Закон Ампера Земной магнетизм Проверка второго закона Ньютона Изучить затухающие колебания Интерференция света Естественный и поляризованный свет Оптическая пирометрия Внешний фотоэффект Изучение цепи переменного тока

Курс лекций и лабораторных по физике

Оптическая пирометрия

Для измерения температуры раскаленных, а также самосветящихся тел, удаленных от наблюдателя (например, звезд), используются методы оптической пирометрии. Приборы для измерения температуры нагретых тел по интенсивно­сти их теплового излучения в оптическом диапазоне спектра называют пирометрами. Принцип действия этих приборов основан на использовании зависимости испускательной способности и энергетической светимости тел от температуры. В зависимости от того, какой закон теплового излучения используется при измере­нии температуры тел, различают радиационный, цветовой и яркостный методы.

Рис. 3

Радиационный метод основан на использовании закона Стефана -Больцмана. На рис. 3 приведена схема радиационного пирометра. При измерениях температуры прибор наводят на более или менее отдаленный источник света S при помощи объектива Об, позволяющего получать четкое изображение этого источника на приемнике Пр. (В данном случае источником света S служит лампа, питающаяся от трансформатора Тр). Резкость изображения контролируется при помощи окуляра Ок. В качестве приемника в радиационных пирометрах приме­няются термопары с поглощательной способностью аvT, близкой к единице. Один спай термопары нагревается за счет энергии, поступающей от источника S, другой выведен на внешнюю часть прибора и находится при комнатной темпера­туре. Температура нагрева приемника и термоток в цепи термопары, измеряемый гальванометром С, зависят от энергетической светимости Rэ исследуемого тела.

Шкала G градуируется как температурная по излучению абсолютно черного тела. Поэтому для произвольного излучателя пирометр позволяет определить лишь так называемую радиационную температуру Трад, при которой энергети­ческая светимость абсолютно черного тела R*э(Трад) равна энергетической свети­мости Rэ исследуемого тела при его истинной температуре Т

R*э(Трад) = Rэ(Т) (13)

Найдем связь между радиационной температурой нечерного тела и его истинной температурой. Обозначим через ест отношение энергетических светимостей данного тела Rэ и абсолютно черного тела R*э, взятых при одной и той же температуре. Тогда

Rэ(Т) = αT R*э(Т) (14) 

 или

 R*э(Трад) = αT R*э(Т) (15)

С учетом закона Стефана-Больцмана уравнение (15) можно представить в виде

σT4 рад = αT σT4 (16)

Из уравнения (16) следует связь между истинной Т и радиационной Трад температурами тела

  (17)

Так как для нечерных тел αT < 1, истинная температура тела всегда больше ра­диационной. Величину αT для различных веществ можно найти в специальных справочниках.

2. Цветовой метод основан на использовании закона смещения Вина (рис. 5):

λm = b/T (5)

Этот закон применим не только к абсолютно черным, но и к серым телам, так как распределение энергии в спектре излучения серого тела такое же, как и в спектре черного тела, имеющего ту же температуру. Длину волны λm , на которую прихо­дится максимум испускательной способности серого тела, определяют из спек­тральной характеристики исследуемого тела. Найденная таким образом температура называется цветовой, Тцв. Для серых тел цветовая температура совпадает с истинной. Для тел, сильно отличающихся от серых, понятие цветовой температуры теряет смысл. С помощью цветового метода определяют температуру на поверхности Солнца (Тцв = 6500 К) и звезд.

3. Яркостный метод основан на зависимости энергетической светимости абсолютно черного тела от температуры (формула (3)). В качестве яркостного пи­рометра обычно используется пирометр с исчезающей нитью. В основу дейст­вия этого прибора положено сравнение и уравнивание яркости излучения нагре­того тела с яркостью откалиброванной нити пирометра в узком спектральном ин­тервале (определение понятия яркости см. [3]).

