т.е. ниже истинной. Ошибка составляет - ~25 %.
Объектив 4 даёт действительное изображение объекта в месте расположения нити пирометрической лампы 3. Нить лампы имеет форму полуокружности и лежит в плоскости, перпендикулярной оси прибора. Фильтр 2 монохроматизирует излучение объекта и лампы. Яркость лампы изменяют путём регулировки тока реостата 6 до «исчезновения» её нити на фоне изображения объекта. При этой силе тока для l = 660 нм яркости излучения нити и источника (объекта) совпадают, а следовательно, совпадают их испускательные способности. В момент исчезновения нити производится отсчёт по шкале измерительного прибора 5. Если предварительно проградуировать шкалу прибора по излучению чёрного тела, то есть установить зависимость силы тока от температуры чёрного тела, при которой нить исчезает, то по показаниям измерительного прибора можно судить, какой температуре чёрного тела соответствует излучение объекта. Если бы источник тоже был чёрным телом, то найденная температура была бы его истинной температурой. В противном случае измеренная температура характеризует температуру чёрного тела, имеющего при 660 нм ту же яркость, что и исследуемое тело при условиях наблюдения. Поэтому такая температура носит название яркостной. Очевидно, что яркостная температура Tя тела для разных участков спектра различна. Для определения истинной температуры по яркостной необходимо знать отношение a(l,Т) энергетической яркости исследуемого тела для l = 660 нм к энергетической яркости чёрного тела при той же температуре. Связь между истинной и яркостной температурами выражается следующей формулой:lna(l,T) =
, которую можно получить из формулы Планка. Истинная температура T нечёрных тел всегда больше яркостной температуры Tя. Например, для вольфрама при T = 3000 K и l = 660 нм a(l,Т) = 0.46. Вычисления по приведенной выше формуле дают, что Тя = 2700 К, что ниже истинной температуры. Кстати радиационная температура в этом случае была равна 2250 К. Ошибка пирометра с исчезающей нитью будет ~10%. Верхний предел температур, измеряемых яркостным пирометром, ограничен предельно допустимой температурой нити пирометрической лампы.
3. Цветовой метод. Если известно распределение энергии в спектре чёрного тела, то по положению максимума кривой на основании закона смещения Вина можно определить температуру. В тех случаях, когда излучающая тело не является чёрным, применение формулы Планка не имеет смысла, так как для таких тел распределение энергии по частотам отличается от планковского. Исключение составляют так называемые серые тела, у которых коэффициент поглощения остаётся приблизительно постоянным в широком интервале частот. Такими серыми телами являются уголь, некоторые металлы, оксиды. Если тело не является серым, но его спектр излучения не сильно отличается от спектра чёрного тела при некоторой температуре, то по максимуму излучения определяют его температуру, которую называют цветовой. Таким образом, цветовая температура есть температура чёрного тела, максимум излучения которого совпадает с с максимумом исследуемого тела. Так, сопоставление графиков распределения энергии в спектре чёрного тела при температуре 6000 и 6500 К и распределения энергии в солнечном спектре показывает, что Солнцу можно приписать температуру ~6500 К.
Для измерения температуры по цветовому методу используют цветовые пирометры.
Перед объективом 2 помещается вращающийся диск-модулятор с укреплёнными на нём светофильтрами 3 и 4. Таким образом, на приёмник 5 попеременно попадают излучения двух длин волн l1 и l2. Регистрирующая система 1 включает в себя синхронный детектор, управляемый модулятором, и прибор для измерения отношения сил токов или самописец. Градуировка пирометра производится по чёрному телу. Для нахождения истинной температуры по цветовой температуре нечёрного тела надо знать его монохроматическую испускательную способность для разных длин волн J(l), то есть отношение испускательной способности исследуемого тела Е(l,Т) и чёрного тела e(l,Т) для данной длины волны и температуры. Обычно используют длины волн l1= 660 нм и l2 = 470 нм. Тогда J1 = E(l1,T)/e(l1,T); J2 = E(l2,T)/e(l2,T).
Цветовая температура Тц есть приближённо температура чёрного тела, для которого отношения испускательных способностей для двух длин волн равно такому же отношению для исследуемого тела, истинная температура которого равна Т, т.е. Е(l1,Т)/E(l2,T) = e(l1,Tц)/e(l2,Tц). Воспользовавшись формулой Вина можно получить выражение, позволяющее вычислить истинную температуру исследуемого тела:
Оптическая пирометрия не ограничивается рассмотренными методами. Разработаны и существуют специальные спектроскопические методы измерения температур на основе исследования спектральных линий в спектрах излучения и поглощения.
§ 24. Фотоэффект.
Гипотеза Планка, блестяще решившая задачу теплового излучения чёрного тела, получила подтверждение и дальнейшее развитие при объяснении фотоэффекта – явления, открытие и исследование которого сыграло важную роль в становлении квантовой теории. Различают фотоэффект внешний, внутренний и вентильный. Внешним фотоэлектрическим эффектом (фотоэффектом) называется испускание электронов веществом под действием электромагнитного излучения. Внешний фотоэффект наблюдается в твёрдых телах (металлах, полупроводниках), диэлектриках), а также в газах на отдельных атомах и молекулах (фотоионизация). Фотоэффект был обнаружен в 1887 г. Г. Герцем, наблюдавшим усиление процесса разряда при облучении искрового промежутка ультрафиолетовым излучением.
Первые фундаментальные исследования фотоэффекта выполнены русским учёным А.Г. Столетовым. Принципиальная схема, используемая им для исследования фотоэффекта, приведена на рисунке.
Два электрода (катод К из исследуемого металла и анод А – в схеме Столетова применялась металлическая сетка) в вакуумной трубке подключены к батарее так, что с помощью потенциометра R можно изменять не только значение, но и знак подаваемого на них напряжения. Ток, возникающий при освещении катода монохроматическим излучением, измеряется включённым в сеть миллиамперметром. Облучая катод светом различных длин волн, Столетов установил следующие закономерности, не утратившие своей справедливости и в наше время:
- наиболее эффективное действие оказывает ультрафиолетовое излучение;
- под действием света вещество теряет только отрицательные заряды;
- сила тока, возникающего под действием света прямо пропорциональна его интенсивности.
Внутренний фотоэффект – это вызванные электромагнитным излучением переходы электронов внутри полупроводника или диэлектрика из связанных состояний в свободные без вылета наружу. В результате концентрация носителей тока внутри тела увеличивается, что приводит к возникновению фотопроводимости (повышению электропроводности полупроводника или диэлектрика при его освещении) или к возникновению фотоэдс.
Вентильный фотоэффект (фотогальванический), являющийся разновидностью внутреннего фотоэффекта, приводит к возникновению фотоэдс при освещении контакта двух разных полупроводников или полупроводника и металла, при отсутствии внешнего электрического поля. Вентильный эффект лежит в основе преобразования солнечной энергии в электрическую.
На рисунке изображена схема экспериментальной установки, которая позволяет изучать вольт-амперные характеристики внешнего фотоэффекта – зависимости фототока I, образуемого потоком электронов, испускаемых катодом под действием света, от напряжения U между электродами. Такая зависимость, соответствующая двум различным освещённостям Eeкатода (частота света в обоих случаях одинакова), приведена на рисунке. По мере увеличения Uфототок нарастает или всё большее количество электронов достигает анода. Максимальное значение тока Iнас – фототок насыщения – определяется таким значением U, при котором все электроны, испускаемые катодом, достигают анода: Iнас = en, где n – число электронов, испускаемых катодом в 1 с.
т.е. ниже истинной. Ошибка составляет - ~25 %.