|
Согласно з акону Стефана - Больцмана мощность электромагнитного из - лучения, испускаемого единицей поверхности абсолютно черного тела с температурой Т, равна
RT _aT4, (9.5)
где G - постоянная Стефана-Больцмана. Из з акона Стефана - Больцмана следует, что мощность, передаваемая единицей поверхности абсолютно черного тела температуры Т1 в окружающую среду с температурой Т0, будет равна:
W _ Wизл _ Wпогл _ a(T14 _ TQ4). (9.6)
Для серого тела это соотношение будет иметь вид
W _ aTo(T;4 _Tq4). (9.7)
Таким обра ом, для определения постоянной Стефана-Больцмана необходимо измерение мощности W и температур T1, TQ.
Теоретическое начение для постоянной Стефана-Больцмана
a_^, (9.8)
15c2h3
где k - постоянная Больцмана, c - скорость света, h - постоянная Планка.
Макс Планк[22]1, основываясь на гипотез е о квантовой природе излучения, получил формулу для функции f (X, T) (функция Планка)
f (X, T) _^ _ 2П^. 1 _ ^. 1. (9.9)
Величину
с1 = 8nhc = 4,99 • 10—22 Дж-м
называют первой радиационной постоянной (или первой константой излучения). Величину hc
(9.11)
к
называют второй радиационной постоянной (или второй константой излучения), ее табличное значение с2=0,01488 м-К. Экспериментальное определение начения второй радиационной постоянной c2 в данной работе основано на и - мерении отношения испускательных способностей rXT для двух температур Т и Т2 при фиксированной длине волны X. Тепловое излучение нагретого тела воспринимается расположенным рядом с ним селективным (и бирательным) приемником - инфракрасным светодиодом, что приводит к во никновению в нем фото-э.д.с. В данной работе значения фото-э.д.с. V светодиода, прямо пропорциональны[23]2 поглощаемой им мощности теплового излучения ЛФХ
V = АЛФх, A = const,
ЛФХ = rXT ЛХ
испускаемого нагретой пластиной в телесный угол Л^ в узком интервале длин волн ЛХ вблиз и длины волны X
V (Т) = Агхт ЛХ^. (9.14)
4п
Отношение начений фото-э.д.с. светодиода для двух температур T1 и T2
равно
V = Ж). = ZXTL = f (XT1)
V V(T) Гт f(X,T2)
В случае XT << c2, справедливом при T < 3000К и X < 1000 нм (как в данной работе), вместо формулы (9.9) можно использовать приближенное выражение
|
|
Из формул (9.15) и (9.16) следует
|
|
Логарифмирование этого соотношения позволяет найти постоянную с2
|
|
|
а з атем и постоянную Планка h
c
2. Оптическая пирометрия
Оптическая пирометрия (от греч. pyr - огонь и metreo - измеряю) - это совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения температуры. Большая часть из них основана на з аконах теплового излучения. Интенсивность теплового излучения согласно закону Стефана-Больцмана пропорциональна четвертой степени его температуры T и резко убывает с уменьшением T. Поэтому методы оптической пирометрии применяют для измерения относительно высоких температур. Ниже 1000°С они играют вспомогательную роль, выше 1000оС становятся основными, а выше 3000°С остаются практически единственными методами из мерения температуры. Оптическая пирометрия широко применяется в науке, технике и промышленном производстве. Оптическими методами в промышленных и лабораторных условиях определяют температуру в печах и других нагревательных установках, температуру расплавленных металлов и и делий и них (проката и т.д.), температуру пламен, нагретых га ов, плаз мы.
Существуют несколько оптических способов определения температуры: цветовой - на основе з акона Вина, радиационный - на основе з акона Стефана-Больцмана, я ркостный - на основе сравнения яркости излучения нагретого тела на определенном участке спектра и лучения с яркостью и лучения черного тела на том же участке.
