Электромагнитные волны и их излучение

Излучение реальных тел

Все тела, температура которых превышает ноль по кельвину излучают электромагнитные волны. Происходит это за счёт внутренней энергии. Опыты показали, что в реальных телах наибольшее значение излучаемой энергии соответствует определённой длине волны. Эта зависимость хорошо описывается законом Вина. В 1893 году немецкий учёный смог построить экспериментальные кривые излучения тела для различных температур.

В его графике по оси абсцисс были отложены длины волн, а ординат — испускаемая энергия. Оказалось, что при температуре 3 тыс. K максимум пришёлся на длину волны порядка 1,2 мкм. Если же тело нагревать, то пик будет смещаться в сторону коротких волн. Так, для 5 тыс. K он составит 0,7 мкм. Это излучение уже становится видимым для человеческого глаза. При 6 тыс. K излучение сместится в жёлтую часть спектра и примерно составит 500 нм.

Полученные данные были систематизированы. В итоге учёный вывел формулу: J = b / T. Где:

  • b — постоянная Вина (2,9 * 10-3 m * K);
  • T — абсолютная температура тела.

Она нашла широкое практическое применение. Например, стало возможным узнать, сколько микрометров будет составлять излучение, исходящее от человека. Она равняется 9,35 мкм. Это действительно инфракрасное невидимое излучение. Знание этой величины даёт возможность использовать специальные приборы, позволяющие фиксировать отклонения теплового излучения.

Зная каков механизм потери тепла излучением и пик длины волны можно создать лазер, эффективный измеритель температуры — пирометр. С помощью последнего возможно провести интересный эксперимент. Можно взять стальную пластину шероховатую, с одной стороны, а с другой — отшлифованную. Если её нагреть до 100С, а потом замерить температуру пирометром, то можно увидеть, что результат измерения будет у разных сторон различаться. На шероховатой стороне количество излучаемой энергии выше. Объясняется этот эффект поверхностной плотностью, то есть поглощающей способностью.

Приложения

Это явление часто используется для измерения количества энергии, излучаемой телом ( яркостью ) или любой средой, и для оценки ее температуры, если мы знаем ее излучательную способность и возможно отраженную энергию. Несколько примеров :

  • оценить потери энергии в доме ,
  • оценивать температуру поверхности небесного объекта , звезды или твердого тела, либо температуру поверхности Земли из космоса,
  • оценить количество данного химического вещества в газе (датчик загрязнения, спутниковые измерения атмосферы, измерения в дымовых газах, измерение температуры межзвездного газового облака и  т. д. ) из областей, специфичных для его спектра.

Трудность определения температуры по испускаемой энергии можно проиллюстрировать, поместив горячую воду в куб с разными гранями: излучение, испускаемое гранью, окрашенной в черный цвет, практически дает температуру воды, содержащейся в нем. Куб, полированный алюминий лицо практически дает температуру окружающей среды (в этом случае регистрируется отраженное излучение).

Свойства и применение инфракрасного излучения

Установлено, что воздействие инфракрасного радиационного отопления благоприятно сказывается на человеке. Если тепловое излучение с длиной волны больше 2 мкм воспринимается в основном кожным покровом с проведением образовавшейся тепловой энергии внутрь, то излучение с длиной волны до 1,5 мкм проникает через поверхность кожи, частично нагревает ее, достигает сети кровеносных сосудов и непосредственно повышает температуру крови. При определенной интенсивности теплового потока его воздействие вызывает приятное тепловое ощущение. При лучистом обогреве человеческое тело отдает большую часть избыточного тепла путем конвекции окружающему воздуху, имеющему более низкую температуру. Такая форма теплоотдачи действует освежающе и благоприятно влияет на самочувствие.

В нашей стране изучение технологии инфракрасного отопления ведется с 30-х годов как применительно к сельскому хозяйству, так и для промышленности.

Проведенные медико-биологические исследования позволили установить, что системы инфракрасного отопления более полно отвечают специфике животноводческих помещений, чем конвективные системы центрального или воздушного отопления. Прежде всего, за счет того, что при инфракрасном обогреве температура внутренних поверхностей ограждений, особенно пола, превышает температуру воздуха в помещении. Этот фактор благоприятно сказывается на тепловом балансе животных, исключая интенсивные потери тепла.

