Описание лабораторной установки

Законы теплового излучения тела могут быть проверены экспериментально с помощью лабораторной установки (см. схему рис.3). Лабораторная установка состоит из источника теплового излучения 1 (нихромовая спираль в форме цилиндра); механического модулятора светового потока, включающего обтюратор 2 и электродвигатель 3; набора оптических инфракрасных фильтров 4; сферического зеркала 5; пироэлектрического приемника излучения 6; электронного блока обработки сигнала фотоприемника с цифровым вольтметром 7 и блока питания 8.

Рис. 3. Схема лабораторной установки

Конструктивно установка выполнена в виде единого прибора, состоящего из оптико-механического блока, расположенного, расположенного в левой части под прозрачной крышкой, и электронного блока в правой части. Смена оптических фильтров осуществляется поворотом барабана с фильтрами на фиксированный угол с помощью рукоятки, расположенной над крышкой. Поворот следует производить плавно до щелчка, означающего фиксацию положения фильтра. При этом номер установленного фильтра индицируется в прямоугольном окне на верхней поверхности прозрачной крышки.

Функциональные назначения кнопок управления режимами работы электронного блока следующие: в нажатом (отжатом) положении кнопки СЕТЬ установка подключена (отключена) к (от) сети переменного тока напряжением 220 В и частотой 50 Гц;

- в нажатом положении одной из кнопок Т1, Т2 или Т3 излучатель подключен к источнику тока, определяющему температуру нагрева спирали, при этом загорается один из светодиодов.

Внимание! Не допускается одновременное нажатие любых двух кнопок из Т1, Т2, Т3;

- в нажатом положении кнопки МОДУЛЯТОР подается напряжение на электродвигатель, и вращением обтюратора осуществляется модуляция светового потока;

- в нажатом положении кнопки ДИАПАЗОН показания цифрового индикатора следует увеличить в 3 раза.

Поток излучения от нихромовой спирали модулируется во времени, проходит через оптический фильтр и отражаясь от сферического зеркала, падает на фотоприемник. Модуляция потока осуществляется с целью устранения фоновых засветок, уменьшения влияния внутренних шумов фотоприемника и электронных схем, а также для эффективной обработки полезного сигнала.

Оптический узкополосный фильтр позволяет выделить из падающего потока излучения энергию узкого спектрального интервала. Спектр пропускания такого фильтра приведен на рис. 4.

Рис. 4. Спектр пропускания оптического инфракрасного узкополосного фильтра (t – коэффициент пропускания; λ_max – длина волны, на которой фильтр имеет максимальное пропускание (t_max)).

Ширина спектра пропускания фильтра на полувысоте ∆λ(0,5t_max) = (2÷2.5)%∙λ_max что позволяет использовать такой фильтр для измерения средней величины монохроматической испускательной способности R(λ,T) в очень узком интервале длин волн. Применив набор фильтров с различными λ_max, можно построить по результатам измерений R(λ,T) спектральную кривую излучения нагретого тела. В установке применяются семь инфракрасных узкополосных фильтров. В таблице 1 указаны величины λ_max, соответствующие номерам фильтров.

Таблица 1

№ фильтра
λ_max, мкм	2,1	2,5	3,2	3,9	4,5	6,2	8,5

Сферическое зеркало фокусирует спектральное излучение с поверхности нагретого тела на рабочую площадку фотоприемника. Приемник обладает практически равной чувствительностью в диапазоне длин волн 2–20 мкм. Величина напряжения сигнала на выходе фотоприемника пропорциональна величине падающего на фотоприемник светового потока Φ(λ,Т), а значит и R(λ,T), т.к. Φ(λ,Т) = R(λ,Т)·S, где S – площадь излучаемой поверхности.

Таким образом, показания цифрового индикатора вольтметра, выражаемые в вольтах, пропорциональны величине спектральной плотности энергетической светимости. В данной работе измеряется не абсолютное значение R(λ,Т), а величина напряжения U_R(λ,Т), пропорциональная R(λ,Т).

Нихромовый излучатель можно считать серым телом, т.к. спектральный коэффициент излучения слабо зависит от длины волны. Поэтому, форма кривой R(λ)(λ,Т = const) или в нашем случае U_R(λ,Т = const) в относительных координатах должна практически совпадать с формой кривой, описываемой функцией Планка при той же температуре для АЧТ.

Построив кривые U_R (λ,Т = const) для различных температур, можно осуществить проверку выполнения основных законов теплового излучения: закона Стефана-Больцмана, закона смещения Вина и экспериментальное определение постоянной Планка. Во всех этих случаях необходимо построить экспериментальные кривые U_R (λ,Т = const).

Задание 1. Экспериментальная проверка закона

Стефана – Больцмана

Цель работы: изучить основные закономерности теплового излучения;

проверить выполнение закона Стефана-Больцмана.

Интегральную испускательную способность АЧТ можно получить, проинтегрировав выражение (1) по длинам волн в интервале от 0 до :

. (4)

Произведем замену переменной. Обозначим через , тогда подстановка и приводит выражение (4) к виду

, (5)

где . Так как , то

. (6)

Интегральную характеристику R_T называют также энергетической светимостью АЧТ. Как видим, величина s (постоянная Стефана-Больцмана) выражается через постоянные величины c, h, k. Размерность [s] = Вт/(м².К⁴).