Калитеевский Н.И. - Волновая оптика (1070655), страница 86
Текст из файла (страница 86)
Такой эффект при достаточном навыке фиксируется с хорошей воспроизводимостью. При некотором усложнении схемы эксперимента возможно использование объективных способов регистрации. Этот принцип измерения яркостной температуры используется в приборе, названном оптическим пирометром. Такой прибор предварительно градуируют по излучению абсолютного черного тела и на лимб наносят шкалу в градусах, соответствующих проведенной градуировке.
Если измеряется излучение тела, распределение яркости которого по спектру близко к распреде- лению яркости абсолютно черного тела, то полученные апатично~ агмпературы близки к истинным ее значениям. Чем больше отлнчиспся исследуемый спектр от свечения абсолютно черного тела, тем больше систематическая погрешность данного метода измерения температуры.
Заключая этот краткий обзор оптических методов измерения температуры раскаленных тел, отметим еще раз, что в общем случае все три измеренные величины (Тр,п, Т „Т„р„) могут быть различными и само понятие истинной температурй будет довольно неопределенным, особенно если вспомнить, что все эти методы фактически основаны на использовании законов, применимых лишь к излучению абсолютно черных тел. Поэтому представляются некорректными иногда встречающиеся в литера- Ь вЂ” —— туре значениятемператур с очень малой ошибкой, основанные лишь на хорошей воспроизводимости измерений без учета возможных систематических ошибок, связанных с особенностями спектров поглощения и испускания исследуемого рис.
8.9. Схема пирометра для определения яркостной темпеДля того чтобы завершить рассмот- ратуры: РЕНИЕ СтаилаРтНЫХ ПРИЛОжЕНИй ЗаКОНОВ Изображение раскалснаой новеркно- стн фокусируется объективом У абсолютно черного тела, кратко охарак- в плоскость ннтн лампы накалнватеризуем эффективность тех или иных нняу. Наблмлатсль нолбнр"тонну тока накала такой, чтобы нить ИСТОЧНИКОВ При НСПОЛЬЗОВВНИИ ИХ ддя исчезла на фоне нзображення объцелей освещения. Хорошо известно, что лампа накаливания с вольфрамовой нитью вошла в практику в конце прошлого столетия и сыграла громадную роль в условиях жизни и труда людей во всем мире. По сей день этот простой и удобный источник света широко используют в быту и на производстве. Многочисленные научные и инженерные исследования позволили увеличить срок службы лампы накаливания и другие ее эксплуатационные качества, но мало что могли изменить в эффективности этого источника света, т.
е. в увеличении доли энергии, которая может быть использована для целей освещения окружающего пространства. Достаточно взглянуть на рис. 8.1, где изображена светимость абсолютно черного тела для двух температур, а вертикальными линиями ограничена видимая часть спектра (4000 — 7000 А), чтобы оценить, сколь малая доля излучения абсолютно черного тела может быть эффективно использована в этих целях, даже в том случае (Т ж ж 5000 К), когда )ьма„о совпадает с зеленой областью спектра, в которой чувствительность глаза наибольшая.
Расчеты показывают, что при этих оптимальных условиях лишь около 13% всей излучаемой энергии может быть использовано для освещения. Значительно меньшая часть энергии абсолютно черного тела может быть утилизирована в том случае, когда его температура составляет примерно 3000 К и максимум излучения находится в инфракрасной области спектра (вблизи 1 мкм). Дальнейшее уменьшение температуры абсолютно черного тела 347 приведет к еще более низкому коэффициенту использования излучаемой энергии.
Большинство раскаленных тел не могут иметь температуру выше 3000 К, так как при такой температуре плавятся почти все металлы. Поэтому коэффициент полезного действия ламп накаливания совсем невелик и в лучшем случае (мощные лампы с вольфрамовой нитью) составляет около 3%. Следует указать, что рассмотренная выше аномалия излучения вольфрама (см. рис.
8.6) является выгодной для повышения светоотдачи в видимой области, так как меньшая часть общей энергии приходится на бесполезную в целях освещения далекую инфракрасную часть спектра. Для того чтобы уменьшить распыление нити при высокой температуре (Т вЂ” 3000 К), такие источники света заполняют инертным газом. Все эти усовершенствования позволяют повысить к. п. д.
от двух процентов, характеризующих эффективность использования обычной 50-ваттной лампы накаливания, до значения, не превышающего 3%. Учитывая, что значительная часть вырабатываемой электрической энергии используется на питание столь малоэффективных источников света, поиски принципиально новых способов освещения приобретают большое значение.
