Спектральные плотности излучения глобара (7 = 1400 К)

0.7 0.8 0,9 1,0 1.1 1,2 1,3 1.4 1.5 1,6 1,7 1,8 1,9 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2.6 2,7

0,10 0,31 0,71 1,31 2,07 2,91 3.76 4,56 5,27 5,85 6,30 6,64 6,85 6,95 6,96 6.90 6,79 6,62 6,42 6,20 5,96

3,0 3.1 3,2

3.7 3,8 3,9 4,0 4,1 4,2 4,3 4,4 4,5 4,6 4,7 4,8

Вт/(см*Х Хмкм)

5,71

5.45

5,20

4,95

4,70

4.46

4,23

4.01

3,79

3,59

3,40

3,21

3,04

2,88

2,72

2,57

2,44

2.31

2,18

2.07

1,96

5,0 5,1

5,3 5,4 5,5 5,6 5,7 5,8 5.9 6,0 6,1 6,2 6,3 6,4 6,5 6,6 6,7 6.8 6,9

Gt/(omX I X мкм)

1,86

1,76

1,67

1,59

1,51

1,43

1.36

1,29

1,23

1,17

1.11

1,06

1,01

0,963

0,918

0,876

0,836

0,799

0,763

0,729

0,697

7,0 7,Г 7,2 7,3 7,4 7,5 7,6 7,7 7,8 7,9 8,0 8,2 8,4 8,6 8,8 9.0 9,2 9,4 9,6 9,8 10,0

а, ,

Вт/(с.ч Х I хмкм)

0,667 0,638 0,611 0,585 0,561 0,537 0,515 0,494 0,474 0,455 0,437 0,404 0.373 0,346 0,320 0,297 0,276 0,257 0,240 0,223 0,209

Вт/(смх Хмкм)

10,2 10,4 10,6 10,8 11,0 11,2 11,4 11.6 11,8 12,0 12,2 12,4 12,6 12,8 13,0 13,2 13,4 13,6 13,8 14,0

0,195

0,182

0,17!

0,160

0.150

0,141

0.133

0,125-

0,118-

0,111

0,105

0.099

0,094

0,088

0,084

0,079

0,075

0,071

0,068

0,064

тель, выполненный в виде полого цилиндрического сосуда с горячей водой, был упофеблен Лесли при исследовании применимости закона Ламберта-к тепловому излучению.

Румфорд в качестве излучателей применял металлические цилиндры наружная поверхность которых была покрыта сажей, а вовнутрь наливалась горячая вода (1804).

В опытах Меллони (1833-1840) использовались различные типы излучателей: платиновая проволока, накаливаемая пламенем спиртовой лампы металлический сосуд с кипящей водой и зачерненная медная пластина, на-гревйемая пламенем спиртовой лампы до температуры примерно 400° с'

В 1860 г. Кирхгоф сформулировал условия, которыми следует руководствоваться при конструировании черного тела. Он установил, что излучение внутри замкнутой изотермической полости равноценно излучению абсолютно-черного тела, поэтому, если в стенке полости вырезать небольшое отверстие, 1о выходящее через него излучение будет очень близко к излучению абсолютно черного тела, Кирхгоф показал, что на характер излучения практически не влияют геометрическая форма полости и материал ее стенок. Важно лишь, чтобы полость находилась при постоянной температуре н плошадь-отверстия была намного меньше площади внутренней поверхности полости.

Впервые изготовили черное тело и использовали его для исследования характеристик излучения Луммер и Вин в 1895 г. Затем Луммер и Курлбау в 898 г. дали краткое, а в 1901 г. подробное описание электрически накаляемого абсолютно черного тела . Кроме того, в 1897 г. Луммер и Прингсгейм-описали одну из форм, которую они придали черному телу (рис. 3.3, а). Тело представляло собой металлический сосуде двойными стенками, заполненный-кипящей водой, расплавленной селитрой и другими веществами, смогря по температуре, при которой исследовалось излучение.

Рис. ЗА Модели абсолютно черного тела Луммера и Прингсгейма la), Герлаха (6J, Ру- беиса и Михеля (е. г).

