Grundpraktikum der Physik. Versuch Nr. 21 TEMPERATURSTRAHLUNG. Versuchsziel: Verifizierung von Strahlungsgesetzen.

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Jonas Sauer
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1 Grundpraktikum der Physik Versuch Nr. 21 TEMPERATURSTRAHLUNG Versuchsziel: Verifizierung von Strahlungsgesetzen. 1

1. Einführung Neben Konvektion und Wärmeleitung stellt die Wärmestrahlung eine der wichtigsten Formen zum Transport von thermischer Energie dar.

2 1. Einführung Neben Konvektion und Wärmeleitung stellt die Wärmestrahlung eine der wichtigsten Formen zum Transport von thermischer Energie dar. Es handelt sich hierbei um eine elektromagnetische Strahlungsform. Hierbei emittiert die Oberfläche eines warmen Körpers ein breites Spektrum elektromagnetischer Strahlung: Bei einer Temperatur von 300K liegt der Hauptanteil dieser Strahlung im unsichbaren infraroten Spektralbereich (Wellenlängen λ = 1µm 50µm), bei 1000K liegt ein merklicher Anteil davon auch in dem für uns sichtbaren Wellenlängenbereich von λ = 400nm 700nm. Der Körper beginnt dann zu glühen. Max Planck ( ) gelang es als Erstem, die spektrale Intensitätsverteilung dieser Wärmestrahlung zu berechnen, wobei er das Planck sche Wirkungsquantum einführte. Im Gegensatz zu Wärmeleitung und der Konvektion ist für die Wärmeübertragung durch Wärmestrahlung kein Medium nötig, sie findet auch im Vakuum statt. Die genaue Form der spektralen Intensitätsverteilung hängt von der Oberflächenbeschaffenheit des strahlenden Körpers ab. Ein Spezialfall ist der schwarze Körper. Er besitzt den grösstmöglichen Emissionsgrad und absorbiert gleichzeitig die gesamte auftreffende Strahlung. Ein schwarzer Körper lässt sich experimentell sehr gut durch einen erhitzten Hohlraum mit einer kleinen Öffnung realisieren, durch die die Strahlung austreten kann. Der Versuch besteht aus drei Teilen. Im ersten Teil beschäftigen sie sich mit dem sogenannten Leslie-Würfel (vgl. Abbildung 1). Im folgenden Teil wird mit Hilfe eines geheizten Rohrofens, welcher eine kleine Öffnung besitzt, das Planck sche Strahlungsgesetz verifiziert. Im abschließenden Teil beschäftigen Sie sich mit der Pyrometrie. Abbildung 1: Bild eines im AP verwendeten Lesliewürfels. 2

3 2. Stichpunkte zur Versuchsvorbereitung 1. Emissions- und Absorptionsvermögen. [1], Kap schwarze und graue Strahler, Farbtemperatur; siehe [1], Kap Strahlungstemperatur; siehe [2], Kap Spektrale Modendichte. [5], Kap Planck sches Strahlungsgesetz; siehe [1], Kap Wien sches Strahlungsgesetz; siehe [1], Kap Rayleigh-Jean sches Strahlungsgesetz; siehe [1], Kap Stefan-Boltzmann sches Strahlungsgesetz; siehe [1], Kap Pyrometrie; siehe [2], Kap Weitere Übersichtsliteratur [2, 3, 4]. 3. Versuch Hinweis: Zu Beginn des Versuches ist der Rohrofen mit 0, 6A zu beheizen. Im Laufe einer Stunde steigt die Temperatur auf ca. 350 C. Temperaturkonstanz abwarten. 1. Versuchdurchführung: Wärmestrahlung verschiedener Oberflächen. Füllen Sie den Leslie-Würfel (vgl. Abbildung 1) mit heissem Wasser und bringen Sie nacheinander seine vier Flächen im Abstand von ca. 0, 5m vor die Thermosäule (drei Mal). Bestimmen Sie die Strahlungsdichte eines schwarzen Körpers bei konstanter Temperatur in Abhängigkeit von der Entfernung zum Beobachter! Bringen Sie dazu die Thermosäule in ca. r = 25cm Abstand von der strahlenden Öffnung A S, vergrössern Sie den Abstand in 5cm-Schritten bis etwa 50cm und messen Sie dabei die thermoelektrische Spannung U (zwei Mal). Zusammenhang zwischen abgestrahlter Leistung und Temperatur eines schwarzen Strahlers (erstes Beispiel für Stefan-Boltzmann sches Strahlungsgesetz). Messen Sie bei konstantem Abstand zwischen Thermosäule und Strahler die von diesem abgegebene Leistung als Funktion seiner Temperatur. Hinweis: Bringen Sie die Thermosäule in ca. r = 50cm Abstand von der strahlenden Öffnung A S! Schalten Sie die Ofenheizung aus und messen Sie die Strahlungsleistung bzw. die thermoelektrische Spannung U alle 10 K über einen Bereich von 200 K hinweg. 3

