Министерство образования и науки Российской Федерации

ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Физика»

проверка законов абсолютно

черного тела

Составители: Шелкунова З.В.

Ваганова Т.Г.

Улан-Удэ

2005

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1

Проверка законов абсолютно черного тела

Цель работы: Исследование зависимости спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела. Снятие зависимости напряжения на термостолбике от температуры внутри печи с помощью термопары.

Приборы и принадлежности:

1. измерительное устройство ФПК11,

2. объект исследования (печь),

3. термостолбик,

4. стойка,

5. штатив.

Законы теплового излучения

Тепловым излучением называется перенос теплоты с помощью электромагнитных волн. Теплообмен между телами происходит путем испускания и поглощения теплового излучения.

Все нагретые тела излучают электромагнитные волны.

Электромагнитное излучение, находящееся в термодинамическом равновесии с веществом, называется равновесным тепловым излучением, которое характеризуется следующими свойствами:

- оно однородно, т.е. имеет единственную плотность во всех точках внутри полости;

- оно изотропно, т.е. все возможные направления излучения внутри полости равновероятны;

- оно неполяризовано, т.е. направление векторов напряженности и хаотически меняются во времени во всех точках пространства полости.

Рассмотрим замкнутую полость, стенки которой имеют одинаковую температуру Т. При равновесном излучении стенки полости будут излучать и поглощать электромагнитные волны так, что в 1 с количество излученной энергии будут равно поглощенной энергии. Так как излучения распространяется с конечной скоростью, то внутри полости будет электромагнитное поле с постоянной объемной плотностью энергии

.

Плотность энергии можно представить в виде разложения по частоте  и длине волны 

,

где и - объемные плотности энергии излучения, приходящиеся на интервал частот или длин волн ;

- спектральные плотности лучистой энергии

; ; .

В случае равновесного излучения спектральная плотность зависит от частоты , температуры измерений Т и свойств среды, занимающей полость.

Основная задача теплового излучения состоит в нахождении функции .

Для характеристики процесса теплового излучения тела вводят понятия об излучательной и поглощательной способности поверхности тела.

Поток лучистой энергии d (с частотами между  и  + d), излучаемой за время dt площадкой dS телесного угла d по определению равна

dW = E_ dS cos d d dt,

где E_ - называется излучательной способностью тела в направлением угла .

Единица .

Доля падающего потока излучения dW₀ в данном интервале частот , которая поглощается телом и превращается в теплоту называется поглощательной способностью А_ поверхности тела:

,

где 0  А_  0, величина безразмерная.

Излучательная и поглощательная способности тела для равновесного излучения с частотой  связана с удельной интенсивностью I_ соотношением

- это соотношение называется законом Кирхгофа (1859 г).

Так как величина I_ не зависит от вещества, из которого изготовлено тело, а является функцией только частоты и температуры Т, то I_ для всех тел одинаково.

Закон Кирхгофа дает количественное описание правила Прево: если поглощательные способности двух тел различны, то будут различны и их излучательные способности.

Наибольшим значением Е_ имеет тело, у которого для всех частот  поглощательная способность А_ = 1.

Тело, которое поглощается все падающее на него тепловое излучение называется абсолютно черным телом (а.ч.т.).

Из закона Кирхгофа следует:

1. излучательная способность а.ч.т. I_ является функцией частоты и Т, ;

2. излучательная способность а.ч.т. при данной частоте  и температуре Т максимальна ;

3. излучательная способность любого тела (серого) равна произведению поглощательной способности и излучательной способности а.ч.т. I_ . Зная I_, можно вычислить распределение энергии Е_ по частотам для любого тела, если известна его поглощательная способность;

4. всякое тело при данной температуре излучает электромагнитные волны той частоты, которые оно поглощает при этой же температуре;

А.ч.т. – идеализация, наилучшее приближение к а.ч.т. дает замкнутая полость, окруженная равномерно нагретыми непрозрачными стенками. Для выхода излучения полость должна иметь малое отверстие.