Экспериментальная часть. Описание установки и оптического пирометра

Целью данной работы является определение постоянной  в законе Стефана-Больцмана. Исследуемым телом, которое считается абсолютно черным, является вольфрамовая спираль лампы, нагреваемая электрическим током. Электрическая схема установки показана на рис.2.

Н

апряжение от сети через латр (лабораторный автотрансформатор) и понижающий трансформатор подается на спираль лампы. С помощью латра можно менять ток и напряжение на спирали лампы, которые измеряются включенными в цепь амперметром и вольтметром.

Мощность, затрачиваемая на поддержание единицы площади спирали в накаленном состоянии, будет равна

, (11)

г де I - сила тока в цепи лампы, U - падение напряжения на cпирали лампы, S - площадь спирали (2S, т.к. спираль излучает в обе стороны). Приравнивая эту мощность количеству энергии, теряемой спиралью за I секунду, в соответствии с законом Стефана-Больцмана (9) получим формулу (12):

, (12)

в которой Т₁ – температура спирали, Т₂ –температура окружающей среды.

Д

ля измерения температуры спирали лампы служит оптический пирометр с "исчезающей нитью", измеряющий яркостную температуру тела. Определение температуры сводится к сравнению яркости излучения исследуемого тела (в нашем случае спираль лампы - 1, рис.3) с яркостью излучения нити накала пирометра, предварительно проградуированного по излучению абсолютно чёрного тела.

Яркостная температура будет истинной, если исследуемое тело - абсолютно чёрное, и будет меньше истинной, если исследуемое тело не является абсолютно чёрным, так как излучение не абсолютно чёрных тел всегда ниже излучения абсолютно чёрных. Схема пирометра изображена на рис.3.

чувствительным элементом оптического пирометра является нить накала, подключённая через реостат к источнику тока, и гальванометру Г, который проградуирован в градусах Цельсия. Нить накала (1) находится внутри корпуса пирометра (рис.4b) и находится в фокусе объектива L₁. Окуляр L₂ служит для увеличения полученного изображения и устанавливается по глазу наблюдателя. Он позволяет совместить нить пирометра и изображение исследуемого предмета в одной плоскости. При пользовании пирометром сравнение яркости происходит в ограниченной области спектра. Для получения монохроматического луча в трубе окуляра помещён светофильтр f₂ , пропускающий красную (λ = 6500 Ǻ) часть спектра, испускаемого источником и нитью лампы. Введение светофильтра обязательно, ибо оно позволяет проводить исследование в узкой части спектра, где изменение интенсивности излучения с температурой происходит более резко, чем в пределах всего спектра, а это повышает точность измерения.

Кроме красного светофильтра, в пирометре имеется ещё ослабляющий светофильтр, позволяющий расширить пределы измерения температуры. Ослабляющий светофильтр f₁ расположен между объективом пирометра и его нитью накала. Без ослабляющего светофильтра пирометр измеряет температуру в интервале 700 ÷ 1400⁰С (нижняя шкала), с ослабляющим светофильтром – в интервале 1200 ÷ 2000⁰С (верхняя шкала).

Внешний вид установки для определения постоянной σ в законе Стефана-Больцмана приведён на рис.4.

С лева показан -блок питания установки (а), справа – оптический пирометр (b). На блоке питания установлено исследуемое тело - лампа накаливания - 1, температура спирали которой измеряется пирометром. На передней панели блока питания находится ручка регулятора напряжения (латра) - 2 , вольтметр, амперметр и тумблер 3 включения электрической цепи установки. Источник питания электрической цепи пирометра установлен в корпусе блока питания и соединен с пирометром. На корпусе пирометра находятся устройства, необходимые для работы с ними: поворотный диск 4 на окуляре пирометра для введения красного светофильтра; маховичок 5 для введения ослабляющего светофильтра; кольцо реостата 6 для регулировки величины накала нити пирометра; гальванометр 7, две шкалы которого проградуированы в градусах Цельсия.