Файл: Изучение законов теплового излучения Цель работы.doc

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 03.12.2023

Просмотров: 21

Скачиваний: 1

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

«Изучение законов теплового излучения»
Цель работы:

  1. исследовать зависимость излучательности тел от температуры;

  2. определить постоянную Стефана-Больцмана;

  3. определить постоянную Планка;


Теоретическая часть.
Тепловое излучение – это электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии (в отличие, например, от люминесценции, которая возбуждается внешними источниками энергии). Тепловое излучение имеет сплошной спектр, положение максимума которого зависит от температуры вещества. С ее повышением возрастает общая энергия испускаемого теплового излучения, а максимум перемещается в область малых длин волн. Тепловое излучение является равновесным процессом. Тепловое излучение описывается следующими характеристиками:

1) излучательность или энергетическая светимость Rэ – энергия, испускаемая единицей поверхности излучаемого тела по всем направлениям за единицу времени,

Rэ = (1);

2) спектральная плотность излучательности E,T – количество энергии электромагнитного излучения данной длины волны или частоты испускаемого за единицу времени по всем направлениям единицей поверхности тела, имеющего температуру Т,

E,T = (2);

3) поглощательная способность АТ - величина, показывающая, какая часть энергии излучения с длиной волны достигающая за единицу времени поверхности тела, имеющего температуру Т, поглощается им (коэффициент поглощения),

АТ = (3).

В теории теплового излучения вводится понятие абсолютно черного тела – тела, которое полностью поглощает весь падающий на него поток излучения. Коэффициент поглощения АТ абсолютно черного тела равен единице и не зависит от длины волны излучения. Интенсивность излучения абсолютно черного тела выше, чем нечерных тел при той же температуре.
Законы теплового излучения:
1) Тепловое излучение любых тел подчиняется закону Кирхгофа: отношение испускательной способности E
,T тел к их поглощательной способности АТ не зависит от природы излучающего тела, а зависит только от длины волны излучения и абсолютной температуры Т и равно излучательной способности абсолютно черного тела  Т):

(4);

2) Закон Стефана-Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела Rэ прямо пропорциональна четвертой степени температуры Т,

Rэ = 4 (5), где = 5,71*10-8 Вт*м-2*град-4 – постоянная Стефана-Больцмана;

3) I-й закон Вина (закон смещения): длина волны max, на которую приходится максимум спектральной плотности энергетической светимости, обратно пропорциональна величине температуры,

max = (6), где b = 2,398*10-3 м*К;

4) II-й закон Вина: максимальное значение излучательности абсолютно черного тела  Т) пропорционально пятой степени температуры,

 Т)max = b|*T5 (7), где b| = 1,29*10-5 Вт*м-2-1-5.
5) Закон излучения Планка описывает спектральное распределение излучательности абсолютно черного тела:

 Т) = (8), где h – постоянная Планка, с – скорость света в вакууме, k – постоянная Больцмана,  - длина волны излучения.

Формула Планка позволяет теоретически вывести законы излучения абсолютно черного тела и связать постоянную Планка h с экспериментальной постоянной Стефана-Больцмана постоянными b и b| Вина и постоянной Больцмана k.

Экспериментальная часть.
1. Приборы и принадлежности:

  1. оптический пирометр ЛОП-72 с блоком питания и измерительным блоком;

  2. лампа накаливания с вольфрамовой нитью;

  3. миллиамперметр;

  4. вольтметр;

  5. ЛАТР на 240 В.



В данной работе используется лампа накаливания с вольфрамовой нитью. Ток накала лампы регулируется автотрансформатором. В установившемся температурном режиме мощность W2, рассеиваемая вольфрамовой нитью лампы в пространство, должна быть равна излучаемой ею мощности. Мощность, потребляемая нитью, состоит из электрической мощности Wэ, получаемой ею от источника, и мощности W1 поглощаемого нитью теплового излучения окружающих тел, всегда присутствующего в пространстве, поскольку температура последних выше 0 К и равна комнатной Т1:

W2 = Wэ + W1 (9).

Электрическая мощность Wэ исследуемой лампы равна:

Wэ = I*U (10), где I и U соответственно ток через исследуемую нить и напряжение на ней.

W1 = 0** *S (11), где S – площадь поверхности вольфрамовой нити, коэффициент поглощения (поскольку нить не является абсолютно черным телом <1).

Мощность W2, которую излучает нить в окружающее пространство, согласно закону Стефана-Больцмана, определяется как:

W2 = ** *S (12), где Т2 – температура нити, const.

Тогда из (10), (11) и (12) получаем:

I*U = (1 - 0 )S (13).

Поскольку << , то (13) можно приближенно записать в виде:

W = I*U = 1**S* (14),

откуда = (15), где 1 = 0,43 (для вольфрамовой нити),

S = 2,5*10-5 м2.


2.Результаты измерений и расчетов.

Таблица 1



I, mA

U, В

W, Вт

Iпир, mA

Тя, К

Тяср, К

Т, К

Т, К

1

70

1

0.07

305

1245

1226

52.8

1278.8













273

1207






















290

1226










2

80

12.5

1

310

1250

1256

53.2

1309.2













308

1247






















325

1270










3

90

30

2.7

380

1336

1307

55.4

1362.4













330

1277






















355

1308










4

110

80

8.8

425

1395

1419

60.8

1479.8













445

1418






















465

1444










5

125

123

15.375

515

1505

1498

64.6

1562.6













500

1488






















510

1500













Таблица 2




, Вт/К4м2

ср, Вт/К4м2

h, Дж*c

hср, Дж*с

m, м

1

2.43*10-9




18.91*10-34




2.27*10-6

2

31.66*10-9




8.04*10-34




2.21*10-6

3

72.9*10-9

103.5*10-9

6.09*10-34

8.34*10-34

2.13*10-6

4

170.71*10-9




4.58*10-34




1.96*10-6

5

239.89*10-9




4.09*10-34




1.85*10-6


Погрешности для и h:

.5*10-9 Вт/К4м2, h = 0.42*10-34 Дж*с.

Окончательный результат:

  • = (10.350.45)*10-8 Вт/К4м2,

h = (8.340.42)*10-34 Дж*с.
Вывод о работе: проделав данную лабораторную работу, мы исследовали явление теплового излучения тел и зависимость энергетической светимости тел от температуры. Температуру нити накала лампы определяли при помощи пирометра.

Определили постоянную Стефана-Больцмана. Результат более чем в 2 раза отличается от табличного значения (экспериментальное значение 10,3*10-8 Вт/м2К4 против 5,67*10-8 Вт/м2К4), хотя погрешность определения этой величины составила всего 4,5%.

Также, по результатам эксперимента, определили постоянную Планка. Значение этой величины составило 8,34*10-34 Дж*с против 6,62*10-34 Дж*с. Погрешность рассчитана также на уровне 4,5 – 5%.

Результаты эксперимента разительно отличаются от табличных значений, что позволяет говорить о несовершенстве метода или высокой погрешности лабораторных приборов.