4 Zusammenhang zwischen Leistungsaufnahme einer Glühbirne und Temperatur des Fadens (zweites Beispiel für Stefan-Boltzmann sches Strahlungsgesetz). Hinweis: Die Lampe ist in ihrem Abstand so zu justieren dass, durch das Fernrohr gesehen, die Wendel scharf abgebildet wird. Betriebsanleitung des Pyrometers genau durchlesen. Machen Sie sich mit dessen Handhabung vertraut! 2. Auswertung: Bestimmung des relativen Emissionsvermögens. Bestimmen Sie das Verhältnis der Strahlungsleistungen der vier Flächen, wobei der Maximalausschlag des Vielfachmessinstruments mit Hilfe der am stärksten strahlenden Fläche einzuregulieren ist. Tragen Sie in einem Diagramm ln(u) über ln(r) auf (mit Fehlerbalken)! und bestimmen Sie die Steigung der resultierenden Geraden mit zeichnerischer und rechnerischer Regression! Ermittenln Sie das Gesetz, nach dem Strahlungsdichte eines schwarzen Körpers (Rohrofen) mit dem Abstand zusammenhängt. Tragen Sie in einem Diagramm U über T 4 auf (mit Fehlerbalken)! Ermitteln Sie weiter die zugrunde liegende Gesetzmässigkeit und den Absolutwert der Stefan- Boltzmann schen Strahlungskonstanten σ aus der Steigung der Regressionsgeraden im T 4 über U Diagramm mit Fehlerrechnung und vergleichen Sie das Ergebnis mit dem Literaturwert! Zur Auswertung benützen Sie bitte foglende Formel: U = σ 0, 16 mv mw 1000 A B A S (T 4 T 4 0 ) πr 2 (1) Ermitteln Sie für verschiedene elektrische Leistungen die Temperaturen eines Glühfadens und stellen Sie den Zusammenhang zwischen Leistung und Temperatur dar. Tragen Sie in einem Diagramm lnp über lnt auf. 4. Zubehör Aufgabe 1: 1 Optische Bank. 1 Lesliewürfel. 1 Thermosäule. 1 Messverstärker. 1 Vielfachmessinsrument. Aufgabe 2 und 3: 1 Optische Bank. 1 Rohrofen mit wassergekühlter Blende. 4

5 1 Thermosäule. 1 Regeltrafo. 1 Vielfachmessinsrument. Aufgabe 4 1 Optische Bank Volt Lampe. 1 Netzgerät. 1 Pyrometer Optix. 5

6 Literaturverzeichnis [1] W. Demtröder, Experimentalphysik 3: Atome, Moleüle und Festkörper, Springer Verlag, Berlin (2005). [2] W. Walcher, Praktikum der Physik, Teubner Verlag, Wiesbaden (2004). [3] L. Bergmann, C. Schaefer, Lehrbuch der Experimentalphysik Bd.3 Optik, Gruyter Verlag, Berlin (2004). [4] H. Haken, H.C. Wolf, Atom- und Quantenphysik: Einführung in die experimentellen und theoretischen Grundlagen, Springer Verlag, Berlin (1996) [5] W. Demtröder, Experimentalphysik 2: Elektrizität und Optik, Springer Verlag, Berlin (2004). 6

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