Инфракрасные системы, работающие совместно с системами естественной, вентиляции обеспечивают снижение относительной влажности воздуха до нормативных значений (на свинофермах и в телятниках до 70-75% и ниже).

В результате работы этих систем температурно-влажностный режим в помещениях достигает благоприятных параметров.

Применение систем лучистого отопления для сельскохозяйственных зданий позволяет не только создавать необходимые условия микроклимата, но и интенсифицировать производство. Во многих хозяйствах Башкирии (колхоз им. Ленина, колхоз им. Нуриманова) значительно увеличилось получение приплода после внедрения инфракрасного отопления (увеличение опороса в зимний период в 4 раза), возросла сохранность молодняка (с 72,8% до 97,6%).

В настоящее время система инфракрасного отопления установлена и отработала уже один сезон на предприятии «Чувашский бройлер» в пригороде г. Чебоксары. По отзывам руководителей хозяйства, в период минимальных зимних температур -34-36 С система работала бесперебойно и обеспечивала требуемое тепло для выращивания птицы на мясо (напольное содержание) в период 48 дней. В настоящее время ими рассматривается вопрос об оборудовании инфракрасными системами остальных птичников.

Основные понятия и характеристики теплового излучения

Энергетическая светимость тела

Дж/с·м² = Вт/м²

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости — функция частоты и температуры характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:

Поглощающая способность тела

где

Отражающая способность тела

где

Абсолютно черное тело

Абсолютно черное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

Объемная плотность энергии излучения

Спектральная плотность энергии

Спектральная плотность энергии

Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно черного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:

Основные понятия и свойства теплового излучения

Энергетическая светимость тела

Энергетическая светимость тела — — физическая величина, являющаяся функцией температуры и численно равная энергии, испускаемой телом в единицу времени с единицы площади поверхности по всем направлениям и по всему спектру частот.

; Дж/(с·м²) = Вт/м²

Спектральная плотность энергетической светимости

Спектральная плотность энергетической светимости  — функция частоты и температуры, характеризующая распределение энергии излучения по всему спектру частот (или длин волн).

Аналогичную функцию можно написать и через длину волны

Можно доказать, что спектральная плотность энергетической светимости, выраженная через частоту и длину волны, связаны соотношением:

Поглощающая способность тела

Поглощающая способность тела —  — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, поглощается телом в области частот вблизи

где  — поток энергии, поглощающейся телом.

 — поток энергии, падающий на тело в области вблизи

Отражающая способность тела

Отражающая способность тела —  — функция частоты и температуры, показывающая, какая часть энергии электромагнитного излучения, падающего на тело, отражается от него в области частот вблизи

где  — поток энергии, отражающейся от тела.

 — поток энергии, падающий на тело в области вблизи .

Абсолютно чёрное тело

Абсолютно чёрное тело — это физическая абстракция (модель), под которой понимают тело, полностью поглощающее всё падающее на него электромагнитное излучение

 — для абсолютно чёрного тела.

Серое тело

Серое тело — это такое тело, коэффициент поглощения которого не зависит от частоты, а зависит только от температуры

 — для серого тела.

Объёмная плотность энергии излучения

Объёмная плотность энергии излучения —  — функция температуры, численно равная энергии электромагнитного излучения в единице объёма по всему спектру частот.

Спектральная плотность энергии

Спектральная плотность энергии —  — функция частоты и температуры, связанная с объёмной плотностью излучения формулой:

Следует отметить, что спектральная плотность энергетической светимости для абсолютно чёрного тела связана со спектральной плотностью энергии следующим соотношением:

 — для абсолютно чёрного тела.

Это интересно: Температура пламени — рассказываем подробно

Излучение реальных тел

Все тела, температура которых превышает ноль по кельвину излучают электромагнитные волны. Происходит это за счёт внутренней энергии. Опыты показали, что в реальных телах наибольшее значение излучаемой энергии соответствует определённой длине волны. Эта зависимость хорошо описывается законом Вина. В 1893 году немецкий учёный смог построить экспериментальные кривые излучения тела для различных температур.

