Bức xạ nhiệt

Vlkt-

Viện Vật lý Kỹ thuật- ĐHBK Hà nội

Thí nghiệm vật lý - BKO-090

Khảo sát hiện tợng bức xạ nhiệt
Nghiệm định luật stefan - boltzmann



Dụng cụ :
1. Bóng đèn dây tóc vonfram 6V - 5A
2. Vônkế hiện số ;
3. Ampekế hiện số ;
4. Điện trở công suất 47 - 5W ;
5. Cảm biến nhiệt điện;
6. Milivon kế điện tử ;
7. Nguồn điện ổn áp một chiều 0 - 8V/10A ;
8. Băng quang học dài 600mm + bàn trợt ;
9.
Bộ dây nối mạch có hai đầu cốt dài 60 cm

(8 dây) .

I. Cơ sở lý thuyết
1. Bức xạ nhiệt cân bằng và các đặc trng của

Khi một vật bị kích thích bởi tác dụng nhiệt ( vi
dụ: nung nóng), vật sẽ phát xạ năng lợng dới
dạng sóng điện từ : đó là hiện tợng bức xạ nhiệt.
Sự phát xạ sóng điện từ làm cho năng lợng của
vật giảm, dẫn tới nhiệt độ vật giảm : để duy trì, cần
liên tục cung cấp năng lợng cho vật. Nói cách
khác : Hấp thụ năng lợng nhiệt và phát xạ năng
lợng dới dạng SĐT là hai quá trình xảy ra đồng
thời của hiện tơng bức xạ nhiệt duy trì. Bức xạ
nhiệt xảy ra ở điều kiện nhiệt độ của vật không thay
đổi gọi là bức xạ nhiệt cân bằng.
Tính chất phổ của bức xạ điện từ do vật phát ra
phụ thuộc bản chất của vật và nhiệt độ.
a. Năng suất phát xạ toàn phần:
Gọi
),( TdW

là phần năng lợng của các bức
xạ điện từ đơn sắc có bớc sóng từ đến

d+
,
phát ra từ diện tích dS của vật ở nhiệt độ T trong

một đơn vị thời gian. Dễ dàng nhận thấy,
),(
TdW

tỷ lệ với dS và

d
, nghĩa là :

),(
TdW


( )

ddSTr ..,=
(1)
trong đó hệ số tỷ lệ r(

,T) đợc gọi là hệ số phát
xạ đơn sắc của vật ở nhiệt độ T, ứng với bức xạ
nhiệt có bớc sóng . Từ (1) suy ra :
r(

,T).

d

dS
TdW ),(

=
(2)
Rõ ràng, tỷ số
( )
dS
TdW ,

biểu thị năng lợng của
cácbức xạ nhiệt có bớc sóng từ đến

d+
, do
một đơn vị diện tích mặt ngoài của vật phát ra trong một
đơn vị thời gian, ở nhiệt độ T . Lấy tích phân đối với biểu
thức (2) trên toàn dải bớc sóng từ 0 4 , ta sẽ
tính đợc năng lợng ứng với mọi bớc sóng do 1 đơn vị
diện tích mặt ngoài của vật phát ra trong một đơn vị
thời gian ở nhiệt độT :

( ) ( )


=
0
.,

dTrTR
(3)
Đại lợng
R T( )
gọi là năng suất phát xạ toàn
phần của vật ở nhiệt độ T và đo bằng đơn vị W/m
2
.
b. Hệ số hấp thụ : Nếu trong một đơn vị thời
gian , các bức xạ nhiệt đơn sắc có bớc sóng từ
đến

d+
gửi tới diện tích dS của vật ở nhiệt độ
T là
),( TdE

, nhng dS chỉ hấp thụ một phần
năng lợng là dE(, T),khi đó, tỷ số :
a (,T) = dE(, T) / dE(, T) (4)
đợc gọi là hệ số hấp thụ đơn sắc của vật ở nhiệt độ T
đối với bức xạ nhiệt bớc sóng .
Theo định nghĩa, vật hấp thụ hoàn toàn năng lợng
của các bức xạ nhiệt truyền tới nó gọi là vật đen tuyệt
đối (hay vật đen lý tởng). Vật đen tuyệt đối có hệ số
hấp thụ a (,T) = 1 ứng với mọi . Trong thực tế
chỉ có những vật xám, là những vật chỉ hấp thụ một