Более совершенным оказалось черное тело, выполненное в виде двух- стенного цилиндра из огнеупорного материала. В промежутке между стен-жами была расположена обмотка из платиновой проволоки, нагреваемая электрическим током. Температура излучателя измерялась термопарой; у одного из оснований цилиндра находилась выходная диафрагма. Внутри цилиндра имелся ряд поперечных бленд, установленных так, что до отверстия диафрагмы доходили лучи только от средней наиболее равномерно нагретой части цилиндра.

Используя модели абсолютно черного тела, Луммер и Прингсгейм провели много опытов, которые по точности и важности полученных результатов оказались непревзойденными. В 1897 г. они подтвердили закон Стефана-Больцмана; в 1899 г. показали практическую применимость закона смещения Вина и определили значение константы в этом законе. Наконец, они исследовали зависимость спектральной плотности излучения от длины волны при различных температурах (620...1653 К) и показали, что формула Вина для определения спектральной плотности, которая в течение нескольких лет считалась общепризнанной, не подтверждается экспериментальными данными.

Черное тело, разработанное Герлахом для экспериментальной проверки справедливости закона Стефана-Больцмана (1912), представляло собой резервуар, нагреваемый паровиком до температуры 100 С (рис. 3.3, б). В кон- струкцию тела входили также промежуточные бленды £/ и Б2 я диафрагма .Д, охлаждаемая проточной водой.

В опытах Рубенса и Михеля, предпринятых ими с целью проверки закона Планка (1921), применялось два типа черного тела: цилиндрическая юлость, зачерненная внутри сажей (рис. 3.3, в), и полость медного сосуда зачерненная окисью меди и нагреваемая электрическим током до температуры 500° С (рис. 3.3, г). Температура излучателей контролировалась при по-ьющи термоэлементов.

в практических конструкциях имитаторов аосолютно черного гела встречаются разнообразные по геометрии полости (рис. 3.4). Основные трудности при их проектировании заключаются в установлении связи между относительным размером отверстия и точностью приближения выходящего излучения к излучению абсолютно черного тела. Эта связь определяется эффективным коэффициентом излучения в', введенным А. Гуффе в 1945 г. [36] и представляющим собой отношение энергии излучения, исходящей из отверстия-модели черного тела, к энергии излучения абсолютно черного тела. Хотя позднее справедливость предложенных Гуффе аппроксимаций подвергалась некоторому сомнению, его работа остается до настоящего времени наиболее фундаментальной по данному вопросу.

Эффективный коэффициент излучения полости

о

+ т

(3.1)

где е - коэффициент излучения стенок полости; о - площадь отверстия-в полости, через которое выходит излучение; S - полная площадь поверхности полости, включая площадь отверстия; So - площадь поверхности сферы, диаметр которой равен глубине полости (расстояние между плоскостью-отверстия и самой дальней точкой полости).

Для определения эффективного коэффициента излучения в' конической, цилиндрической и сферической полостей по методу Гуффе составлена номограмма (рис. 3.5), правила пользования которой заключаются в следующем:

1) взяв на графике / отношение L/r (или угол при вершине конуса), проводим вертикальную линию до пересечения с кривой, соответствующей-выбранной, конфигурации полости;

2) из точки пересечения проводим горизонтальную линию до пересечения с кривой, соответствующей заданному значению коэффициента е излучения стенок;

3) по графику 2 находим величину е„ (например, для конусообразно полости с Ur = 6 и 8 = 0,9

0,983);

4) для сферической полости е' = во; для полости несферичёской формы повторяем п. I, но идем не вправо, а влево до пересечения с кривой, соответствующей выбранной конфигурации полости;

5) идем вниз до пересечения с кривой, соответствующей заданному значению коэффициента в излучения стенок;

6) по графику 3 находим величину коэффициента if (для рассмотренного выше примера L/r = 6, е = 0,9 , ij) = 1,012);

7) вычисляем е' = фг (в нашем случае е' = 1,012.0,983 = 0,995).

Эффективный коэффициент излучения полости е' всегда больше коэффициента излучения поверхности стенок 8. Особенно заметно увеличение е' при малых значениях е. Влияние полости объясняет возрастание коэффициента излучения шероховатых поверхностей по сравнению с полированными.

О

Рис. 3.4. Формы полостей черного тела:, с - коническая; 6 - клиновидная, в - цилиндрическая; г - цилиндрическая с гофрированным диом; д - сферическая; е - цилиндрическая с излучением через круглое отверстие в боковой поверхиости.