Главная Обратная связь

Дисциплины:






Пирометрия оптическая



ПИРОМЕТРИЯ ОПТИЧЕСКАЯ (от греч. руr - огонь и metreo - измеряю) - совокупность оптических (бесконтактных) методов измерения темп-ры. Почти все оптич. методы основаны на измерении интенсивности теплового излучения (иногда - поглощения) тел. Интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением темы-ры Т тел, поэтому методы П. о. применяют для измерения относительно высоких темп-р. При Т 1000 °С они играют второстепенную роль, но при Т > 1000 °С становятся основными, а при Т > 3000 °С - практически единств. методами измерения Т. Это связано с тем, что методы П. о. не требуют контакта датчика измерит. прибора с телом, темп-pa к-рого измеряется. Методами П. о. в промышл. и лаб. условиях определяют темп-р у в печах и др. нагреват. установках, темп-ру расплавл. металлов и изделий из них (проката и т. п.), темп-ру пламён, нагретых газов, плазмы. Осн. условие применимости методов П. о. - излучение тела должно быть тепловым, т. е. подчиняться Кирхгофа закону излучения. Твёрдые тела и жидкости при высоких темп-pax обычно удовлетворяют этому требованию, в случае же газов и плазмы необходима спец. проверка его выполнения. Так, излучение однородного слоя плазмы подчиняется закону Кирхгофа, если распределения молекул, атомов, ионов и электронов плазмы по скоростям соответствуют Максвелла распределению, населённости возбуждённых уровней - распределению Больцмана (см. Больцмана статистика ),а диссоциация молекул и ионизация атомов определяются законом действующих масс, причём во все эти соотношения входит одно и то же значение Т. Такое состояние плазмы наз. термически равновесным. Интенсивность излучения однородной равновесной плазмы однозначно определяется её хим. составом, давлением, атомными константами и равновесной темп-рой. Если плазма неоднородна, то даже в условиях термич. равновесия её непосредственно наблюдаемое излучение не подчиняется закону Кирхгофа. В этом случае необходимо спец. приёмами определить локальные интенсивности излучения. Методы П. о. плазмы многообразны и сложны, они являются составной частью диагностики плазмы. Напротив, для твёрдых тел и жидкостей, спектр излучения к-рых чаще всего сплошной, методы П. о. довольно просты. В этом случае измерение темп-ры осуществляют пирометрами, действие к-рых основано на применении законов излучения абсолютно чёрного тела. Обычно в исследуемом теле вытачивают полость с небольшим выходным отверстием. Полость по отношению к попадающему в неё излучению обладает коэф. поглощения, близким к единице (т. е. по оптич. свойствам она близка к абсолютно чёрному телу).
Наиб. универсальны методы П. о., осн. на измерении интенсивности спектральных линий. Они обеспечивают макс. точность, если известны вероятность соответствующего квантового перехода и концентрация атомов данного сорта. Если же концентрация атомов не известна с достаточной точностью, то применяют метод относит. интенсивности, в к-ром темп-ры вычисляют по отношению интенсивностей двух или неск. спектральных линий.
В др. группе методов П. о. темп-pa определяется по форме или ширине спектральных линий, к-рые зависят от темп-ры либо непосредственно (доплеровское уширение спектральных линий), либо косвенно (в соответствии со Штарка эффектом и зависимостью плотности плазмы от темп-ры). В нек-рых методах Т определяют по абс. или относит. интенсивности сплошного спектра ("континуума"). Особое значение имеют методы измерения Т по спектру рассеянного плазмой излучения лазера, позволяющие исследовать неоднородную плазму. К недостаткам П. следует отнести трудоёмкость измерений, сложность интерпретации результатов, невысокую точность (например, погрешности измерений температуры плазмы в лучшем случае составляют 3-10%).