Наиболее удобным и распространенным способом является яркостный, который проще всего осуществляется с помощью пирометра с исчез ающей нитью. Устройство пирометра и его оптическая схема показаны на рис.9.1,9.2.
fr
W
rs
Рис. 9.1. Устройство пирометра ОППИР -017Э
Из ображение исследуемого предмета с помощью объектива 2 получают в плоскости, где располагается нить накала 3 специальной электрической лампочки. Между нитью лампы 3 и объективом 2 может вводиться поглощающее стекло (дымчатый светофильтр) 5, ослабляющее световой поток от исследуемого предмета. Оно применяется для температур свыше 1400°С. Между окуляром и нитью лампы 3 может вводиться красный светофильтр 4, который выделяет узкую область спектра с длиной волны X0 =650 нм. Этот светофильтр находится на окуляре. Ток через лампу 3 регулируется реостатом, связ анным с рифленым кольцом на корпусе, его значения отсчитываются по шкале, проградуированной в градусах. Диапаз он измеряемых температур t от 800 до 5000°С разделен на 2 поддиапазона: 800 ^ 1400°С и 1200 ^ 2000°С. Реостат и измерительный прибор находятся в одном корпусе. Источник тока (батарейки) находиться внутри ручки корпуса. Реостатом регулируют ток через лампу пирометра до тех пор, пока яркости излучения нити и исследуемого тела в уз кой области спектра вблизи длины волны X 0 не совпадут между собой, т.е. нить лампы сольется с фоном исследуемого предмета. В этот момент шкала прибора, проградуированная по излучению абсолютно черного тела, фиксирует так называемую яркостную температуру Тя тела. Если излучаемое тело не является черным, то пирометр показывает температуру Тя такого черного тела, яркость которого одинакова с яркостью данного тела. Равенство яркостей при длине волны X 0 означает выполнение равенства, следующего из з аконов теплового излучения Кирхгофа и Планка
axrf (X, T) = f (X, T),
(9.20)
или
|
После упрощения и логарифмирования получим
Поэтому истинная температура тела T определяется по формуле
T = T+--------- ^---------. (9.23)
C2 + X0T+ ln aX,T
Вследствие 0 < aXT < 1 яркостная температура Тя тела всегда меньше его
истинной термодинамической температуры T. Любое тело, имеющее одинаковую яркость (для определенной длины волны) с некоторым черным телом, имеет термодинамическую температуру выше температуры черного тела. Истинная температура тела получится, если к наблюдаемой яркостной температуре прибавить поправку, взятую из табл. 9.1
T =Тярк.+ДТ. (9.24)
Таблица 9.
|
3. Измерение я ркостной температуры
Принципиальная схема экспериментальной установки для изучения излучения нагретого тела приведена на рис. 9.3. Нагреваемая нихромовая пластинка раз мещается в теплоиз олирующей трубке над блоком питания (понижающим трансформатором). С одного конца трубки произ водятся из мерения с помощью пирометра. С другого конца трубки на штативной стойке помещены инфракрасный светодиод с длиной волны излучения и поглощения X =828±10 нм, регистрирующий тепловое излучение пластинки (рис.9.4). К выводам светодиода подключен милливольтметр (тестер).
Рис. 9.3. Экспериментальная установка 1 - ЛАТР; 2 - понижающий трансформатор; 3 - нихромовая пластинка |
Рис. 9.4. Спектр излучения инфракрасного светодиода, максимум отвечает длине волны 828 нм
Выполните измерения в следующем порядке:
1. Включите ЛАТР и тумблер “Вкл.” на лицевой панели прибора. Рабочие значения тока I и напряжения U, которым отвечает темно-красное свечение нагретой пластинки, устанавливаются преподавателем или лаборантом.
2. Передвигая объектив пирометра, добейтесь резкого из ображения раскаленного предмета (пластинки). Передвигая окуляр, добейтесь четкой видимости нити лампы пирометра и предмета.
3. Яркость нити пирометрической лампы регулируется рифленым кольцом на корпусе, перед началом из мерений поверните его влево до упора. Включите питание нити пирометра нажатием кнопки на ручке.
4. Поворачивая кольцо, измените силу тока через лампу пирометра так, чтобы яркость нити совпала с яркостью из ображения раскаленного предмета. При этом нить сливается и становится нез аметной на фоне раскалённого предмета. Не отпуская кнопку, отсчитайте яркостную температуру?я по нижней шкале, (если она больше нижнего предела измерений 800° С и меньше 1400°С), занесите результаты в табл. 9.2. Для сравнения яркости в красной области спектра рассмотрите нить пирометра лампы и предмет через красный светофильтр, находящийся на окулярной трубке. Не отпуская кнопку, отсчитайте яркостную температуру по нижней шкале, (если она больше нижнего предела измерений 800° С и меньше 1400°С), занесите результаты в табл. 8.3. По результатам без и со светофильтром найдите среднее значение яркостной температуры и занесите его в табл. 9.2. Измерьте значение фото-э.д.с. V инфракрасного светодиода и з анесите в табл. 9.2.
