Физика
Оптика
Общая характеристика световых явлений.
Фотометрия и светотехника.
Основные законы геометрической оптики.
Применение отражения и преломления света для получения изображения.
Оптические системы и их погрешности.
Оптические приборы.
Интерференция света.
Дифракция света.
Физические принципы оптической голографии.
Поляризация света и поперечность световых волн.
Шкала электромагнитных волн.
Спектры и спектральные закономерности.
Действия света на вещество.
Википедия
Физика
Физика - это область естествознания, наука. Она изучает самые общие и фундаментальные закономерности, которые определяют структуру и эволюцию материальн... читать далее »
Статьи по Физике
19.10.2009 00:00

Излучение накаленных тел. Абсолютно черное тело. . Физика.

Излучение накаленных тел. Абсолютно черное тело.

Сформулированный выше закон Кирхгофа представляет частный случай более общего закона Кирхгофа, согласно которому испускательная способность нагретых тел пропорциональна их поглощательной способности при той же температуре. Так, например, нагрев до одной и той же температуры пластинки металла, окрашенные белой и черной краской, мы обнаружим, что черная пластинка излучает с каждого квадратного сантиметра больше, чем белая. В удобной форме этот опыт можно выполнить, налив горячую воду в жестяный куб, одни грани которого окрашены в черный, а другие в белый цвет. Различие в излучении можно установить, приближая к этим граням руку или щеку, или используя какой-нибудь более удобный приемник тепла, например газовый термометр. Сделав резервуар этого термометра в виде плоской коробки, одна поверхность которой выкрашена в черный, а другая в белый цвет, мы может на том же приборе убедиться, что черная поверхность лучше поглощает излучение, чем белая.

Проверка закона Кирхгофа в описанных выше опытах относится к суммарному излучению, представляющему совокупность всевозможных длин волн. Более тонкими опытами можно убедиться в справедливости этого закона и для узких спектральных участков. Опыты показывают, что раскаленное тело испускает лишь волны такой длины, какой оно способно при той же температуре поглощать.

Простой опыт с газовой горелкой может качественно иллюстрировать этот закон. «Бесцветное» пламя газовой горелки потому и является бесцветным, слабо светящимся, что вещества, сильно нагретые в этом пламени (пар воды, окись углерода СО, углекислота СО2), очень слабо поглощают, а потому и слабо испускают видимые лучи света.

Но если в бесцветное пламя внести крупинку поваренной соли (хлористого натрия NaCl), то пламя сразу становится ярко-желтым, ибо в нем появляется нагретый пар натрия, хорошо поглощающий и в связи с этим хорошо испускающий волны, соответствующие желтому цвету. Вводя в бесцветное пламя горелки различные другие элементы, мы можем наблюдать окрашивание его в тот или иной цвет, в соответствии с законом Кирхгофа. Уменьшив доступ воздуха в горелку, мы получим яркое пламя, ибо при этом углерод, входящий в состав светильного газа, не успеет полностью окислиться, а останется в виде тонких пылинок угля, хорошо поглощающего, а потому и хорошо испускающего все возможные длины волн, которые в совокупности дают белый свет.

Указание, что испускательная и поглощательная способности должны относиться к одной и той же температуре, очень важно, ибо способность вещества поглощать и испускать может сильно зависеть от температуры. Так, палочка плавленого кварца совершенно бесцветна и, следовательно, не поглощает видимых лучей. Казалось бы на основании закона Кирхгофа, что эта палочка не может испускать видимый свет, как бы сильно мы ее ни нагревали. Однако опыт показывает, что при температуре около 1500 °С палочка плавленого кварца ярко светится, не уступая раскаленной добела платиновой проволоке. Причина лежит, конечно, не в нарушении закона Кирхгофа, а в том, что плавленый кварц при температуре около 1500 °С поглощает видимый свет почти так же хорошо, как и металл, т. е. практически совсем непрозрачен для видимых лучей, тогда как при комнатной температуре он вполне прозрачен.

Так как согласно закону Кирхгофа испускание нагретых тел пропорционально их поглощательной способности, то наибольшим испусканием при данной температуре будет обладать тело, которое имеет максимальный коэффициент поглощения. Максимальное значение коэффициента поглощения равно единице. В этом случае тело полностью поглощает все падающее на него излучение. Если коэффициент поглощения равен единице для всех длин волн, то такое тело называют абсолютно черным телом. Абсолютно черное тело излучает в любой области спектра больше энергии, чем всякое другое тело, имеющее ту же температуру. Для довольно большой области спектра — от инфракрасного до ультрафиолетового излучения свойствами абсолютно черного тела обладает поверхность, покрытая слоем копоти, а еще лучше полость, закопченная изнутри и имеющая небольшое отверстие.



Зависимость излучения накаленных тел от температуры. Лампы накаливания.

