Лабораторная работа «Определение интегральной степени черноты металлических проводников»

МИНИСТЕРСТВО И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ
ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное бюджетное образовательное
учреждение высшего образования
«Тюменский индустриальный университет»
ИНСТИТУТ СЕРВИСА И ОТРАСЛЕВОГО УПРАВЛЕНИЯ
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА
«Определение интегральной степени черноты металлических проводников»
по дисциплине «Физика»
Выполнил: студент группы БТПбз-18-1
Салиндер Д.К.
Номер зачетной книжки 18-01-002794
Проверила: Паутова Л.В.
Тюмень, 2020
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 6-4
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СТЕПЕНИ ЧЕРНОТЫ
МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПРОВОДНИКОВ
Цель работы:
Изучение законов теплового излучения и основ оптической пирометрии.
Содержание работы:
Ознакомление с устройством яркостного пирометра, дистанционное
измерение температуры вольфрамовой нити накаливания электрической лампы,
определение степени черноты.
Оборудование: Амперметр, вольтметр, пирометр, лампа накаливания.
СХЕМА И ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОНОЙ УСТАНОВКИ
Рис. 3. Устройства пирометра
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Записываем в табл. 1 диаметр и длину нити лампы накаливания ЛН1.
2. Включаем установку в сеть. Регулируя на нити лампы накаливания
потенциометром, доводим её до раскалённого состояния.
3. Измеряем ток и напряжение на лампе накаливания. Результаты заносим в
табл. 1.
4. Направляем пирометр на нить лампы накаливания и поворотом кольца
реостата R пирометра доводим яркость пирометрической нити ЛН2 до
яркости изображения нити лампы ЛН1(рис. 4).
5. Отсчитываем температуру в градусах Цельсия по шкале пирометра и
заносим результат измерения в табл. 1.
6. Измеряем накал лампы ЛН1. Производим измерения при новом накале
(пп. 3-5). Затем ещё раз изменяем накал лампы и ещё раз производим
измерения, занося результаты в табл. 1.
Таблица 1
Лампа накаливания: диаметр нити d = 0,15мм; её длина L=30мм
№ п/п
I, A
U, B
T, K
T, ℃
𝛼̅
Ti
1
2,6
1,8
951
1224
0,8
1,06
2
2,7
1,9
1001
1274
1,9
3
2,9
2,1
1160
1433
0,5
1. Переводим измеренные значения температуры из градусов Цельсия в
Кельвины:
Т14=12244=2241010
T24=10014=1001010
T34=14334=4211010
2. Рассчитываем значения интегральной степени черноты Тi материала нити
лампы накаливания по формуле:
𝛼Т =
𝛽∙Ι∙U
𝜋 ⋅ 𝑑 ∙ 𝐿 ∙ 𝜎 ∙ 𝑇4
, где
 = 5,6710-8 Вт/(м2К4) – постоянная Стефана-Больцмана.
Доля мощности, которая идёт на излучение  = 0,6.
Переведем значения диаметра длины и нити в метры d = 1,510-4 м; L = 3010-3м
Рассчитаем значения амперметра, цена деления которого составляет 0,5:
I1 = 2,60,5 = 1,3 A
I2 = 2,70,5 = 1,35 A
I3 = 2,90,5 = 1,45 A
0,6 ∙1,3 ∙ 1,8
𝛼Т1 = 3,14 ∙1,5 ∙10−4 ∙30 ∙ 10−3 ∙5,67 ∙10−8 ∙ 224 ∙1010 =
0,6 ∙1,35 ∙ 1,9
𝛼Т2 = 3,14 ∙1,5 ∙10−4 ∙30 ∙ 10−3 ∙5,67 ∙10−8 ∙ 100 ∙1010 =
0,6 ∙1,45 ∙ 2,1
𝛼Т3 = 3,14 ∙1,5 ∙10−4 ∙30 ∙ 10−3 ∙5,67 ∙10−8 ∙ 421 ∙1010 =
1,404
1,7
1,539
0,8
1,827
3,3
= 0,8
= 1,9
= 0,5
3. Найдём среднее значение интегральной степени черноты 𝛼̅ материала
нити лампы накаливания:
𝛼̅ =
0,8+1,9+0,5
3
= 1,06
Вывод: Изучены законы теплового излучения и основ оптической
пирометрии, вычислена интегральная степень черноты = 1,06 на основе
этого сделан вывод, что поглощательная способность тел больше 1.
КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ
1. Какое излучение называется тепловым?
Электромагнитное излучение, возникающее за счет внутренней энергии
излучающего тела и зависящее только от температуры и оптических
свойств этого тела, называется тепловым излучением.
2. Какое тело называют абсолютно черным?
Тело называется абсолютно черным, если оно поглощает всё падающее на
него излучение.
3. Что такое интегральная степень черноты?
Интегральная степень черноты 𝛼Т определяется как отношение
энергетической светимости излучения реального тела к энергетической
светимости абсолютно черного тела, взятых при одной и той же
температуре T.
4. Назовите характеристики теплового излучения.
Характеристики теплового излучения:
- поток излучения Ф;
- мощность потока P;
- энергетическая светимость RT;
- спектральная плотность энергетической светимости r.
5. Сформулируйте законы теплового излучения. Поясните графиком.
Закон Кирхгофа. Отношение спектральной плотности энергетической
светимости тела к его поглощательной способности не зависит от природы
тела и является для всех тел одной и той же( универсальной) функцией
длины волны и температуры:
𝑟𝜆𝑇
𝑎𝜆𝑇
= (,T)
Закон Стефана-Больцмана. Энергетическая светимость абсолютно черного
тела пропорциональна четвертой степени его температуры:
RT σT
Постоянная 5.7 108 Вт/(м2К4) носит название постоянной̆ СтефанаБольцмана.
Первый закон Вина. Длина волны λm, на которую приходится максимум
спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного
тела, обратно пропорционален абсолютной температуре тела:
𝜆𝑚 =
𝑏1
𝑇
где 𝑏1 = 2,9∙10–3 м∙К ― первая постоянная Вина.
Второй закон Вина. Максимальная спектральная плотность энергетической
светимости абсолютно черного тела пропорциональна пятой степени его
температуры:
(rλ)max b2T5
где b2 = 1,29∙10–5 Вт/(м2∙К5) ― вторая постоянная Вина.
6. Что такое спектральная плотность энергетической светимости тела?
Спектральная плотность энергетической светимости тела ― это
отношение энергетической светимости dR, взятой в бесконечно малом
интервале длин волн dλ, к величине dλ:
𝑑𝑅
𝑟𝜆 = 𝑑𝜆
7. Сформулируйте закон Кирхгофа.
Закон Кирхгофа утверждает, что отношение излучательной способности
тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и является
универсальной функцией длины волны и температуры:
𝑟𝜆𝑇
𝑎𝜆𝑇
= (,T)
8. Как меняется функция распределения φ(λ,T) при повышении
температуры?
Энергетическая светимость возрастёт с температурой.
9. Сформулируйте закон смещения Вина.
Закон смещения Вина: длина волны на которую приходится максимум
энергии в спектре равновесного излучения, обратно пропорциональна
абсолютной температуре излучающего тела:
𝜆𝑚 =
𝑏1
𝑇
10. Какую температуру называют яркостной температурой?
Температуру, измеренную бесконтактным способом с использованием
законов теплового излучения.