5. Используя яркостную температуру t+, по табл. 9.1 с учетом значения для нихрома aXT = 0.9 определите поправку АТ и истинную абсолютную температуру T.
6. Повторите из мерения для двух других з начений напряжения U с током не более 68 А.
Таблица 9.2
№ | I,А | U, В | t °С ^я? ^ | Тя, К | ДT,° C | T,К | с, Вт/м2К4 | Да | V, B | ||
без светофильтра | со светофильтром | среднее | Х = 828 нм | ||||||||
|
|
|
|
|
|
| (T1) |
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
| (T2) |
|
|
| |
|
|
|
|
|
|
| (T3) |
|
|
| |
Среднее |
|
|
|
4. Определение постоянной Стефана - Больцмана
Энергия, выделяемая в нихромовой пластинке при прохождении электрического тока в единицу времени и отнесенная к единице площади равна:
RT = —, (9.25)
T 2S
где I - сила тока (из меряется амперметром), U - напряжение (из меряется вольтметром), 2S - площадь двухсторонней поверхности нагреваемой пластинки, с которой происходит излучение. Раз меры пластины 6ммх80мм. Из (9.7) с учетом T >> T0 следует
IU IU
о =--------- —------- — «----------- 4. (9.26)
aT 2S (T14 - T04) aT 2ST14
Подставьте остальные данные из табл. 9.2 в формулу (9.26), найдите три значения постоянной Стефана-Больцмана и внесите в табл. 9.2, определите среднее значение (с) и погрешность Да. Представьте результат в форме а = (с) ± Да и сравните его с табличным значением.
5. Определение второй радиационной постоянной и постоянной Планка
Выполните вычисления по формулам (9.17) - (9.19) для трех пар значений температуры нагретой пластинки из табл. 9.2. Для облегчения расчетов рекомендуется использовать программу SMath Studio (см. Прил. 1). Найдите три значения постоянной Планка h, внесите их в табл. 9.3, определите среднее значение (h) и погрешность Ah. Представьте результат в форме h = (h> ±Ah и сравните его с табличным значением.
Таблица 9.3
|
Контрольные вопросы
1. Дайте определение основным характеристикам теплового излучения.
2. Расскажите о з аконе Кирхгофа и поглощательной способности тел.
3. Приведите основные з аконы теплового излучения: Стефана- Больцмана и Вина.
4. Расскажите о функции Планка и ее приближении, справедливом при Т < 3000К и X < 1000 нм.
5. Приведите определения и з начения первой и второй радиационных постоянных (констант излучения).
6. Расскажите о применении оптической пирометрии.
7. Объясните принцип работы оптического пирометра с исчез ающей нитью.
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 3.10 ВЕНТИЛЬНЫЙ ФОТОЭФФЕКТ И СПЕКТРАЛЬНАЯ ПЛОТНОСТЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ЛАМП НАКАЛИВАНИЯ
Цель работы: изучение свойств теплового излучения, оз накомление с вентильным фотоэффектом в полупроводниках и измерение с его помощью спектральной плотности теплового излучения в части ближнего инфракрасного и видимого диапаз онов.
Приборы1 и принадлежности: панель со светодиодами, мультиметр, лампа накаливания на напряжение 12 В с блоком питания, з еркальная лампа накаливания на напряжение 220 В с регулятором силы свечения, оптический пирометр.
Литература: [1, §§ 197, 200, 201], [2-6],[10, Т.3], [17].
План работы1:.
1. И учение основных свойства светодиодов.
2. И учение вентильного фотоэффекта в полупроводниках.
3. И учение спектральной плотности и лучения ламп накаливания.
4. И мерение световой характеристики светодиодов.
5. Определение температуры нити накала лампы.
6. Работа с компьютерными моделями излучения черного тела.
