Теория метода. Блок-схема лабораторной установки для изучения законов теплового излучения представлена на рис.2

Блок-схема лабораторной установки для изучения законов теплового излучения представлена на рис.2. Установка состоит из источника теплового излучения 1 (нихромовой спирали в форме цилиндра); механического модулятора светового потока, включающего в себя 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.2. Схема лабораторной установки

Конструктивно установка выполнена в виде единого прибора, состоящего из оптико-механического блока, расположенного в левой части прибора 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 (по направлению стрелки!) до щелчка, означающего фиксацию положения фильтра. При этом номер установленного фильтра появляется в прямоугольном окне на верхней поверхности прозрачной крышки.

Включение лабораторной установки в сеть переменного тока производится нажатием кнопки СЕТЬ. В отжатом положении данной кнопки установка отключается от сети переменного тока.

Для подключения излучателя к источнику тока нажимается одна из кнопок Т3, Т2, или Т1. При нажатии одной из этих кнопок устанавливается определенная температура нагрева спирали излучателя, что фиксируется свечением одного из светодиодов на лицевой панели.

Замечание. Кнопки Т3, Т2, Т1 и необходимо включать последовательно друг за другом. Не допускается одновременное нажатие более одной кнопки! Это может привести к неисправности лабораторной установки.

В нажатом положении кнопки МОДУЛЯТОР на электродвигатель подается напряжение. Это приводит во вращение обтюратор, посредством которого осуществляется модуляция светового потока.

При нажатии кнопки ДИАПАЗОН показания цифрового индикатора следует увеличить в 3 раза.

Рассмотрим физические принципы работы лабораторной установки.

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

Интерференционные фильтры позволяют выделить из падающего потока излучения энергию, приходящуюся на узкий спектральный диапазон. Полуширина полосы пропускания применяемых в работе интерференционных фильтров не превышает 2% от длины волны максимума пропускания. Это позволяет использовать такой фильтр для измерения испускательной способности нагретого тела в узком интервале длин волн. Применяя набор интерференционных фильтров с различными длинами волн, соответствующими максимумам полос пропускания, можно построить по результатам измерения e_l,Т спектральную кривую излучения нагретого тела. В лабораторной установке применяются семь инфракрасных узкополосных фильтров. В табл. 1 указаны номера фильтров и соответствующие им длины волн максимумов пропускания.

Таблица 1

Излучение нагретого тела, отражаясь от сферического зеркала, попадает на фотоприемник, который обладает практически одинаковой чувствительностью в диапазоне длин волн 2 – 20 мкм. Величина сигнала на выходе фотоприемника пропорциональна величине светового потока, а, следовательно, и величине испускательной способности нагретого тела. Таким образом, показания цифрового индикатора вольтметра, выраженные в вольтах, пропорциональны величине e_l,Т.

Нихромовый излучатель можно считать серым телом, так как его поглощательная способность практически не зависит от длины волны падающего на него излучателя. Вследствие этого, форма кривой e_l (Т = const), в нашем случае u_l, должна повторять форму кривой испускательной способности абсолютно черного тела.

Построение кривых u_l, выполненное для различных температур нагрева спирали излучателя, позволяет осуществить проверку закона смещения Вина и закона Стефана-Больцмана.

Из экспериментальных кривых u_l определяют длины волн, соответствующие максимумам кривых. Используя закон Вина, рассчитывают температуру излучателя по формуле:

(17)

где b – постоянная Вина, и сравнивают полученное значение температуры с заданным в лабораторной установке.

Для проверки закона Стефана-Больцмана необходимо определить интегральную испускательную способность нагретого тела. С этой целью измеряется пропорциональная e_Т величина – напряжение на фотоприемнике при освещении его чувствительной площадки излучением широкого спектрального диапазона. Для этого вместо узкополосного фильтра устанавливается нейтральный ослабитель. Выполнение соотношения

(18)

подтверждает справедливость закона Стефана-Больцмана.