Схема пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. 4. Прибор представляет собой зрительную трубу с подвижными (для регулировки четкости изо­бражения) объективом Об и окуляром Ок. Внутри трубы имеются эталонная лам­па накаливания Л с дугообразной нитью, расположенной в плоскости изображе­ния исследуемого тела, а также серый светофильтр Ф; и темно-красный фильтр Ф1 (λ = 660 нм), которые можно сдвигать при настройке пирометра. В окуляре Ок одновременно наблюдается изображение исследуемого тела S и нить лампы Л. Поглощательная способность аvT материала нити лампы Л близка к единице.

 Рис. 4

Регулируя ток накала нити Л с помощью реостата К, мы можем добиться того, что нить перестанет быть видимой, исчезнет на фоне нагретого тела. Это будет иметь место, когда яркости тела и нити для используемой длины волны сравняются. Шкалу гальванометра G предварительно градуируют по абсолютно черному телу, нанося на деления шкалы соответствующие значения температуры.

При одинаковой температуре и определенной длине волны нечерные тела имеют меньшую яркость, чем абсолютно черные. Для таких тел яркостный пиро­метр измеряет так называемую яркостную температуру Тярк , при которой яр­кость абсолютно черного тела Л (при введенном светофильтре Ф2) равна яркости исследуемого тела S при истинной температуре Т. Очевидно, что истинная темпе­ратура тела Т > Тярк Разность между Т и Тярк зависит от длины волны и температу­ры, и ее значение для различных веществ можно найти в справочниках.

Лабораторная работа 313

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПОСТОЯННОЙ СТЕФАНА-БОЛЬЦМАНА С ПОМОЩЬЮ ОПТИЧЕСКОГО ПИРОМЕТРА С ИСЧЕЗАЮЩЕЙ НИТЬЮ ТИПА ОППИР-09

Цель работы - ознакомиться с законами теплового излучения, изучить ра­боту оптического пирометра, измерить с его помощью температуру нагретого те­ла, определить величину постоянной Стефана-Больцмана.

Принципиальная схема оптического пирометра с исчезающей нитью приведена на рис. 4. Исследуемым телом S служит нить кинолампы при разных значениях подводимой к ней мощности.

При температуре окружающей среды Т0 энергетическая светимость нити может быть выражена формулой (4);

RTo = σTo4

 При пропускании электрического тока через кинолампу температура нити повысится до Т. При этом энергетическая светимость станет равной

RT = σT4

 Из определения энергетической светимости (с.З) следует, что мощность, затрачиваемая на поддержание температуры Т нити в среде с температурой Т0 равна (RT - RTo)S, где S- площадь поверхности излучения нити кинолампы. При высокой температуре эта мощность будет равна мощности тока накала и может быть определена по показаниям вольтметра 5 и амперметра 6 (рис.6):

(RT - RTo)S = IU,

или

σ(To - To4)S = IU

где I - сила тока в кинолампе; U - падение напряжения на кинолампе. Отсюда 

  (23)

Поскольку температура накала Т нити кинолампы в несколько раз превышает температуру Т0 окружающей среды, формулу (23) можно представить в виде

  (24)

Описание установки

Общий вид установки для измерения температуры тела оптическим пирометром представлен на рис. 6, где 1 - пирометр типа ОППИР-09; 2 – блок питания эталонной лампы накаливания Л пирометра (см. рис. 4); 3 - кинолампа, нить которой служит исследуемым телом; 4 - автотрансформатор ЛАТР, питающий кинолампу; 5 - вольтметр, измеряющий напряжение U, подаваемое на кинолампу; 6 - амперметр для измерения тока накала I кинолампы; 7 – рифленое кольцо; 8 - шкала измерительного гальванометра G, вмонтированного внутрь пирометра; 9 - оправа окуляра; 10 - ручка красного светофильтра Ф2 ; 11 -объектив.

 В корпус пирометра вмонтирован реостат, регулирующий силу тока в цепи эталонной нити накаливания. Движок реостата в виде рифленого кольца 7 расположен на передней стенке корпуса. Ток накаливания увеличивается поворотом этого кольца по часовой стрелке.