2
phần năng lợng của các bức xạ nhiệt truyền tới
chúng. Đối với vật xám, hệ số hấp thụ a (,T)<1 .
2 . Định luật Stefan- Boltzmann về bức xạ nhiệt
cân bằng .
Thực nghiệm cho thấy khi nhiệt độ vật càng cao
thì bức xạ nhiệt càng mạnh, tức năng suất phát xạ
toàn phần R(T) càng lớn. Stefan- Boltzmann đã
nghiên cứu sự bức xạ nhiệt cân bằng trên mô hình
của vật đen tuyệt đối và đã tìm ra định luật sau gọi
là định luật Stefan- Boltzmann :
Năng suất phát xạ toàn phần của vật đen tuyệt
đối tỷ lệ thuận với luỹ thừa bốn của nhiệt độ tuyệt
đối của vật đó , nghĩa là :

R T T( ) =

4
(5)
trong đó

= 5,67.10
-8
W/m
2
.K
4
gọi là hằng số Stefan
- Boltzmann , T = t(
o
C) +273 (
o
K) .
Định luật Stefan- Boltzmann hoàn toàn chính
xác đối với các vật đen tuyệt đối, có hệ số hấp thụ
a (,T) = 1. Vậy đối với các vật xám phổ biến trong
thực tế có HSHT a (,T) < 1 thì mối quan hệ giữa
năng suất phát xạ toàn phần R(T) và nhiệt độ tuyệt
đối T của nó tuân theo quy luật nào ?
Trong thí nghiệm này, ta sẽ nghiệm lại định luật
Stefan Boltzmann đối với vật xám là dây tóc
vônfram của một bóng đèn điện.
II. phơng pháp thực nghiệm
Để nghiệm lại định luật Stefan Boltzmann đối
với dây tóc vônfram của bóng đèn, ta cần đo các
nhiệt độ T khác nhau của dây tóc và năng suất
phát xạ toàn phần R(T) tơng ứng, rồi xác lập mối
quan hệ giữa chúng.
1.Nhiệt độ T của dây tóc Vonfram có thể đo nhờ
hiệu ứng thay đổi điện trở theo nhiệt độ của nó:
( )
R R t t
t
= + +
0
2
1

. .
( 6 )
Trong đó với
R
t

R
0
là điện trở của dây tóc đèn ở
t (
o
C ) và 0 (
o
C ) , còn



là các hệ số nhiệt điện
trở của vônfram :


=

4 82 10
3 1
, K
,

=

6 76 10
7 2
, K

Điện trở
R
t
của dây tóc đèn có thể đo dễ dàng theo
phơng pháp Von-Ampe ,bằng cách đo dòng điện I chạy
qua bóng đèn và hiệu thế U giữa hai cực của nó :

I
U
R
t
=
( 7 )
R
0
là điện trở của dây tóc đèn ở 0
o
C, xác định bằng cách
đo điện trở R
p
của dây tóc ở nhiệt độ phòng
t

p
, với một
dòng điện đủ nhỏ , rồi áp dụng công thức (6) tính ra
R
0
:
R
R
t t
p
p p
0
2
1
=
+ +

( 7a )
Thay
R
t
và à
R
0
vào (6) và giải nó để tìm nhiệt độ
t(
o
C) , cộng thêm 273K ta đợc nhiệt độ tuyệt đối của
dây tóc bóng đèn :
T
R
R
t
= + +















273
1
2
4 1
2
0



(8)
2. Năng suất phát xạ toàn phần R(T) có thể đo
bởi một cảm biến nhiệt điện bán dẫn . Đó là một lá
đồng mỏng đợc bôi đen để có thể hấp thụ gần nh
toàn bộ năng lợng của các bức xạ gửi tới, chuyển
thành nhiệt. Lá đồng đợc hàn giữa hai thanh bán dẫn
nhiệt điện, nhờ đó tạo ra một suất nhiệt điện động E tỷ
lệ với năng thông của bức xạ gửi tới :
E ~