В его графике по оси абсцисс были отложены длины волн, а ординат — испускаемая энергия. Оказалось, что при температуре 3 тыс. K максимум пришёлся на длину волны порядка 1,2 мкм. Если же тело нагревать, то пик будет смещаться в сторону коротких волн. Так, для 5 тыс. K он составит 0,7 мкм. Это излучение уже становится видимым для человеческого глаза. При 6 тыс. K излучение сместится в жёлтую часть спектра и примерно составит 500 нм.

Полученные данные были систематизированы. В итоге учёный вывел формулу: J = b / T. Где:

  • b — постоянная Вина (2,9 * 10-3 m * K);
  • T — абсолютная температура тела.

Она нашла широкое практическое применение. Например, стало возможным узнать, сколько микрометров будет составлять излучение, исходящее от человека. Она равняется 9,35 мкм. Это действительно инфракрасное невидимое излучение. Знание этой величины даёт возможность использовать специальные приборы, позволяющие фиксировать отклонения теплового излучения.

Зная каков механизм потери тепла излучением и пик длины волны можно создать лазер, эффективный измеритель температуры — пирометр. С помощью последнего возможно провести интересный эксперимент. Можно взять стальную пластину шероховатую, с одной стороны, а с другой — отшлифованную. Если её нагреть до 1000С, а потом замерить температуру пирометром, то можно увидеть, что результат измерения будет у разных сторон различаться. На шероховатой стороне количество излучаемой энергии выше. Объясняется этот эффект поверхностной плотностью, то есть поглощающей способностью.

Источники инфракрасного излучения

Вообще говоря, любое тело, нагретое до определенной температуры, излучает тепловую энергию в инфракрасном диапазоне спектра электромагнитных волн и может передавать эту энергию посредством лучистого теплообмена другим телам. Передача энергии происходит от тела с более высокой температурой к телу с более низкой температурой, при этом, разные тела имеют различную излучающую и поглощающую способность, которая зависит от природы двух тел, от состояния их поверхности и т.д.

Электромагнитное излучение обладает квантово-фотонным характером. При взаимодействии с веществом фотон поглощается атомами вещества, передавая им свою энергию. При этом возрастает энергия тепловых колебаний атомов в молекулах вещества, т.е. энергия излучения переходит в теплоту.

Суть лучистого отопления состоит в том, что горелка, являясь источником излучения, генерирует, формирует в пространстве и направляет тепловое излучение в зону обогрева. Оно попадает на ограждающие конструкции (пол, стены), технологическое оборудование, людей, находящихся в зоне облучения, поглощается ими и нагревает их. Поток излучения, поглощаясь поверхностями, одеждой и кожей человека, создает тепловой комфорт без повышения температуры окружающего воздуха. Воздух в обогреваемых помещениях, оставаясь практически прозрачным для инфракрасного излучения, нагревается за счет «вторичного тепла», т.е. конвекции от конструкций и предметов, нагретых излучением.

Параметры явления

Эти фотоны , испускаемые, составляющие теплового излучения, имеют двойственную природу: они могут рассматриваться как электромагнитные волны , подчиняющиеся уравнения Максвелла или пакеты фотонов описываются статистической физикой ( перенос излучения ). Подход частиц используется в газах, где взаимодействия с веществом являются точечными и сами описываются квантовой физикой , и электромагнетизмом в твердых телах, где взаимодействия являются глобальными.

Термодинамическое равновесие , когда она будет достигнута, зависит только от одного параметра: от термодинамической температуры . Это состояние обычно не присутствует в газах при высокой температуре, но мы чаще всего можем связать температуру с каждой для молекул, атомов или ионов: трансляция, уровни электронной энергии, вращение и вибрация (там происходит).

Эта проблема не возникает для твердого тела, которое существует только при низкой температуре. Излучение и поглощение поверхностью связаны с понятиями излучательной способности и поглощательной способности . Закон Кирхгофа теплового излучения — это закон взаимности, который показывает, что эти два значения равны длине волны и углу по отношению к данной области.