Так, например, безусловно прогрессивно все увеличивающееся внедрение люминесцентныхламп, которые по эффектив. ности заметно превосходят отживающие лампы накаливания. Принцип действия этих ламп сводится к возбуждению люминесценции вещества специально подобранного состава, наносимого на внутреннюю поверхность колбы, заполненной смесью паров ртути.
Такая лампа излучает при электрическом разряде мощные ультрафиолетовые линии, вызывающие люминесценцию препарата в видимой части спектра. Варьируя состав и свойства люминофора и светящегося газа, можно добиться хорошего совпадения спектрального состава излучаемого света с привычным излучением Солнца, что является немаловажным дополнительным преимуществом этих ламп дневного света.
Очень интересны также созданные в последнее время сверхмощные лампы, применяемые для освещения больших улиц и площадей. Обычно применяют свет электрического разряда специально подобранной смеси инертных газов, которые имеют мощные линии в видимой области спектра. Эффективность таких ламп велика, а спектр свечения можно в какой-то степени изменять, варьируя состав смеси и условия возбуждения. 5 З 3.
НЕДОСТАТОЧНОСТЬ КЛАССИЧЕСКОГО ОПИСАНИЯ РАВНОВЕСНОГО ТЕПЛОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ФОРМУЛА ПЛАНКА Для того чтобы увязать приведенные ранее термодинамические соотношения с результатами экспериментов по определению зависимости испускательной способности абсолютно черного тела от длины волны и температуры, нужно сделать какие-то предположения о механизме испускания света. Проведем такое рассмотренна, исходя из известной модели гармонического осциллятора (см. рис. 1.21), которая, как из- вестно, широко используется для описания различных атомных процессов. Так, например, в рамках этой модели (см. $ 4.3) была получена хорошо согласующаяся с данными опыта зависимость показателя преломления от длины волны и описаны многие другие явления.
Запишем выражение для ЯГ„л — суммарной энергии, излучаемой осциллятором во всех направлениях за 1 с (мощность излучения). Для этого воспользуемся формулами, приведенными в 9 1.7: (Р ы 11 (8.19) момента (Р = 91)> средним значением где Р, — амплитудное значение электрического е> — частота свободных колебаний осциллятора. Мощность излучения Гиии легко связать со энергии осциллятора: (В') = ( 1рллт) + ((Риии). Используя формулы (1.41), имеем 2 окали Г = — — (В') . илл 3 л>л3 (8.20) (8.21) 2и (Йг> в <йг> изл ат О (8.22) Для данной задачи (свободные колебания осциллирующих зарядов при наличии затухания) можно записать следующее уравнение движения: х+ ух+ е>л х О. (8.23) При малом затухании решение такого уравнения ~ю х=х,е ' соз(е>(+<р), а выражение для мощности К (г) =Цуи е-т4.
По определению (см. (1.41)),добротность Я связана с мощностью соотношением (8.24) (-лаю)т т ' Подставив выражение (8.24) в исходную формулу (8.22), имеем Я7 = у (Я7). (8 28) 349 Важно отметить, что вследствие потерь энергии на излучение (при отсутствии вынуждающей силы) осциллятор будет затухающим и скорость затухания колебаний определяется его добротностью Я..В соответствии с (1.41) Сравнивая (8.21) и (8.25), замечаем, что коэффициент затухания зависит от заряда и массы осциллнрующих частиц и пропорционален квадрату частоты свободных колебаний осциллятора: у = 2»оодо7(3 иио).
Несколько изменим постановку задачи, приблизив ее к изучаемой проблеме. Пусть осциллятор находится в равновесии с электромагнитным полем равновесного излучения, изотропно заполняющим при некоторой температуре замкнутую полость. Тогда осциллятор будет совершать несвободные, а вынужденные колебания, т. е. он не только излучает энергию, но и поглощает ее из окружающего пространства. Для простоты будем рассматривать колебания зарядов под действием монохроматического излучения частоты в.
В этом случае вынуждающую силу запишем как реальную часть: КеР (1) = Рег)Е»„е — '"" = = дЕ»„соз ай Тогда уравнение движения имеет вид х+ух+о»ох= ~ Еох созо»1. (8.28) т Будем искать частное решение этого уравнения, которое описывает установившиеся колебания: х(г)=Кехое — '"", х(1)=Ке( — (о»хое — '""). Для амплитудного значения х, получаем выражение, которое было использовано ранее при объяснении хода коэффициента преломления вблизи линии поглощения: ОЕох1т (8.27) (О»о го )+ (тО» Для того чтобы найти (2'оог, (о») — мощность монохроматического излучения, поглощаемую осциллятором, вычислим интеграл вида т т 1" погл(г»)= ) Р(1) х(о) о(1=- — ') т)Е»ххЯ сов о»Ю = 1Г .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