( 9 )
Với khoảng cách cố định giữa dây tóc đèn và
cảm biến nhiệt điện, năng thông của các bức xạ
nhiệt gửi tới mặt cảm biến tỷ lệ với năng suất phát xạ
toàn phần
R T( )
của dây tóc bóng đèn :


~
R T( )
( 10 )
Nếu cặp nhiệt điện đang ở nhiệt độ " không độ
tuyệt đối " , và giả sử năng suất phát xạ toàn phần
R T( )
của dây tóc bóng đèn tỷ lệ với luỹ thừa bậc n
cuả T thì ta có thể viết :
E ~ R(T) ~ T
n
( 11 )
Nhng vì cặp nhiệt đang ở nhiệt độ của phòng thí
nghiệm T
p
nên nó cũng đang phát xạ theo định luật
n
p
T
. Vì thế, hệ thức ( 11) phải viết thành :
E ~
( )
n
p
n
TT
( 12 )
lnE
lnT

tg = n
Hình 1
3
Trong trờng hợp này, vì
T >> T
p
có thể bỏ qua
n
p
T
so với
T
n
và vẫn áp dụng hệ thức ( 11 ). Khi đó
đồ thị biểu diễn quan hệ giữa E và T trong hệ trục toạ
độ lôgarit kép (Hình 1) là một đờng thẳng có độ dốc
bằng n :
ln E = n ln T + const (13)
Giá trị của n xác định đợc từ thực nghiệm cho
phép ta rút ra kết luận định luật Stefan- Boltzmann
có nghiệm đúng đối với các vật xám hay không.

III. Trình tự thí nghiệm
1. Thiết bị dùng trong thí nghiệm này đợc bố trí
nh hình 2, gồm :
Bóng đèn điện Đ loại 6V-5A ( chỉ cho phép đặt
hiệu thế lớn nhất vào bóng đèn là 6V) .
Cảm biến nhiệt điện bán dẫn C đợc lắp trên
bàn trợt B, có ống che bức xạ ngoại lai lắp ở
phía trớc của nó.
Nguồn điện P
S
một chiều ổn áp điều chỉnh liên
tục ( 0 - 8V/ 10A ) có đồng hồ chỉ thị điện áp ra
và dòng điện, để cung cấp điện một chiều ổn
định cho bóng đèn.
Để đo chính xác hiệu thế U và cờng độ dòng
điện I chạy qua bóng đèn, ta dùng hai đồng hồ
vạn năng hiện số mắc xen vào mạch điện, một
cái với t cách là von kế, cái kia làm Ampe kế.
Suất nhiệt điện động E của cảm biến nhiệt điện
đo bằng Milivônkế điện tử MV.
Một điện trở công suất Rc = 475W mắc xen vào
mạch điện để hạn chế dòng, khi cần tạo ra dòng
điện nhỏ.
2. Giới thiệu về đồng hồ vạn năng hiện số :
Đồng hồ vạn năng hiện số là loại dụng cụ đo có
độ chính xác cao và nhiều tính năng u việt hơn
hẳn loại đồng hồ chỉ thị kim trớc đây, đợc dùng
để đo hiệu thế và cờng độ dòng điện một chiều,
xoay chiều, điện trở, điện dung của tụ điện....Nhờ

.
.
một núm chuyển mạch chọn thang đo, ta có thể
chọn thang thích hợp với đại lợng cần đo.
Thông thờng một đồng hồ vạn năng hiện số
loại 3 1/2 digit có 2000 điểm đo ( từ 0 đến 1999) .
Giả sử ta chọn thang đo hiệu thế một chiều
DC
V
20V, thì đại lợng :
V
V
.01,0
2000
20
==

(14)
đợc gọi là độ phân giải của thang đo.
Nếu hiệu thế chúng ta đo đợc là U thì sai số
tuyệt đối của phép đo trực tiếp đại lợng U này là :
U = (%) . U + n .