В общем, количество глобальной энергии, излучаемой средой, увеличивается с температурой, но это неверно для данной области электромагнитного спектра из-за появления или исчезновения явлений, относящихся к этой части: химические вещества, присутствующие в газе, Например.

Рекомендации

  1. ↑ и (ru) Майкл М. Модест , Radiation Heat Transfer , Academic Press ,2003 г., 822  с. .
  2. ↑ и Раймон Брун, Введение в динамику химически активных газов , Тулуза, Сепадюэ ,2015 г., 402  с. ( ISBN  978-2-36493-190-9 ).
  3. (in) Ричард М. Гуди и Юк Лин Юнг , Атмосферная радиация. Теоретическая основа , Oxford University Press ,1989 г..
  4. .
  5. Жан-Лу Делькруа и Абрахам Берс, «Плазма и излучение» , в Physique des Plasmas 2 , CNRS Éditions / EDP ​​Sciences ,1994 г.
  6. (in) Джон Дэвид Джексон, «Bremsstralung, метод виртуальных квантов, радиационный бета-процесс» , в классической электродинамике , Wiley ,2007 г..
  7. Bill W. Tillery Physical Science, 10-е изд. Mac Graw Hill, 2014. стр. 180 «Излучение черного тела»
  8. .
  9. (ru) Дж. М. Зиман , «фононы» в электронах и фононах. Теория явлений переноса в твердых телах , Oxford University Press ,1960 г.
  10. .
  11. (ru) Дж. М. Зиман , «Электроны» в электронах и фононах. Теория явлений переноса в твердых телах , Oxford University Press ,1960 г.
  12. (en) Дж. М. Зиман , «Электронная проводимость в металлах» в электронах и фононах. Теория явлений переноса в твердых телах , Oxford University Press ,1960 г.
  13. (in) Марк Фокс, «Свободные электроны» в Оптических свойствах твердых тел , Oxford University Press ,2010 г.( ISBN  978-0199573370 )
  14. (in) Марк Фокс, «Молекулярные материалы» в оптических свойствах твердых тел , Oxford University Press ,2010 г.( ISBN  978-0199573370 )
  15. .
  16. ↑ и .

Закон Стефана — Больцмана

Над энергией излучения чёрного тела в своё время задумались два физика Джозеф Стефан и Людвиг Больцман. Они смогли вывести формулу, которая описывала, как с увеличением температуры возрастает излучаемая энергия. На их законе основан принцип работы тепловизора. Это устройство с экраном, на который выводится изображение изучаемой поверхности тела. При этом в зависимости от мощности излучения участки тела имеют разный цвет. Так, наименьшая отображается синими тонами и соответствует холодным участкам. Наибольшая — красным цветом (нагретые места).

Формула, полученная физиками, выглядит так: R = σ * T4. Где:

  • T — Абсолютная температура в кельвинах ;
  • σ — постоянная Стефана — Больцмана равная 5,67 * 10-8 Вт / (м2 * К);
  • R — энергетическая светимость тела измеряемая в ваттах делённых на квадратный метр [Вт /м2].

С помощью этой формулы, зная температуру тела, например, лампы накаливания, можно рассчитать, сколько энергии будет излучаться в пространство. Интересным фактом является то, что если предмет нагреть в два раза, то его тепловое испускание возрастёт в 16 раз. По сути, формула позволяет представить, какую энергию будет излучать в единицу времени тело площадью один квадратный метр. Другими словами, узнать отдаваемую мощность.

Тепловые лучи распространяются подобно световым лучам. Они передают энергию как излучение, а также проходят в безвоздушном пространстве. Например, тепловое излучение Земли состоит из баланса энергий процессов теплопередачи, излучения в атмосфере и на поверхности планеты. Основной приток энергии обеспечивают солнечные лучи, распространяющиеся в диапазоне от 0,1 до 4 мкм.

Способность тепловосприятия зависит от вида поверхности. Так, тела с тёмной и шероховатой нагреваются сильнее, чем светлые и гладкие тела. Они поглощают большую часть теплового излучения. В качестве примеров можно привести, нагрев тёмных волос, одежды солнечным светом. Но при этом, тёмные тела излучают и больше тепла по сравнению со светлыми.

