background image

 

 

POLITECHNIKA 

WROCŁAWSKA 

 

 

LABORATORIUM FIZYKI 

 

Wykonał: 

Jelonek Michał 

 

Grupa 

Ćw. nr 

31 

Prowadzący 

Mgr inż. Ewa 

Stefaniak 

Sprawdzanie prawa 

Stefana-Boltzmanna 

 

Data wykonania 

18.10.2002 

Data oddania 

25.10.2002 

Ocena 

 

 
 
 

1. WSTĘP TEORETYCZNY 

 
 
Emitancja energetyczna
 M(T) jest to iloraz mocy (czyli strumienia 
energii) 

∆φ wypromieniowanej w zakresie całego widma z powierzchni 

∆S rozciągłego  źródła tego promieniowania, przez wielkość tej 
powierzchni. W granicy jest to pochodna mocy wypromieniowanej 

φ 

względem powierzchni źródła promieniowania. Emitancja 
elektromagnetyczna jest funkcją temperatury T. 
 

]

*

[

)

(

2

=

m

W

dS

d

T

M

φ

 

 
Natężenie napromieniowania E jest to stosunek mocy (czyli strumienia 
energii) 

∆φ promieniowania pochłoniętego przez element powierzchni ∆S 

do wielkości tej powierzchni. W granicy, jest to pochodna mocy 

φ 

promieniowania padającego względem powierzchni S. 
 

dS

d

E

φ

=

 

 
Współczynnik absorpcji
 A(T) jest ilorazem strumienia energii 

φ

promieniowania zaabsorbowanego przez dane ciało do strumienia 
energii 

φ

i

 promieniowania padającego na nie.  Jest on funkcją 

temperatury. 

1

)

(

0

........

..........

)

(

<

<

=

T

A

T

A

i

a

φ

φ

 

 

1

background image

Promieniowanie termiczne ciała doskonale czarnego. Ciało 
doskonale czarne to takie, które całkowicie pochłania padające na nie 
promieniowanie elektromagnetyczne. Gęstość  monochromatyczną 
emitancji ciała doskonale czarnego opisuje równanie Plancka: 
 

1

2

5

1

1

exp

)

,

(

=

T

C

C

T

M

CZ

λ

λ

λ

 

 
gdzie : 
 
C

= 3,74*10

-16   

[ W*m

2

 ] 

C

= 0,0144 [ m*K ] 

λ - długość fali 
T – temperatura bezwzględna 
 
Rozkład Plancka monochromatycznej gęstości emitancji energetycznej 
ciała doskonale czarnego w różnych temperaturach prezentuje poniższy 
wykres : 
 

 

 
 
Emitancja ciała doskonale czarnego. Aby obliczyć emitancję ciała 
doskonale czarnego w interesującym nas przedziale 

∆λ należy całkować 

w tym przedziale funkcję  M

CZ

(

λ,T) po dλ. Całkując M

CZ

(

λ,T) po 

wszystkich długościach fal : 

=

0

)

,

(

)

(

λ

λ

d

T

M

T

M

CZ

CZ

 

 

2

background image

otrzymuje się prawo Stefana-Boltzmanna : 
 

4

)

(

T

T

M

CZ

σ

=

 

 
gdzie 

σ = 5,67*10

-8

  [ W*m

-2

*K

-4

 ]   ( stała Stefana-Boltzmanna ). 

 
 
Całkowita moc emitowana w postaci promieniowania przez ciało 
doskonale czarne o powierzchni S (całkowita energia emitowana w 
jednostce czasu – strumień energii 

φ

C

) zgodnie z prawem Stefana-

Boltzmanna jest proporcjonalna do czwartej potęgi jego temperatury 
wyrażonej w kelwinach. 
 

Modelem ciała doskonale czarnego jest wnęka z małym otworem. 

Promieniowanie  wpadające do takiej wnęki zanim ją opuści ulega 
wielokrotnemu odbiciu. Przy każdym z odbić część energii 
promieniowania zostaje przekazana ściankom wnęki.  
 
 
 
 

Zasada działania piroelektrycznego detektora promieniowania 

podczerwonego. 
 

Zjawisko piroelektryczne polega na generowaniu na powierzchni 

niektórych kryształów, spolaryzowanych ceramik lub folii ładunków 
elektrycznych pod wpływem zmian temperatury. Ładunek elektryczny 

∆q 

generowany na powierzchni S

K

 kryształu, na skutek zmiany jego 

temperatury o 

∆T określony jest równaniem : 

 

T

S

q

K

=

γ

 

 
współczynnik 

γ nosi nazwę współczynnika piroelektrycznego. 