 Рис. 5

Шкала 8 измерительного гальванометра G проградуирована в градусах Цельсия. Температуры ниже 1200°С измеряют по верхней шкале гальванометра. Температуры выше 1200°С измеряют по нижней шкале, предварительно введя в поле зрения серый светофильтр Ф1; (см, рис. 4) с помощью накатанной головки, расположенной на корпусе гальванометра позади шкалы. Светофильтр введен, если белая указательная точка на головке совпадает с индексом «20» на корпусе;

светофильтр не введен, если индекс и точка смещены на 1/4 оборота. Красный светофильтр Ф2 расположен в оправе окуляра 9.

Порядок выполнения работы

1. Включить ЛАТР в сеть 127 В, предварительно установив указатель рукоятки ЛАТРа на нулевую отметку.

2. Вывести оба светофильтра пирометра для удобства фокусировки.

3. Вращением кольца реостата 7 пирометра довести накал эталонной нити пирометра примерно до 1000°С (по шкале 8). При этом в окуляре 9 должна наблюдаться раскаленная дугообразная нить пирометра.

4. Продольным перемещением окуляра сфокусировать нить так, чтобы она была отчетливо видна в поле зрения окуляра.

5. Постепенно вращая рукоятку ЛАТРа по часовой стрелке, довести нить кинолампы до красного накала.

6. Направить пирометр на кинолампу и продольным перемещением объектива 11 добиться четкого изображения спирали кинолампы. Обе нити должны быть четко видны в окуляр. Расстояние между пирометром и кинолампой должно составлять примерно 50 см.

7. Рукояткой ЛАТРа установить напряжение на кинолампе равным 20 В.

8. Вращая кольцо реостата 7 пирометра при введенном красном свето­фильтре Ф2 добиться полного исчезновения эталонной нити накаливания на фоне изображения нити кинолампы. Этот опыт повторить несколько раз, подходя к этому положению поочередно от большей яркости, когда эталонная нить кажется светлой на темном фоне, и от меньшей яркости, когда эталонная нить кажется темной на светлом фоне.

9. Отсчитать по верхней шкале 8 прибора значение яркостной температуры tярк нити кинолампы, перевести это значение в градусы Кельвина (Тярк ) и по графику на лабораторном столе или на рис. 7 определить температуру Т.

10. Полученные значения температур и соответствующие показания вольтметра 5 и амперметра 6 занести в табл. 2.

11. Измерить температуру Т при напряжениях 30 и 40 В, следуя указаниям в пунктах 8-10.

12. После измерений повернуть кольцо реостата пирометра против часовой стрелки до упора и отключить ЛАТР от сети.

13. По формуле (24) подсчитать величину постоянной Стефана-Больцмана для каждого отсчета температуры (S = 1,4 •10-4 м2).

 

Рис.7

По окончании вычислений произвести оценку ошибок полученных результатов для постоянной Стефана - Больцмана о", по следующей схеме:

1. Вычислить среднее арифметическое значение измеряемой величины:

где п -число измерений.

2. Найти остаточные ошибки отдельных измерений:

3. Вычислить среднюю квадратичную ошибку среднего значения;

 

4. При заданной доверительной вероятности δ = 0,95 по таблице Стьюдента найти коэффициент Стьюдента для п измерений, tδ(п).

5. Оценить границы доверительного интервала результата измерений:

 

6. Вычислить относительную погрешность:

 

7. Окончательный результат записать в виде

8. Сравнить полученное значение постоянной Стефана - Больцмана   с табличным σT = 5,7*10-8 Вт/(м2*К4)

 

Порядок выполнения работы

1.Снятие вольтамперной характеристики полупроводникового диода.