Общие сведения

В начале XIX века английский астроном и оптик Вильям Гершель, используя призму, наблюдал преломление солнечного света. В итоге он смог обнаружить, что тела при повышении температуры обладают излучением.

Лежало оно за пределами красной части спектра и получило название инфракрасное. Этот вид, как оказалось, в дальнейшем, был связан с природой колебаний атомов в кристаллической решётке и стал синонимом тепловому излучению.

Гершель установил, что инфракрасный свет подчиняется всем известным законам оптики. Через более чем сто лет советская учёная Глаголева-Аркадьева смогла получить опытным путём радиоволны, лежащие в области излучения совпадающим с тепловым. Это позволило заключить, что инфракрасный поток является разновидностью электромагнитной волны.

Условно тепловое излучение разделяют на три группы:

  • коротковолновое — длина волны лежит в пределах от 0,74 мкм до 2,5 мкм;
  • средневолновое — диапазон излучения находится в промежутке от 2,5 мкм до 50 мкм;
  • длинноволновое — занимает участок электромагнитных волн от 60 мкм до 10 мкм.

Как оказалось, инфракрасные лучи создаёт и тело человека. Но тепловое излучение оно может не только излучать, но и воспринимать. Оптик Харди предположил, что человек способен излучать в области характерной для абсолютно чёрного тела. Причём длина волны не зависит от возраста и других особенностей строения человеческого организма. Поэтому коэффициент излучения кожи приняли равным единице. Но практические исследования показали, что различия всё же есть. Оно несущественное и зависит от окружающей обстановки. Так, при температуре помещения 22 °C излучение уже нельзя отнести к коротковолновому.

Инфракрасный спектр наблюдается в вакууме. Его испускание можно обнаружить у нагретого металла, в земной атмосфере, на поверхности белого карлика. Оказалось, что излучение разных тел отличается не только длиной волны, но и интенсивностью. Но при этом наступает такой момент, когда физический объект находится в состоянии термодинамического равновесия. В этот момент неизменной остаётся не только температура, но и давление, объём, энтропия. Такое состояние часто называют равновесным. По сути, оно соответствует излучению спектра абсолютно чёрного тела и описывается формулой Планка.

https://youtube.com/watch?v=Ssf_oXMrRpo

Законы, характеризующие излучение абсолютно черного тела

Закон Стефана — Больцмана показывает, что мощность излучения поверхности абсолютно черного тела зависит только от температуры и не связана с физическими свойствами поверхности объекта:

Стефан исследовал излучение черного тела эмпирически, а Больцман получил выражение (3) теоретически, поэтому закон называют законом Стефана — Больцмана.

Энергия при равновесном тепловом излучении распределена по длине волны. Теоретически данный вопрос изучал В. Вин. Он показал, что в плотности распределения энергии теплового излучения по длинам волн присутствует максимум, который относится к длине волны ($<lambda >_$), которая определена соотношением:

Соотношение (4) называют законом смещения Вина. Эмпирически показано, что данный закон хорошо выполняется.

Надо отметить, что попытки описать весь спектр излучения черного тела основываясь на теории классической физики, потерпели неудачу. В $1900$ г. М. Планк создал интерполяционную формулу, которая согласуется с экспериментом и полностью описывает особенности излучения абсолютно черного тела:

где $hbar =1,05cdot <10>^<-34>Джcdot с$, $w_<omega >$ —спектральная плотность энергии излучения.

При $hbar omega ll kT$ формула Планка переходит формулу Рэлея — Джинса:

Данная формула определяет распределение теплового излучения по спектру. Она хорошо согласуется с опытами при малых частотах.

При $hbar omega gg kT$ формула Планка переходит в формулу Вина:

Выражение (7) подтверждают эксперименты, которые проводят в области больших частот.

Абсолютно черных тел в природе не существует. Сажа или платиновая чернь имеют поглощательную способность близкую к единице только в ограниченном интервале частот. Так в инфракрасной области их поглощательная способность существенно меньше единицы.

Теория излучения для абсолютно черного тела имела большое значение в физике, так как она привела к введению понятия кванта энергии.