1. Основные свойства светодиодов
В настоящее время полупроводниковые светодиоды и лаз еры (см. работу
3.6) стали распространенными[24] источниками видимого и инфракрасного излучения. Инфракрасное (ИК) излучение (от лат. infra — под, ниже) — электромагнитное излучение, невидимое глаз ом, которое обнаруживается за красной частью призматического спектра. Инфракрасные лучи имеют длины волн от 0,76 до 2000 мкм и анимают на шкале электромагнитных волн спектральную область между красной границей видимого и лучения и ультракороткими радиоволнами (длины волн порядка 1 мм). Обычно инфракрасное и лучение условно ра деляют на ближнюю (0,76-2,5 мкм), среднюю (2,5-50 мкм) и далекую (50-2000 мкм) области.
Источниками инфракрасного излучения являются все нагретые тела. Все отопительные устройства также являются источниками инфракрасных лучей и вызывают нагревание тел, которые поглощают эти лучи. Мощными ИК- источниками являются Солнце (на инфракрасную область приходится 50% мощности его излучения), лампы накаливания (на инфракрасное излучение приходится от 70 до 80%мощности), дуговые и газоразрядные лампы.
Основной структурной ячейкой диодов и других полупроводниковых электронных приборов является р-п-переход - контакт областей, где основными носителями з аряда являются дырки и электроны. Дыркой называют нез аня- тое электроном вакантное место в ковалентной связи между соседними атомами. Эта дырка может з аполняться электроном из других ковалентных связ ей и тогда нехватка одного электрона будет уже в других атомах. Так дырка постоянно и беспорядочно перемещается по кристаллу, перенося положительный а- ряд, численно равный заряду электрона. Р-п-переходом называют границу областей с преобладанием положительных (Positive) дырок и отрицательных (Negative) электронов. Р-п-переход обладает односторонней проводимостью, поэтому диоды - устройства с одним р-п-переходом, применяемые для выпрямления электрического тока, на ывают также вентилями.
При встрече свободного электрона с дыркой они рекомбинируют, и их движение прекращается. При рекомбинации электрона и дырки выделяется энергия и может происходить и лучение света. В светодиодах и полупроводниковых ла ерах со даются условия для высокой вероятности рекомбинации и получения начительного выхода световой энергии. Ряд материалов, исполь- уемых для генерации света в видимой и инфракрасной областях спектра, представлены в табл. 10.1. Наиболее часто они построены на основе арсенида галлия GaAs.
Таблица 10.1
|
Спектры и лучения выпускаемых промышленно светодиодов пока аны на рис.10.1. Спектры излучения двух используемых в работе светодиодов пока- аны на рис. 10.2.
| р' |
| Z | 1Л |
|
|
|
| LTJ СО | Рч | цЛ lCi | ы> |
| 1*9 |
|
г | а Он |_Г: а-’ | хп ■го о я | сп‘ ей 1Л о | rt 1 о < 1-0 | о п Ы | < < |
|
(X О- | to < | Ufa V а | ЕО с | О | А- | со 1=7 | < |
cd -я |
| « |
| ■ЕЧ | СЭ | пЗ |
|
о | а | О | а | а | О | О |
О |
|
|
|
| ; |
|
|
|
|
| (з: |
| _о |
|
|
|
|
|
|
|
| з: | ||
|
| ! X |
|
|
| 3. | ГТ5 |
ев | >яг | ;<IS |
| ■=: | и» | Га! | О- |
О |
| с; |
| ап |
| <L> | О |
► Ч | X U- | ш | w |
| п f о | г: CD | * X | а 3= |
о | 1 03 |
| i~ | Я |
| о | |
|
| X | Г? |
|
| сх | rt |
■е |
| з: О |
| Qi * |
| о | еь. ч |
Рис. 10.1. Спектры излучения наиболее распространенных светодиодов [10,Т.3]
2. Вентильный фотоэффект в полупроводниках
Облучение светом поверхности полупроводникового материала вызывает два вида фотоэффекта: внешний и внутренний (см. также работу 3.11). При внешнем фотоэффекте, называемом также фотоэлектронной эмиссией, электроны вылетают с освещенной поверхности. Внутренний фотоэффект - вырывание электрона из атома или молекулы наз ывают фотоиониз ацией. Такой процесс в твердых телах приводит к возникновению в них свободных носителей
Дата добавления: 2015-11-04; просмотров: 16 | Нарушение авторских прав
<== предыдущая лекция | | | следующая лекция ==> |