Описание лабораторной установки

Законы теплового излучения тела могут быть проверены экспериментально с помощью лабораторной установки, вид которой представлен на рис. 5.

Рис. 5.

Схема установки показана на рис. 6. Она 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. 6.

Конструктивно установка выполнена в виде единого прибора, состоящего из оптико-механического блока, 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 отображается 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 (нагретого тела) модулируется во времени, проходит через оптический фильтр и отражаясь от сферического зеркала, падает на фотоприемник. Модуляция потока осуществляется с помощью механического прерывателя (обтюратора), выполненного в виде цилиндра с окошками, закрепленного на вертикальной оси электродвигателя. Модуляция светового потока позволяет устранить фоновые засветки, уменьшить влияния внутренних шумов фотоприемника и электронных схем, а также позволяет более эффективно выполнить обработку полезного сигнала.

В работе используется набор ИК-фильтров (7шт.) в спектральном диапазоне (2,0 – 9,0) мкм.

Оптический узкополосный фильтр позволяет выделить из падающего потока излучения энергию узкого спектрального интервала. Спектр пропускания такого фильтра приведен на рис. 7.

Технические характеристики ИК-фильтров.

Величина коэффициента пропускания фильтра в максимуме полосы, t_max,% – 60-80;

Полуширина полосы пропускания, δ=Δλ/λ_max – 0,04-0,06;

Диаметр фильтра, D, мм – 30;

Толщина фильтра, τ, мм – 6-8.

Рис. 7. Спектр пропускания оптического инфракрасного узкополосного фильтра (t – коэффициент пропускания; λ_max – длина волны, на которой фильтр имеет максимальное пропускание (t_max)).

Ш ирина полосы пропускания фильтра на полувысоте ∆λ(0,5t_max) = (0,04÷0,06.) λ_max, что позволяет использовать такой фильтр для измерения средней величины монохроматической излучательной способности R(λ,T) в очень узком интервале длин волн. Применяя набор таких фильтров, можно построить по результатам измерений R(λ,T) спектральную кривую излучения нагретого тела. В таблице 1 указаны величины λ_max, соответствующие номерам фильтров.

Таблица 1

№ фильтра	1	2	3	4	5	6	7
λmax, 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 излучательной способности нагретого тела.

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,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).