Давление света

Давление света, давление, производимое светом на отражающие или поглощающие тела. Д. с. впервые было экспериментально открыто и измерено П. Н. Лебедевым (1899). Величина Д. с. даже для самых сильных источников света (Солнце, электрическая дуга) ничтожно мала и маскируется в земных условиях побочными явлениями (конвекционными токами, радиометрическими силами, см. Радиометрический эффект), которые могут превышать в тысячи раз величину Д. с. Для обнаружения Д. с. Лебедев изготовил специальные приборы и проделал опыты, представляющие замечательный пример искусства эксперимента. Основной частью прибора Лебедева служили плоские лёгкие крылышки (диаметром 5 мм) из различных металлов (платина, алюминий, никель) и слюды (рис. 1). Крылышки подвешивались на тонкой стеклянной нити и помещались внутри стеклянного сосуда G (рис. 2), из которого выкачивался воздух. На крылышки с помощью специальной оптической системы и зеркал направлялся свет от сильной электрической дуги В. Перемещение зеркал S1, S4 давало возможность изменять направление падения света на крылышки. Устройство прибора и методика измерения позволили свести до минимума мешающие радиометрические силы и обнаружить Д. с. на отражающие или поглощающие крылышки, которые под его воздействием отклонялись и закручивали нить. В 1907—10 Лебедев исследовал Д. с. на газы, что было ещё труднее, так как Д. с. на газы в сотни раз меньше, чем на твёрдые тела.

 

Результаты экспериментов Лебедева и более поздних исследователей полностью согласуются со значением Д. с., определённым на основе электромагнитной теории света (Дж. К. Максвелл, 1873), что явилось ещё одним важным подтверждением теории электромагнитного поля Фарадея — Максвелла. Согласно электромагнитной теории света, давление, которое оказывает на поверхность тела плоская электромагнитная волна, падающая перпендикулярно к поверхности, равно плотности и электромагнитной энергии (энергии, заключённой в единице объёма) около поверхности. Эта энергия складывается из энергии падающих и энергии отражённых от тела волн. Если мощность электромагнитной волны, падающей на 1 см2поверхности тела, равна S эрг/см2( сек), коэффициент отражения электромагнигной энергии от поверхности тела равен R, то вблизи поверхности плотность энергии u = S• (1+R)/c (с — скорость света). Этой величине и равно Д. с. на поверхность тела: р = S (1 + R)/c (эрг/см3 или дж/м3). Например, мощность солнечного излучения, приходящего на Землю, равна 1,4•106 эрг/(см2(сек) или 1,4•103 вт/м2, следовательно, для абсолютной поглощающей поверхности (когда R = 0) р = 4,3 •10-5lдин/см2 = 4,3•10-6 н/м2. Общее давление солнечного излучения на Землю равно 6•1013 дин (6•108 н), что в 1013 раз меньше силы притяжения Солнца.

 

Изотропное равновесное излучение также оказывает давление на систему (тело), с которой оно находится в термодинамическом равновесии:

 

р = u/3=1/3•sT4 ,

 

где s — постоянная Стефана — Больцмана, Т — температура излучения. Существование Д. с. показывает, что поток излучения обладает не только энергией, но и импульсом, а следовательно, и массой.

 

С точки зрения квантовой теории, Д. с. — результат передачи телам импульса фотонов (квантов энергии электромагнитного поля) в процессах поглощения или отражения света. Квантовая теория даёт для Д. с. те же формулы.

 

Особо важную роль Д. с. играет в двух противоположных по масштабам областях явлений — в явлениях астрономических и явлениях атомарных. В астрофизике Д. с. наряду с давлением газа обеспечивает стабильность звёзд, противодействуя силам гравитационного сжатия (при температуре ~ 107 градусов в недрах звёзд Д. с. достигает десятков млн. атмосфер). Д. с. существенно для динамики околозвёздного и межзвёздного газа; действием Д. с. объясняются некоторые формы кометных хвостов (см. Кометы). Д. с. вызывает возмущение орбит искусственных спутников Земли (особенно лёгких спутников-баллонов типа "Эхо" с большой отражающей поверхностью). К атомарным эффектам Д. с. относится "световая отдача", которую испытывает возбуждённый атом при испускании фотона. К Д. с. близко явление передачи гамма-квантами части своего импульса электронам, на которых они рассеиваются (см. Комптон-эффект), или ядрам атомов кристалла в процессах излучения и поглощения (см. Мёссбауэра эффект).





sdamzavas.net - 2019 год. Все права принадлежат их авторам! В случае нарушение авторского права, обращайтесь по форме обратной связи...