 
 

 

3

background image

 

Rozpatrzmy cienką  płytkę o grubości h i polu powierzchni S

K

 

wyciętą z piroelektryka (płytka musi być odpowiednio zorientowana - 
zjawisko piroelektryczne obserwowane jest tylko w ściśle określonych 
kierunkach krystalograficznych (zależnych od symetrii kryształu). Na 
płytkę napylone są elektrody zwarte opornikiem R. Na jedną z elektrod 
naniesiona jest dodatkowo warstwa absorbująca promieniowanie. Jeżeli 
temperatura płytki ranieni się o 

∆T, to na jej powierzchni S

K

 pojawi się 

ładunek 

∆q, określony powyższym równaniem. Zmiana temperatury o ∆T 

w czasie 

∆t, powoduje przepływ prądu o natężeniu 

 

dt

dT

S

t

q

I

K

γ

=

=

 

 
Jeżeli kryształ jest ogrzewany przez zmieniający się w czasie strumień 
energii promieniowania 

Φ(t), to z bilansu energii wynika, że 

 

dt

dT

mc

dt

dE

t

=

=

Φ )

(

 

 
gdzie E to energia zgromadzona w krysztale , m jest masą , c – ciepłem 
właściwym , dT średnią zmianą temperatury kryształu. 
Po podstawieniu otrzymujemy : 
 

dt

dE

mc

S

I

K

γ

=

 

 
z równania tego wynika, że natężenie prądu płynącego przez opór 
obciążenia detektora jest proporcjonalne do powierzchni detektora, 
wartości współczynnika piroelektrycznego oraz strumienia energii 

 

4

background image

absorbowanego przez kryształ, a odwrotnie proporcjonalne do 
pojemności cieplnej kryształu (iloczynu mc), natomiast nie zależy od 
składu spektralnego promieniowania, które pada na detektor. Jeżeli 
kryształ byłby ogrzewany przez stały (niezależny od czasu) strumień 
energii promieniowania, to po pewnym czasie temperatura kryształu 
uległaby ustaleniu (energia absorbowana byłaby równa energii traconej). 
Natężenie prądu generowanego przez detektor jest proporcjonalne do 
szybkości zmian temperatury, dlatego strumień promieniowania 
padający na detektor powinien być modulowany. Modulatorem jest 
obracająca się tarcza z odpowiednio wyciętymi otworami, umieszczona 
na drodze wiązki promieniowania docierającej do detektora : 
 

.

 

 
Jeżeli pomiędzy  źródłem promieniowania i detektorem znajduje się 
wycięcie w tarczy modulatora, kryształ jest ogrzewany (temperatura 
kryształu rośnie), natomiast w czasie gdy wiązka jest przesłaniana przez 
modulator kryształ stygnie. 
 

Piroelektryczne detektory promieniowania podczerwonego są 

stosowane w wielu dziedzinach techniki. Na nich opierają swe działanie 
np. kamery termowizyjne czy noktowizory. Wykorzystywane są w 
medycynie do diagnozowania stanów chorobowych (wyższa 
temperatura) , w budownictwie do wykrywania nieszczelności budynków, 
a także ( choć nielegalnie ) na polowaniach (noktowizory). 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 

5

background image

2. CEL ĆWICZENIA 

 

Celem ćwiczenia jest sprawdzenie prawa Stefana-Boltzmanna, w tym 

celu należy wyznaczyć związek między mocą emitowaną przez model 
ciała doskonale czarnego a jego temperaturą. 
 
 

3.  ZASADA POMIARU ORAZ UKŁAD POMIAROWY 

 
 
Wyposażenie stanowiska : 
 

-  Piroelektryczny detektor promieniowania podczerwonego typ 

DP-1C 

-  Regulator temperatury wraz z modelem ciała doskonale 

czarnego 

 
 
Układ pomiarowy : 
 

 

 
 

Układ pomiarowy składa się z modelu ciała doskonale czarnego, 

którym jest grzejnik umieszczony w obudowie z małym otworem, 
regulatora temperatury, modulatora oraz piroelektrycznego detektora 
promieniowania podczerwonego. Źródłem promieniowania, jest model 
ciała doskonale czarnego, którego temperatura jest stabilizowana za 
pomocą regulatora temperatury RT współpracującego z platynowym 
czujnikiem temperatury (Pt-100). Strumień energii padający na element 
powierzchni detektora jest proporcjonalny do strumienia energii 
emitowanej przez model ciała czarnego. Jeżeli temperatura ciała 

 

6

background image

czarnego nie jest zbyt wysoka, to zgodnie ze wzorem Plancka większość 
energii emitowana jest w postaci promieniowania podczerwonego. 
 

Aby wyznaczyć zależność mocy emitowanej przez model ciała 

czarnego od jego temperatury powinniśmy dysponować detektorem 
promieniowania, który reaguje na całkowitą moc padającego na ten 
detektor promieniowania, niezależnie od jego składu spektralnego. W 
ćwiczeniu korzystamy z piroelektrycznego detektora promieniowania 
podczerwonego, który spełnia wymieniony warunek.  
 

4. POMIARY 

 

Wyznaczaliśmy zależność mocy promieniowania padającego na 

detektor emitowanego przez model ciała doskonale czarnego , od 
temperatury tego ciała (temperaturę można było regulować 
potencjometrem grzejnika). Promieniowanie było „po drodze” 
modulowane przez obracający się modulator. Układ pomiarowy 
przedstawiłem w pierwszym punkcie sprawozdania. 
 