На рис. 2 заданы графики функции $varphi left(lambda ,T
ight)$ при разных температурах ($T_1и T_2$), для какого из графиков больше температура тела выше? Что происходит с максимумом испускательной способности данного тела при росте температуры?

Решение:

Так как мы знаем, что площадь, которую охватывает кривая заданная функцией $varphi left(lambda ,T
ight)$, равна энергетической светимости абсолютно черного тела при соответствующей температуре, то из графиков, очевидно, что площадь, соответствующая$ <lambda >_1$ меньше, чем при $<lambda >_2$. Получаем, что $T_1

Максимум испускательной способности при увеличении температуры перемещается в сторону коротких длин волн (больших частот).

Ответ: $T_1

Какую массу теряет Солнце при излучении, за время t, если считать его абсолютно черным телом? Максимальная спектральная плотность энергетической светимости Солнца соответствует $<lambda >_0.$

Решение:

Используем закон Вина для нахождения температуры Солнца:

Энергия, которую излучает Солнце за время t, равна:

где $S=4pi R^2$ — площадь поверхности Солнца, R- радиус Солнца. Величину $R_e$ найдем из закона Стефана — Больцмана:

Подставим выражение для $R_e$ в формулу (2.2), имеем

Изменение массы Солнца найдем в соответствии с формулой:

Так и не нашли ответ на свой вопрос?

Просто напиши с чем тебе нужна помощь

Абсолютно чёрных тел в природе не существует (кроме чёрных дыр), поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение. Поскольку излучение, испущенное внутренними стенками полости, прежде, чем выйдет (ведь отверстие очень мало), в подавляющей доле случаев претерпит огромное количество новых поглощений и излучений, то можно с уверенностью сказать, что излучение внутри полости находится в термодинамическом равновесии со стенками

(На самом деле, отверстие для этой модели вообще не важно, оно нужно только чтобы подчеркнуть принципиальную наблюдаемость излучения, находящегося внутри; отверстие можно, например, совсем закрыть, и быстро приоткрыть только тогда, когда равновесие уже установилось и проводится измерение)

Тепловое излучение Солнца

Наглядным примером объекта, излучающего тепловое излучение, является Солнце. По оценкам, каждую секунду примерно 1370 Дж энергии в форме электромагнитного излучения достигает Земли от Солнца.

Это значение известно как солнечная постоянная И у каждой планеты есть по одному, что зависит от ее среднего расстояния от Солнца.

Это излучение проходит перпендикулярно через каждые m2 атмосферных слоев и находится распределенным в разных длинах волн.

Почти все они поступают в виде видимого света, но большая часть приходит в виде инфракрасного излучения, которое мы воспринимаем как тепло, а некоторые также как ультрафиолетовые лучи. Это большое количество энергии, достаточное для удовлетворения потребностей планеты, чтобы уловить ее и использовать должным образом.

С точки зрения длины волны, это диапазоны, в которых находится солнечное излучение, достигающее Земли:

–Инфракрасный, которое мы воспринимаем как тепло: 100 — 0,7 мкм *

–Видимый свет, от 0,7 до 0,4 мкм

–Ультрафиолетовый, менее 0,4 мкм

* 1 мкм = 1 микрометр или одна миллионная метра.

Процесс — тепловое излучение

Процессы теплового излучения и поглощения газов имеют ряд особенностей по сравнению с излучением твердых тел. Твердые тела имеют обычно сплошные спектры излучения: они излучают ( и поглощают) лучистую энергию всех длин волн от 0 до сю. Газы же излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн АЯ, так называемых полосах, расположенных в различных частях спектра; для лучей других длин волн, вне этих полос, газы прозрачны, и их энергия излучения равна нулю. Таким образом, излучение и поглощение газов имеет избирательный ( селективный) характер.

Процесс теплового излучения состоит в переносе тепла от одного тела к другому электромагнитными волнами, возникающими в результате сложных молекулярных и атомных возмущений. Лучистая энергия возникает в телах за счет других видов энергии, главным образом тепловой. Электромагнитные волны распространяются от поверхности тела во все стороны.

Процессы теплового излучения и поглощения газов имеют ряд особенностей по сравнению с тепловым излучением твердых тел.