(15)
Trong đó :
U : Giá trị đo đợc, chỉ thị trên đồng hồ.
(%) : Cấp chính xác của thang đo

: Độ phân giải của thang đo.
MV
0
Rf
K
A
V
+
_
K
U
DC

N
Ps
Đ
C
3-5 cm

ACA

ACV

DCV



COM

V

A

20A

DCA

ON/OF
F

0000
Hình 2
ACA

ACV

DCV



COM

V

A

20A

DCA

ON/OF
F

0000
Von kế hiện số
Ampe kế h.số
4
n = 1 4 3 ( quy định theo từng thang đo bởi nhà
sản xuất ).Cách tính tơng tự đối với các thang đo
thế và dòng khác.
Các thang đo thế và dòng có độ nhạy cao nhất
thờng là 200mV và 200àA hoặc 2mA, đợc dùng
để đo các hiệu thế và dòng điện một chiều rất nhỏ.
Cần rất thận trọng khi sử dụng các thang đo này.
Nếu vô ý để hiệu thế hoặc dòng điện lớn gấp 5-10
lần giá trị thang đo này, có thể gây ra h hỏng trầm
trọng cho đồng hồ. Vì vậy, các quy tắc nhất thiết
phải tuân thủ khi sử dụng đồng hồ vạn năng hiện
số là :
1.Không bao giờ đợc phép chuyển đổi thang
đo khi đang có điện ở đầu đo.
2.Không áp đặt điện áp, dòng điện vợt quá giá
trị thang đo. Trờng hợp đại lợng đo cha biết, thì
hãy đo thăm dò bằng thang đo lớn nhất, rồi rút điện
ra để chọn thang thích hợp.
3. Để đo cờng độ dòng điện nhỏ chạy trong
đoạn mạch, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ
COM (lỗ chung ) và lỗ A trên đồng hồ. Hai đầu
cốt còn lại của dây đo đợc mắc nối tiếp với đoạn
mạch. Chuyển mạch chọn thang đo đợc vặn về
các vị trí thuộc giải đo
DC
A để đo dòng điện một
chiều,
AC
A để đo dòng xoay chiều. Sau lỗ A bên
trong đồng hồ có cầu chì bào vệ, nếu dòng điện đo
vợt quá giá trị thang đo, lập tức cầu chì bị thiêu
cháy, tất cả các thang đo dòng điện nhỏ ngng
hoạt động cho đến khi một cầu chì mới đợc thay.
Điều tai hại tơng tự cũng xảy ra nếu chúng ta mắc
Ampe kế song song với hai đầu đoạn mạch có hiệu
thế.
Hãy rất thận trọng khi sử dụng các thang đo
dòng, không để cháy cầu chì !
4. Để đo cờng độ dòng điện lớn 0-10A, ta
dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM (lỗ chung )
và lỗ 10A ( hoặc 20A ) trên đồng hồ. Hai đầu cốt
còn lại của dây đo đợc mắc nối tiếp với đoạn
mạch. Chuyển mạch chọn thang đo đợc vặn về vị
trí
DC
