЧТ, lna_λ близький до 0, тому для них Т = Т^/.

 

Порядок виконання роботи:

 

1. Зберіть схему згідно з рис.2 і за допомогою реостата доведіть розжарення нитки досліджуваної лампи до мінімального свічення.

2. Сумістіть поділку 0 поворотного кільця реостата і корпуса пірометра і під’єднайте до джерела струму, суворо дотримуючись полярності.

3. Спостерігаючи в окуляр, доможіться слабкого розжарення еталонної нитки поворотом кільця пірометра за годинниковою стрілкою.

4. Переміщуючи окуляр, одержить чітке зображення еталонної нитки. Наведіть пірометр на нитку досліджуваної лампи і переміщенням об’єктиву доможіться її різкого зображення.

5. Введіть в поле зору червоний світлофільтр.

6. Поворотом кільця реостата добийтеся однакової яскравості еталонної і досліджуваної ниток в місці їх перетину. Запишіть показання пірометра Т^/. На чільному боці пірометр має три шкали для вимірювань температур від 800˚С до 5000˚С. В даній роботі використовується перша шкала. При використанні інших шкал в поле зору вводяться димчасті світлофільтри.

 

 

Рис. 1

Рис.2

 

7. Запишіть показання амперметра I і вольтметра U в колі досліджуваної лампи.

8. Змінюючи з допомогою реостата R (рис. 1) розжарення лампи Л і кожен раз виконуючи дії пунктів 6 –7, зробіть вимірювання температури для п’яти значень потужності, споживаної лампою Л, починаючи з мінімальної і закінчуючи тією, котра не виходить за межі температур 1000-1100˚С.

9. Вимкніть струм в пірометрі і вимкніть лампу Л.

10. За формулою (8) визначіть істинну температуру, приймаючи для вольфрамої нитки а _λ = 0,8 і b = 95600 (ln а _λ = - 0,22).

11. Обчисліть потужність, споживану лампою Л, за співвідношенням P=I^.U. Дані вимірювань та розрахунків подайте в таблиці:

 

№	I	U	P	T’	T

 

12. Побудуйте графік залежності температури нитки лампи розжарення від споживаної потужності.

 

Дайте відповіді на запитання:

1. Які тіла можна вважати абсолютно чорними?

2. Які методи вимірювання температури Вам відомі?

3. При яких температурах методи оптичної пірометрії є єдино можливими методами вимірювання температури?

 

Лабораторна робота №45.