В обоих случаях процесс теплового излучения рассматривается как процесс теплообмена, сопутствующий теплопроводности и конвекции, которые приняты за основные процессы переноса.

Если преобладающим является процесс теплового излучения, то расчеты переноса теплоты ведут по формуле теплообмена излучением.

Средние значения коэффициентов теплоотдачи конвекцией.

Теплообмен излучением — процесс взаимного теплового излучения и поглощения двух пли нескольких тел с разными температурами.

Схема измерителя ИКИ.

Сигнал, возникающий в процессе теплового излучения объектов, является некогерентным и занимает широкий диапазон электромагнитного спектра. Обычные приемники ИКИ, преобразуя электромагнитное излучение в электрический сигнал, из-за своей инерционности даже при облучении их монохроматическим излучением не воспроизводят на выходе сигнал, изменяющийся с частотой этого излучения, а создают выходной сигнал, величина которого пропорциональна ( в некоторых пределах) мощности поступающего на вход приемника ИКИ. Таким образом, в радиотехническом смысле приемник ИКИ является одновременно детектором, и поэтому в приборах ИКТ усиление на частоте несущей отсутствует.

В этом параграфе будет кратко рассмотрена физика процесса теплового излучения и те данные экспериментов, которые привели Планка к его знаменитому открытию. Эта тема представляет очевидный интерес для широких кругов естествоиспытателей как пример первого революционного шага на пути создания квантовой физики.

Как отмечалось выше, процесс теплового излучения заключается в последовательном превращении кинетической энергии движения частиц вещества в энергию их возбужденного состояния и затем в испускаемую электромагнитную энергию. Обратный процесс поглощения излучения веществом сопровождается последовательным превращением электромагнитной энергии в энергию возбуждения атомов и молекул, а последняя затем превращается в кинетическую энергию их движения.

Метод электрического моделирования был использован выше ( см. гл. В данном случае также используется математическое сходство процессов теплового излучения и электрических явлений.

Сейчас попытаемся конкретно проследить взаимосвязь обоих методов применительно к описанию процесса теплового излучения.

Как уже упоминалось выше, не только Планк заинтересовался проблемой расчета количества излучения и тепла, испускаемого идеальным излучателем — черным телом. Ученые пытались объяснить идеальный случай и, следовательно, понять процесс теплового излучения вообще.

Согласно закону Стефана-Больцмана, плотность лучистого потока изменяется пропорционально температуре в четвертой степени и не зависит от температуры окружающих тел. В отличие от теплового излучения, процессы теплопроводности и конвекции зависят от температурного уровня незначительно. Поэтому при низких температурах большую роль играют теплопроводность и конвекция, а при высоких преобладающее значение приобретают процессы теплового излучения.

История открытия инфракрасных волн

Инфракрасные волны были открыты в 1800 году британским ученым Уильямом Гершелем.

Уильям Гершель пытался найти способ уменьшить нагревание инструмента, с помощью которого он наблюдал за Солнцем. В ходе эксперимента ученый использовал очень простой принцип. Он замерял температуру разных участков спектра видимого излучения. Им было обнаружено, что максимально нагретый участок принадлежит красному цвету, минимум тепла пропускал зеленый фильтр.

Гершель сделал предположение, что за пределами видимого преломления существует еще более сильное тепловое излучение. Эти лучи являются невидимыми, но несут тепло. 

Весной 1800 года Гершель выступил на заседании Лондонского Королевского общества, на котором представил краткие результаты своих опытов.

Им были зафиксированы 3 важных тезиса:

  1. За спектром красного света находятся невидимые глазу лучи.
  2. Эти лучи несут в себе больше тепла, чем все видимые излучения.
  3. Обнаруженные лучи обладают такими же свойствами отражения и преломления, как и световые.

Открытие Гершеля вызвало бурную дискуссию в научном мире. У него нашлось много противников, отрицающих саму возможность существования лучей подобного типа.

Профессор Эдинбургского университета Джон Лесли проводил серию экспериментов, основанных на том же методе, но пришел к прямо противоположным выводам. Он заявил, что «воображаемые невидимые лучи являются обычным нагретым воздухом».