A-10A để đo dòng một chiều,
AC
A-10A để đo
dòng xoay chiều. Sau lỗ 10A bên trong đồng hồ
không có cầu chì bảo vệ, nếu bị đoản mạch
thờng gây cháy, nổ ở mạch điện ngoài hoặc ở
nguồn điện.
Tóm lại : chọn thang đo đúng, và không nhầm
lẫn khi thao tác đo thế và dòng là hai yếu tố quyết
định bảo vệ an toàn cho đồng hồ.
5. Để đo hiệu thế một chiều, xoay chiều,hoặc đo
điện trở, ta dùng hai dây đo cắm vào hai lỗ COM
(lỗ chung ) và lỗ V trên mặt đồng hồ. Hai đầu có
mỏ kẹp cá sấu còn lại của dây đo đợc mắc song
song với đoạn mạch. Chuyển mạch chọn thang đo
đợc vặn về các vị trí thuộc giải đo
DC
V để đo hiệu
thế một chiều,
AC
V để đo hiệu thế xoay chiều,và
để đo điện trở.
3. Đo điện trở dây tóc ở nhiệt độ phòng R
p
3.1. Mắc mạch điện và chọn thang đo :
Mắc mạch điện nh hình 3. Điện trở 475W
mắc nối tiếp với đèn Đ để hạn chế dòng điện chạy
qua dây tóc đèn, tạo ra dòng điện nhỏ .
Vônkế hiện số V chọn thang
DC
V 200mV
Ampekế hiện số A chọn thang đo
DCA
200mA
Chú ý : Để phép đo hiệu thế U giữa hai cực bóng
đèn đợc chính xác, đối với Von kế V nên dùng loại
dây đo có mỏ kẹp cá sấu, kẹp vào hai đầu dây ra
ngay trên đui đèn. Đối với Ampe kế A nên dùng loại
dây đo có hai đầu cốt để có thể xiết chặt vào hai
cọc đấu dây trên mặt giá quang học .
Nối điểm P với cọc (+),điểm Q với cọc ( - ) của
nguồn ổn áp một chiều, vặn núm điều chỉnh điện
áp ra của bộ nguồn về vị trí 0.
Sau khi thiết lập xong mời thày giáo kiểm tra
mạch điện để đợc phép cắm phích lấy điện nguồn
ổn áp P váo ổ lới điện 220 V.
3.2.Tiến hành đo.
3.2..1 .Bấm công tắc K trên mặt bộ nguồn P
S
:
đèn LED phát sáng, báo hiệu bộ nguồn P
S
đã sẵn
sàng hoạt động. Bấm các núm ON-OFF trên mặt
đồng hồ vạn năng hiện số để bật điện cho đồng hồ.
3.2.2 Vặn từ từ núm điều chỉnh điện áp ra trên
mặt bộ nguồn P
S
sao cho cờng độ dòng điện
chạy qua dây tóc đèn Đ đo bởi ampekế A đạt giá trị
lần lợt bằng I
1
= 50mA , I
2
= 100mA và I
3
=150mA.
Những cờng độ dòng điện này đủ nhỏ để có thể
bỏ qua hiệu ứng nhiệt ảnh hởng đến điện trở của
dây tóc đèn .
Đọc trên vônkế V và ghi các giá trị tơng ứng U
1

