1.2. Лабораторная работа 3.01. Определение температуры оптическим пирометром

Цель работы: приобретение навыков работы с оптическим пирометром; экспериментальная проверка закона Стефана-Больцмана.

Принадлежности: оптический пирометр ОППИР-09,

1.2.1. Описание установки и методики измерений

Рис.1.5

Оптический яркостный пирометр с исчезающей нитью (рис.1.5) состоит из трубы 1, внутри которой между окуляром 2 и объективом 3 помещена эталонная электрическая лампочка 4, имеющая спираль в форме полуокружности 5. Параллельно лампе включен вольтметр 6, шкала которого проградуирована в градусах температуры по Цельсию. Отсчет берется по верхней шкале для измерения температуры от 800 до 1400°С. Для измерения более высоких температур (до 2000 °С), обозначенных на нижней шкале, в поле зрения вводится ослабляющий (дымчатый) светофильтр 7, который в данной работе не используется.

Рис.1.6

Накаленным телом является вольфрамовая спираль 8, помещенная в стеклянный баллон, температура которой может меняться с помощью регулируемого источника переменного тока 9. В окуляр наблюдают одновременно среднюю часть нити накала эталонной лампочки и поверхность исследуемой спирали (рис.1.6). Красный светофильтр 10, помещенный в окуляр, пропускает почти монохроматический свет, испускаемый накаленными телами (  0,65 мкм). Это позволяет при визуальном наблюдении спиралей сравнивать только их яркости и не обращать внимание на цветовые оттенки спектров, восприятие которых индивидуально для каждого наблюдателя.

Получение резкого изображения нити эталонной лампочки достигается вращением кольца с накаткой на трубе окуляра. Резкость изображения исследуемого объекта достигается выдвижением объектива. В крышке корпуса пирометра смонтирован кольцевой реостат 11, служащий для регулировки тока накала эталонной лампочки. В крайнем левом положении, когда отметки «0» на кольце реостата и крышке корпуса совпадают, ток в лампочке отсутствует. Поворот кольца по направлению стрелки увеличивает ток накала и, соответственно, температуру эталонной лампочки.

По шкале пирометра измеряется так называемая яркостная температура телаТ_я. Истинную температуру исследуемого тела Т можно определить по формуле:

T = Т_я hc/(hc + Т_я k_b lnA_), (1)

где h – постоянная Планка, c – скорость света в вакууме, k_b – постоянная Больцмана,  – длина световой волны.

Зависимость поглощательной способности вольфрама A_ от температуры Т при  = 0,65 мкм приведена на рис. 1.7.

Зная температуру окружающей среды _к и, определив с помощью пирометра температуру накаленного вольфрама , можно экспериментально определить постоянную Стефана-Больцмана .

Исследуемое тело нагревают электрическим током. Оно находится в вакууме, поэтому вся подводимая энергия излучается в окружающее пространство. Мощность, затрачиваемую на поддержание вольфрамовой спирали в накаленном состоянии, можно определить по закону Джоуля - Ленца:

P = IU, (1.16)

где I и U – соответственно, сила протекающего тока и приложенное напряжение. Приравнивая эту мощность к количеству энергии, теряемой спиралью за единицу времени в соответствии с (8) (см. теоретическое введение), получим:

P = S(⁴ – _к⁴) (1.17)

где S = dl – боковая поверхность спирали, а d и l – диаметр и длина спирали. Из (3) постоянная Стефана-Больцмана будет равна:

 = P/(⁴ – _к⁴)S (1.18)