 
 
 

5.  WYNIKI POMIARÓW : 

 
 
 

temperatura [K] 

ustawiona odczytana  średnia 

I

min

  I

max

I

0

 

log(T) 

0

min

max

2

log

I

I

I

- 523 

523 

93 

94 

2,72 

1,94 

- 553 

553 

116 

117 

2,74 

2,04 

- 583 

583 

138 

139 

2,76 

2,12 

- 613 

613 

173 

174 

2,79 

2,22 

- 643 

643 

196 

197 

2,81 

2,28 

- 673 

673 

230 

231 

2,83 

2,35 

712 703 

707,5 

253 

254 

2,85 

2,39 

744 733 

738,5 

303 

304 

2,87 

2,47 

780 763 

771,5 

357 

358 

2,89 

2,54 

814 793 

803,5 

412 

413 

2,90 

2,61 

849 823 836 

464 

465 

2,92 

2,66 

 
 
 
 

 

7

background image

6. OPRACOWANIE WYNIKÓW 

 
 
Prawo Stefana-Boltzmanna można zapisać w postaci : 
 

α

σ

T

S

M

=

 

 
gdzie S

σ to wartość stała , a α traktujemy jako wielkość nieznaną , której 

wartość chcemy wyznaczyć. 
 

Należy więc sporządzić wykres zależności logarytmu natężenia 

prądu (odczytanego z detektora) od logarytmu temperatury ciała 
doskonale czarnego (wyniki obliczeń i wzory w tabelce w punkcie 
poprzednim): 

 

 
Wykorzystując regresję liniową możemy wyznaczyć tangens 

nachylenia wykresu (prostej będącej najlepiej dopasowaną do 
zaznaczonych na wykresie punktów). Jest on równocześnie wartością 
szukanego wykładnika potęgowego 

α. 

 
 

 

8

background image

 
Wartość współczynnika obliczyłem korzystając z formuły REGLINP 
programu Microsoft Excel

 

2000 oraz z programu Microcal ORIGIN

 6.0 . 

 
 
Wartość ta wynosi : 
 

3,4847

=

α

 

 
z błędem bezwzględnym : 
 

0,014

=

α

 

 
i względnym : 
 

%

 

0,4

=

δα

 

 
 
 

7.  PODSUMOWANIE I WNIOSKI 

 

Rzeczywista wartość wykładnika 

α (zgodnie z prawem Stefana-

Boltzmanna) wynosi 4 (bo całkowita moc emitowana w postaci 
promieniowania przez ciało doskonale czarne jest proporcjonalna do 
czwartej potęgi jego temperatury). Otrzymana przeze mnie wartość 
3,4847

±0,014 nieco różni się od tej którą otrzymać powinienem. Różnicę 

tę można jednak wytłumaczyć nie dość „sterylnymi” warunkami podczas 
wykonywania  ćwiczenia. Wykorzystany detektor piroelektryczny był 
bardzo wrażliwy – nawet za bardzo. Reagował na wszelkie drgania (nie 
chodzi tu o poruszenie aparatury ale o zwykłe chodzenie kolegów po 
sali) , bardzo drastycznie zmienił wyniki podczas zmiany oświetlenia 
(nastąpiło to w połowie wykonywania naszych pomiarów na prośbę 
kolegów czy też koleżanek którzy nie mogli wykonać swojego ćwiczenia 
z optyki przy włączonym oświetleniu) . Źródeł błędu należy też szukać w 
modelu ciała doskonale czarnego , a dokładnie w potencjometrze 
służącym do ustawiania temperatury i w niezależnym czujniku 
platynowym. Odczyt temperatury z potencjometru i z wyświetlacza różnił 
się nawet o 21

° !!! , w dodatku różnica ta nie była stała (rosła wraz ze 

wzrostem temperatury) . Z tego powodu od pomiaru 6-go za temperaturę 
modelu ciała doskonale czarnego musiałem przyjąć  średnią z wartości 
ustawionej i odczytanej.  Kolejnym problemem było to, że po ustaleniu 

 

9

background image

się temperatury modelu wskazania detektora oscylowały wokół 
zwiększającej się , a nie stałej wartości. Oznacza to że  średnie 
wskazanie detektora rosło wraz z biegiem czasu , pomimo stałej 
temperatury modelu. Otrzymane wyniki (wykres i obliczony 
współczynnik) w znacznym stopniu spełniają prawo Stefana-Boltzmanna, 
a niewielkie odchylenie spowodowane jest prawdopodobnie błędami 
opisanymi powyżej. Komfort wykonywania ćwiczenia jak i 
zminimalizowanie wpływu czynników zewnętrznych poprawiłoby nakrycie 
przyrządów np. skrzynią z materiału nie przepuszczającego  światła i 
wyprowadzenie na zewnątrz tylko wyświetlacza detektora , czujnika 
temperatury i potencjometru. Wyniki poprawiłoby by również precyzyjne 
ustawienie w jednej linii modelu ciała i detektora (w ćwiczeniu 
ustawiliśmy je „na oko”). Tak zabudowany układ można by dodatkowo 
ochronić przed wstrząsami lepiej niż , tak jak w ćwiczeniu zastosowanie 
podkładki pod mysz komputerową pod detektorem.     

 

10