Решительно поддержали идеи Гершеля швейцарский физик Пьер Прево и британский ученый Томас Юнг. Они одними из первых высказали мысль о том, что световые лучи подобны тепловым и отличаются от них только частотой колебаний.

К 1830-м годам было проведено достаточно большое количество экспериментов, доказывающих существование инфракрасных волн.

Вынужденные электромагнитные колебания. Резонанс

Вынужденными электромагнитными колебаниями называют периодические изменения заряда, силы тока и напряжения в колебательном контуре, происходящие под действием периодически изменяющейся синусоидальной (переменной) ЭДС от внешнего источника:

где ​\( \varepsilon \)​ – мгновенное значение ЭДС, \( \varepsilon_m \) – амплитудное значение ЭДС.

При этом к контуру подводится энергия, необходимая для компенсации потерь энергии в контуре из-за наличия сопротивления.

Резонанс в электрической цепи – явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний силы тока в колебательном контуре с малым активным сопротивлением при совпадении частоты вынужденных колебаний внешней ЭДС с частотой собственных колебаний в контуре.

Емкостное и индуктивное сопротивления по-разному изменяются в зависимости от частоты. С увеличением частоты растет индуктивное сопротивление, а емкостное уменьшается. С уменьшением частоты растет емкостное сопротивление и уменьшается индуктивное сопротивление. Кроме того, колебания напряжения на конденсаторе и катушке имеют разный сдвиг фаз по отношению к колебаниям силы тока: для катушки колебания напряжения и силы тока имеют сдвиг фаз ​\( \varphi_L=-\pi/2 \)​, а на конденсаторе \( \varphi_C=\pi/2 \)​. Это означает, что когда растет энергия магнитного поля катушки, то энергия электрического поля конденсатора убывает, и наоборот. При резонансной частоте индуктивное и емкостное сопротивления компенсируют друг друга и цепь обладает только активным сопротивлением. При резонансе выполняется условие:

Резонансная частота вычисляется по формуле:

Важно!
Резонансная частота не зависит от активного сопротивления ​\( R \)​. Но чем меньше активное сопротивление цепи, тем ярче выражен резонанс

Чем меньше потери энергии в цепи, тем сильнее выражен резонанс. Если активное сопротивление очень мало ​\( (R\to0) \)​, то резонансное значение силы тока неограниченно возрастает. С увеличением сопротивления максимальное значение силы тока уменьшается, и при больших значениях сопротивления резонанс не наблюдается.

График зависимости амплитуды силы тока от частоты называется резонансной кривой. Резонансная кривая имеет больший максимум в цепи с меньшим активным сопротивлением.

Одновременно с ростом силы тока при резонансе резко возрастают напряжения на конденсаторе и катушке. Эти напряжения становятся одинаковыми и во много раз больше внешнего напряжения. Колебания напряжения на катушке индуктивности и конденсаторе всегда происходят в противофазе. При резонансе амплитуды этих напряжений одинаковы и они компенсируют друг друга. Падение напряжения происходит только на активном сопротивлении.

При резонансе возникают наилучшие условия для поступления энергии от источника напряжения в цепь: при резонансе колебания напряжения в цепи совпадают по фазе с колебаниями силы тока. Установление колебаний происходит постепенно. Чем меньше сопротивление, тем больше времени требуется для достижения максимального значения силы тока за счет энергии, поступающей от источника.

Явление резонанса используется в радиосвязи. Каждая передающая станция работает на определенной частоте. С приемной антенной индуктивно связан колебательный контур. При приеме сигнала в катушке возникают переменные ЭДС. С помощью конденсатора переменной емкости добиваются совпадения частоты контура с частотой принимаемых колебаний. Из колебаний всевозможных частот, возбужденных в антенне, контур выделяет колебания, равные его собственной частоте.

Резонанс может привести к перегреву проводов и аварии, если цепь не рассчитана на работу в условиях резонанса.

Рейтинг
( 1 оценка, среднее 5 из 5 )
Editor
Editor/ автор статьи

Давно интересуюсь темой. Мне нравится писать о том, в чём разбираюсь.

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Профессионал и Ко
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!:

Adblock
detector