Ознакомьтесь со схемой лабораторного стенда (рис. 5). Напряжение на исследуемый диод подается с потенциометра, имеющего среднюю точку. В среднем положении движка потенциометра напряжение на диоде отсутствует. При вращении ручки вправо на диод поступает прямое (отпирающее) напряжение, при вращении ручки влево обратное (запирающее). Для измерения напряжения на диоде и тока, проходящего через диод, служат измерительные приборы стенда.

Подключив стенд к источнику питания (12 В) и изменяя величину приложенного напряжения, измерьте ток через диод. Измерения проводят сначала для прямого направления тока, затем для обратного. Для каждого случая снимают по 5-6 точек (таблица 1), получая вольтамперную характеристику данного полупроводникового диода (рис. 2). По этой характеристике находят дифференциальное сопротивление дида  при различных напряжениях и строят график зависимости дифференциального сопротивления диода от напряжения. В качестве приращений напряжения ΔU и тока ΔI следует брать разность значений, измеренных в соседних точках.

Таблица 1

Напряжение U, В

-5,0

-4,0

-3,0

-2,0

-1,0

0

+1,0

+2,0

+3,0

+4,0

+5,0

Ток диода I, mA

Сопротивление

R, Ом

2. Снятие характеристик транзисторов.

Ознакомьтесь со схемой лабораторного стенда (рис. 6), назначением приборов и ручек управления. Транзистор в стенде включен по схеме с общим эмиттером, обычно используемой в усилительных каскадах. Здесь эмиттер является общим электродом для входной цепи (цепи базы) и выходной цепи (цепи коллектора), откуда схема и получила свое название. Ток коллектора в этой схеме в несколько десятков, или даже сотен раз (в зависимости от параметра h21Э транзистора) превосходит ток базы, что и обеспечивает усиление по току слабого сигнала, подведенного к цепи базы.

Рис. 6. Схема лабораторного стенда "Транзистор"

Поверните обе ручки управления до упора против часовой стрелки и включите питание, строго соблюдая указанную полярность.

Установите потенциометром R1 нулевой ток базы, и, изменяя напряжение коллектора потенциометром RЗ, измеряйте значения коллекторного тока. Результаты запишите в таблицу 2.

Такие же измерения проделайте для токов базы 20 мкА, 40 мкА, 60 мкА, 100 мкА, 150 мкА, 200 мкА.

По данным таблицы 2 постройте графики зависимостей IК(UК) при

разных значениях IБ и графики зависимостей IK(IБ) при разных значениях UК (см. рис. 4). По этим графикам определите значение коэффициента передачи тока h21Э при UК = 5 В и IК= 10мА. По определению .

Пример определения h21Э дан на рис. 7.

Проводя вертикальную штриховую линию, при UК = 5 В находят токи базы, при которых ток коллектора близок к 10 мА. В данном примере это IБ2 и IБ3. Далее проводят горизонтальные штриховые линии и находят соответствующие IК2 и IК3.

Коэффициент передачи тока находят по формуле  где все токи должны быть выражены в одних и тех же единицах, например, в мА.

Таблица 2

Ток базы

IБ, мкА

Напряжение коллектора UК, В

0,25

0,5

0,75

1

3

5

7

10

0

20

40

….

Ток коллектора IК, мА

Контрольные вопросы

Объясните выпрямляющее действие полупроводникового диода.

Объясните усилительные действия транзистора.

Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику диода.

Нарисуйте и объясните вольт-амперную характеристику прямой передачи тока транзистора.

Объясните назначение резистора R2 в цепи базы транзистора (рис. 6).

Как определить коэффициент передачи тока транзистора h21Э?

Законы теплового излучения

В работе применяется простейшая дифракционная решетка прозрачного типа. На плоскую стеклянную поверхность нанесены штрихи одинаковой формы

Изучить возникновение внутренних напряжений в деформированных аморфных телах методом интерференции поляризованных лучей.

 Метод анализа, основанный на сравнении интенсивности окрасок исследуемого и стандартного растворов, называется калориметрическим. В основе его лежит закон Бугера-Ламберта-Беера


Курс лекций и лабораторных по физике