Краткая теория и описание рабочей установки

Тепловым излучением называется электромагнитное излучение испускаемое веществом и возникающее за счет изменения его внутренней энергии, в отличие от люминесценции, которая возбуждается внешними источниками энергии. Тепловое излучение имеет сплошной спектр с максимумом интенсивности при некоторой длине волны. С повышением температуры возрастает общая энергия испускаемого теплового излучения, а максимум перемещается в область малых длин волн.

Поток энергии теплового излучения, уходящей с единичной площадки поверхности излучающего тела в телесный угол 2π во всем интервале частот, называют энергетической светимостью Re. Отношение энергетической светимости в некотором узком интервале частот к ширине этого интервала dω называют спектральной плотностью энергетической светимости имеет вид:

Отношение потока энергии , поглощаемой элементарной площадкой поверхности тела, к потоку энергии , падающей на эту площадку, в интервале частот , взятом в окрестности ω, называют коэффициентом поглощения :

Закон Кирхгофа:

При тело называют черным, для такого тела:

Частотный спектр излучения абсолютно черного тела имеет характерный максимум, который сдвигается при повышении температуры в коротковолновую часть спектра теплового излучения. Впервые спектр теплового излучения описал М. Планк, которым для функции была получена формула, носящая теперь его имя:

Здесь ħ=1,054· Дж·с – постоянная Планка, k – постоянная Больцмана.

Энергетическую светимость абсолютно черного тела можно найти интегрированием
по частоте:

Или

Это соотношение составляет содержание закона Стефана –Больцмана, константу σ называют постоянной Стефана-Больцмана.

Приборы, которые по закономерностям теплового излучения позволяют измерять температуру нагретого тела, называют пирометрами. Так, в пирометрах с исчезающей нитью измерения температуры объекта и эталонного источника (нити специальной лампы). В фотоэлектрических пирометрах эти измерения проводят с помощью фотоприемника, преобразующего энергию теплового излучения в электрический сигнал. Фотоэлектрические пирометры обычно содержат оптическую систему, фокусирующую излучение измеряемого объекта на фотоприемник, усилитель и индикаторный прибор. К неселективным фотоприемникам, чувствительность которых не зависит от длины волны излучения, относятся так называемые «тепловые» фотоприемники, в которых энергия излучения превращается в теплоту и обусловливает возникновение термо-ЭДС (термоэлементы), изменение сопротивления (болометры), пьезо-ЭДС (пироэлектрики).

Экспериментальная установка состоит из пирометра и излучателя – модели абсолютно черного тела.

Объектив 3 установлен в конической плоскости 4, в вершине которой расположен неселективный фотоприемник 5. Фотоприемник через предварительный усилитель 6 подключен к вольтметру 7. Температура полости стабилизируется электронной системой 8. Внутренняя поверхность полости зачерчена.

Перед объективом установлен врщающийся оптический модулятор 9 - диск с полированными лопастями, приводимый во вращение двигателем 10. В поле зрения пирометра размещена модель абсолютно черного тела 2, температура внутренних стенок которой контролируется прибором 1, а степень нагрева регулируется системой 11, снабженной переключателем «нагрев абсолютно черного тела» 12.

При открытом положении лопастей модуляторы разностный лучистый поток между абсолютно черным телом и фотоприемником составляет:

При закрытом положении модулятора на фотоприемник попадает отраженное лопастью излучение конической полости с температурой , и выражение
принимает вид:

Таким образом, при вращении модулятора на фотоприемнике возникает переменный электрический сигнал, двойная амплитуда которого пропорциональна разности потоков энергии и :

Где γ – коэффициент преобразования фотоприемником энергии излучения в электрический сигнал.

Модель абсолютно черного тела – закрытая термоизолированная печь с отверстием на передней стенке. В ее состав входят нагревательное устройство, термопара для измерения температуры печи, регулируемый источник питания для разогрева печи до температуры 800˚ и регулирования скорости нагревания и вентилятор.

Измерительное устройство имеет аналогово-цифровые преобразователи с индикацией термо-ЭДС термостолбика в милливольтах и температуры печи в градусах Цельсия.

Снимается зависимость изменения термо-ЭДС от температуры печи при фиксированном расстоянии между термостобиком и выходным отверстием печи.

Дата добавления: 2015-12-07