Ćwiczenie nr 3 Sprawdzanie prawa Stefana – Boltzmanna za pomocą piroelektrycznego detektora promieniowania podczerwonego

Ćwiczenie nr 3

Sprawdzanie prawa Stefana – Boltzmanna za pomocą piroelektrycznego detektora promieniowania podczerwonego

a) Układ pomiarowy

Schemat układu pomiarowego przedstawiony jest na rys.1. Układ składa się z modelu ciała czarnego, regulatora temperatury, modulatora i detektora piroelektrycznego. Modelem ciała czarnego jest ceramiczna rurka na którą nawinięty jest grzejnik. W tylnej części rurki umieszczony jest platynowy czujnik temperatury (PT100).

Rurka jest umieszczona wewnątrz obudowy wykonanej ze stali nierdzewnej. Model ciała czarnego wraz z regulatorem temperatury umożliwia uzyskiwanie temperatur w zakresie od temperatury pokojowej do około 550

oC.

Rys. 1. Schemat układu do sprawdzania prawa Stefana–Blltzmanna.

Detektor piroelektryczny stanowi płytka wycięta z kryształu TGS (triglycine sulphate) domieszkowanego L-α- alaniną o wymiarach 8*8*0.1 mm³. Na płytkę napylono z obu stron elektrody srebrne, a powierzchnia czołowa została pokryta warstwą absorpcyjną. Modulator jest metalową tarczą z wyciętymi otworami (rys.1b) umieszczoną na osi silnika wykonującego 60 obr/min. Częstość modulacji wiązki promieniowania emitowanego przez model ciała czarnego wynosi 8 Hz. Prąd piroelektryczny jest mierzony w jednostkach względnych poprzez pomiar spadku napięcia na oporze obciążenia.

Należy zwrócić uwagę na to, że energia (T) w równaniu (3) (w opisie ćwiczenia) jest różnicą między energią pochłoniętą i energią wyemitowaną przez detektor o temperaturze otoczenia T0.. W związku z tym natężenie prądu generowanego przez detektor





4 T

T a I  

gdzie T oznacza temperaturę modelu ciała doskonale czarnego.

b. Pomiary i opracowanie wyników

Studenci wykonują pomiary natężenia prądu detektora od temperatury modelu ciała doskonale czarnego.

Pomiary są wykonywane co około 30 ^oC w zakresie od temperatury pokojowej do temperatury około 550 ^oC. Po każdej zmianie temperatury należy odczekać na ustalenie się temperatury modelu ciała czarnego. Liczba punktów pomiarowych jest ograniczona czasem trwania zajęć laboratoryjnych.

Na podstawie wyników pomiarów zależności natężenia prądu piroelektrycznego Ipiro od temperatury modelu ciała doskonale czarnego wyznaczane są wykresy:

1. Zależności Ipiro od temperatury modelu ciała doskonale czarnego T, 2. Zależności Ipiro od T⁴ ,

3. Zależności logI_pyro





Z nachylenia liniowej części wykresu (kiedy spełniony jest warunek, że T ⁴ T₀⁴) wyznaczana jest wartość wykładnika w prawie Stefana–Boltzmanna.