U
2
và U
3
của hiệu điện thế giữa hai đầu dây tóc
đèn Đ vào bảng 1 .
475W
V
A
Đ
C
P
Q
+
_
_
+
_
+
200mA
200mV
Hình 3
5
3.2.3 . Kết thúc phép đo, giảm điện áp nguồn
về 0, bấm khoá K tắt điện nguồn ổn áp. Đọc và ghi
nhiệt phòng
t
p
trên nhiệt kế 0 - 100
0
C vào bảng1.
4. Đo điện trở dây tóc ở nhiệt độ T và suất
nhiệt điện động E tơng ứng trên cảm biến
nhiệt điện

4.1. Mắc mạch điện và chọn thang đo :
Tháo bỏ điện trở 475W ra khỏi mạch điện,
mắc lại mạch điện theo sơ đồ nh trên hình 4.
Vônkế hiện số V chọn thang
DC
V 20V
Ampekế hiện số A chọn thang
DCA
10A, đồng
thời rút một dây đo ra khỏi lỗ cắm A và chuyển
sang lỗ cắm 10A. Nếu không thực hiện động tác
này cầu chì nối với lỗ cắm A sẽ bị cháy.
Cắm đầu nối của cảm biến nhiệt điện C vào ổ
5 chân của Milivônkế điện tử MV . Vặn chuyển
mạch chọn thang đo của MV để chọn thang 1mV.
Sau đó cắm phích lấy điện của MV vào nguồn ~
220V. Bấm khoá K trên mặt máy: đèn LED phát
sáng, báo hiệu Milivônkế điện tử MV đã sẵn sàng
hoạt động. Quan sát đồng hồ của Milivônkế điện tử
, nếu kim chỉ thị lệch khỏi vị trí 0 thì vặn núm quy
0 ngay dới đồng hồ để điều chỉnh về 0.
Sau khi thiết lập xong mời thày giáo kiểm tra mạch
điện.
4.2.Tiến hành đo
4.2.1. Điều chỉnh vị trí thích hợp của cảm biến
nhiệt điện và dây tóc đèn ( hình 2) :
Để mặt hấp thụ của cảm biến nhiệt điện nhận
đợc năng thông tối đa của các bức xạ phát ra từ
dây tóc đèn, dây tóc cần đợc đặt thẳng góc với
trục của cảm biến. Mặt khác, độ cao của cảm biến
cũng cần điều chỉnh sao cho bề mặt hấp thụ của
nó ngang tầm dây tóc đèn.
Khoảng cách giữa cảm biến và bóng đèn đợc
điều chỉnh nh sau :
Dịch chuyển bàn trợt cho cảm biến cách bóng
đèn 3-4 cm.Kiểm tra và nếu cần thì điều chỉnh
lại chính xác điểm 0 cho Milivon kế điện tử
MV. Giữ nguyên vị trí này của núm qui "0" trong
suốt quá trình làm thí nghiệm .
Bấm khoá K trên mặt bộ nguồn P
S
, xoay từ từ
các núm N để điều chỉnh điện áp ra và quan sát
Von kế hiện số V, sao cho hiệu thế rơi trên hai cực
bóng đèn bằng 6V. Lúc này năng suất phát xạ
toàn phần trên bóng đèn là tối đa, suất nhiệt điện
động E chỉ thị trên Milivon kế điện tử MV tăng từ từ
lên đến cực đại, có thể vợt quá cả thang đo. Hãy
vặn núm điều chỉnh độ nhạy Rf của MV sao cho
kim đồng hồ chỉ thị ổn định trong khoảng từ 0,95
1 mV ( gần hết thang đo ). Giảm điện áp nguồn về
0, và chờ khoảng 5 phút cho bóng đèn nguội đi.
4.2.2. Điều chỉnh hiệu thế trên hai cực bóng đèn
bằng U = 1V. Chờ khoảng 3-5 phút cho hệ đạt cân
bằng, đọc các giá tri U,I,E trên các đồng hồ và ghi
vào bảng 2.
4.2.3. Lặp lại bớc ( 4.2.2.) với các giá trị của U
tăng lên từng von một cho đến U= 6V. Ghi các giá
tri tơng ứng của I, E vào bảng 2.
4.2.4. Kết thúc phép đo, giảm điện áp nguồn về
0, bấm khoá K tắt nguồn P
S,
,Milivon kế điện tử MV
và các đồng hồ vạn năng hiện số, rút các phích
cắm ra khỏi ổ điện 220V, tháo mạch điện, xắp xếp
các dụng cụ gọn gàng.

iV. Tính toán kết quả
1. Tính điện trở
R
0
:
Từ các số liệu trong bảng 1, tính giá trị điện trở
R
p
của dây tóc đèn ở nhiệt độ phòng
t
p
theo
công thức ( 7 ). Từ đó tính điện trở
R
0
theo công
thứ c (7a). Các giá trị nh nhau của
R
p
chứng tỏ
dòng điện đo đủ nhỏ để không làm tăng nhiệt độ
của dây tóc đèn.
2.Tính Rt và nhiệt độ T của dây tóc đèn.
Từ các số liệu trong bảng 2, tính giá trị điện trở
R
t
của dây tóc đèn theo công thức ( 7 ).Thay Ro và
R
t
vào công thức ( 8 ) để tính T, rồi ln T.
Tính lnE và ghi vào bảng 2.
3. Vẽ đồ thị ln E ~ ln T.
4. Xác định n từ đồ thị , rút ra nhận xét và kết luận
V. Câu hỏi kiểm tra
1. Nêu định nghĩa của bức xạ nhiệt. Thế nào là
bức xạ nhiệt cân bằng ?
2. Phân biệt hệ số phát xạ đơn sắc và năng
suất phát xạ toàn phần. Nói rõ ý nghĩa vật lý và đơn
vị đo của các đại lợng này.
V
A
Đ
C
P
Q
+
_
_
+
_
+
10A
20V
Hình 4