Излучение накаленных тел очень сильно зависит от их температуры. Включив лампочку накаливания в сеть последовательно с реостатом и регулируя силу тока, можно постепенно повышать температуру накаливающейся нити. Мы замечаем при этом, что яркость нити быстро возрастает с температурой. Кроме того, отчетливо заметно изменение цвета накаливающейся нити: из темно-красной она постепенно делается ярко-белой. Отсюда следует, что с повышением температуры быстро возрастает в излучении нити доля коротких волн.

Тщательное исследование показывает, что большая часть энергии, излучаемой лампой накаливания, приходится на долю невидимых инфракрасных лучей. С повышением температуры общая излучаемая энергия заметно увеличивается, но наиболее быстро нарастает интенсивность видимых лучей, так что и доля их в общем излучении быстро возрастает. Так, например, при повышении температуры платиновой нити от 1000 до 1100°С общая излучаемая энергия возрастает в 1,5 раза, а энергия, приходящаяся на долю зеленых лучей, увеличивается в 20 раз. Из сказанного ясно, что повышение температуры нити крайне выгодно при использовании лампочки в  качестве источника света, ибо при этом энергия, излучаемая в форме видимого света, растет гораздо быстрее, чем общая затрачиваемая энергия. Отношение энергии, приходящейся на видимое излучение, ко всей энергии, затрачиваемой на нагрев, называют коэффициентом полезного действия (к. п. д.) или коэффициентом экономичности лампы. Следующая таблица показывает, как зависит к. п. д. (k) от термодинамической температуры Т абсолютно черного тела.





Из этой таблицы следует, что к. п. д. лампы, вообще говоря, невелик, но быстро возрастает с повышением температуры. Важным прогрессом в производстве ламп накаливания был переход от угольных нитей, которые нельзя было нагревать свыше 2100 К, к лампам с нитями из вольфрама, которые можно накаливать без быстрого разрушения до 2500 К. Наполнение колб ламп накаливания азотом или аргоном препятствует быстрому распылению нити и позволяет использовать вольфрамовые нити при температуре около 3000 К (газонаполненные лампы).

Когда оборвавшаяся нить случайно спаивается при сотрясении, то нередко бросается в глаза резкое возрастание яркости и более белый свет лампы. Причина лежит в том, что при этом нить укорачивается, ее сопротивление падает,, усиливается идущий через нее ток, повышается температура и увеличивается к. п. д. Лампа становится экономичней, но через короткое время такого ненормального режима нить разрушается. В настоящее время применяются лампы, в которых наряду с азотом или криптоном введен пар иода, заметно уменьшающий испарение металла раскаленной нити и допускающий повышение температуры накала лампы.



Оптическая пирометрия.

Сплошные спектры испускания накаленных тел сравнительно мало отличаются друг от друга и поэтому мало пригодны для распознавания природы тел. Однако изучение   распределения энергии в спектре раскаленного тела приводит к важным заключениям.



Рис. 1. График распределения энергии в спектре излучения абсолютно черного тела при различных температурах: по оси ординат отложена интенсивность излучения, по оси абсцисс — длина волны

Это распределение для различных тел довольно близко по своему характеру. Ограничимся рассмотрением излучения раскаленного угля.

Рис. 1 дает представление о распределении энергии в спектре угля и об изменении распределения с температурой. Кривые показывают, что излучение охватывает не только видимую, но и инфракрасную и ультрафиолетовую области спектра, причем максимум излучаемой энергии для большей части температур, указанных на рисунке, приходится на долю инфракрасных лучей. Область, относящаяся к видимому свечению, заштрихована. Из рис. 1 видно, что эта область составляет малую часть всего излучения. По мере повышения температуры растет общая излучаемая энергия (кривая становится выше) и заметно увеличивается доля видимого излучения.

Обращает на себя внимание тот факт, что место, соответствующее максимуму излучения, по мере повышения температуры перемещается в область более коротких волн. Тщательное изучение и теоретический анализ явления показывают, что положение этого максимума зависит только от температуры излучающего тела.

Строго говоря, эти заключения относятся к излучению абсолютно черного тела. Однако их можно без большой ошибки применять также к излучению раскаленных металлов и к излучению Солнца. Это обстоятельство позволяет использовать описанный закон для решения важной задачи определения температуры светящихся тел. Применение этого приема к Солнцу показывает, что максимум излучения Солнца лежит около 500 нм, т. е. в желто-зеленой части спектра, чему соответствует температура около 5800 К. Эта так называемая эффективная температура Солнца характеризует его поверхность и ничего, конечно, не говорит о внутренних слоях Солнца, где, по-видимому, температура доходит до нескольких миллионов кельвин.

Указанный прием определения температуры раскаленных тел находит себе применение как в научных, так и в технических задачах и носит название оптической пирометрии. С его помощью определяют температуру раскаленного волоска ламп накаливания, температуру расплавленного металла в плавильных печах и т. д.










по материалам пособия “Элементарный учебник физики” под ред. академика Г. С. Ландсберга.
Источник

© WIKI.RU, 2008–2017 г. Все права защищены.