1.Основные понятия и определения.
Излучение— есть перенос энергии от излучающего тела поглощаемому.
Излучение представляет собой материю особой формы, имеющую массу покоя, равную нулю, и перемещающуюся в безвоздушном пространстве с постоянной скоростью.
Энергия излучения является количественной мерой движения материи особой формы и представляет собой качественную разновидность видов энергии.
Светотехника имеет дело с оптическим излучением, т.е. излучением в диапазоне от 1 нм до 10 6 нм или 1 мм.
Спектр электромагнитных излучений
Оптическое излучение (ОИ) состоит из ультрафиолетового (УФ), видимого (ВИ) и инфракрасного (ИК).
УФ – это излучение длинных волн монохроматических составляющих, которого лежат в пределах от 1 нм до 380 нм международная комиссия по освещению (МКОС) предлагает следующее деление УФ излучения:
УФ – А – от 315 нм до 400 нм
УФ – В – от 280 нм до 315 нм
УФ – С — от 100 нм до 280 нм
УФ излучение с длиной волны короче 200 нм интенсивно поглощается атмосферным воздухом, и поэтому получило название вакуумного УФ.
ВИ – излучение, которое, попадая на сетчатку глаза, вызывает зрительные ощущения, длины волн которого лежат в пределах от 380 нм до 780 нм.
ИК – излучение, длины волн монохроматических составляющих которого лежат в пределах от780 нм до 10 6 нм. МКО предлагает следующее деление ИК излучения:
ИК-А – от 780 нм до 2000 нм
ИК-В – от 2400нм до 3000нм
ИК-С – от 3000нм до 10 6 нм
В окружающем нас пространстве постоянно присутствует поле оптического излучения, т.к. все тела температура которых свыше абсолютного нуля постоянно обмениваются энергией. Энергия измеряется в Дж. Мощность излучения в светотехнике называют потоком излучения и измеряют в Вт.
Количественные и качественные характеристики ОИ:
- Спектральный состав
- Распределение излучения в пространстве
- Изменение излучения во времени
2 Преобразование оптического излучения в другие виды энергии.
Преобразование ОИ происходит в приемниках ОИ под которыми понимаются любые объекты независимо от их происхождения и агрегатного состояния, в которых происходит преобразование. Первичным процессом преобразования является поглощение квантом излучения. Количественно этот процесс описывается коэффициентом 
,который представляет собой отношение поглощенной энергии к энергии падающей на приемник. На основании закона сохранения энергии справедливо выражение: 
, где Wα— поглощенная энергия Ф(t)-поток излучения Wэ-эффективная энергия Wn— энергия потерь Энергия ОИ может быть преобразована в приемнике в любой другой вид энергии (электрическую, механическую, энергию химических связей и т.д.) Каждый приемник предназначен для получения какого-либо вида энергии наз. эффективной. Та часть энергии, которая преобразуется в другие виды энергии наз. энергией потерь.
7Основные энергетические величины и единицы их измерения.
П
отоком излучения(Ф) называют энергию оптического излучения, переносимую в единицу времени: 
единицей измерения потока излучения служит Вт. Распределение потока излучения по спектру можно представить в виде графика 
— длина волны Анализ спектральных характеристик источников излучения по зависимости ?
приводит к значительным погрешностям, поэтому на практике чаще всего пользуются понятием спектральной плотности потока излучения (
) 
, которая представляет собой отношение однородного потока 
к ширине участка спектра, на котором однородный поток измерен. 
принимая 
в пределе, получим 
Функцию спектральной плотности потока излучения, можно представить в виде графика: П
лощадь, ограниченная функцией Ф=
и осью абсцисс представляет собой поток излучения источника, т.е. 
Функция спектральной плотности потока излучения, является основной характеристикой источника излучения и задается либо в виде графика, либо в виде таблицы. Пространственная плотность потока излучения называется силой излучения (J) 
и представляет собой отношение потока излучения и телесному, в пределах которого он заключен и равномерно распределен. 
Излученность (Еп) 
представляет собой отношение потока излучения к площади, излучающей поверхности 
Облученность (Е) 
представляет собой отношение потока излучения падающего на поверхность к площади этой поверхности 
Экспозиция (количество облучения)(H)[Вт
) — представляет собой энергию оптического излучения, падающую на единицу площади облучаемой поверхности за промежуток времени: 
, где 
— мгновенное значение облученности.
1.2. Основные энергетические величины,
Энергия излучения – это количественная мера различных превращений материи, и, в частности, той, которая называется излучением. Энергия – это количество излученной, поглощенной, отраженной, пропущенной или рассеянной энергии. Единицами измерения энергии являются: 1 Дж = 1 Кл·1 В; 1 эВ = 1 е·1 В = 1,6·10 — 19 Дж.
Мощность (поток) излучения — это энергия излучения , излученная, поглощенная, отраженная, пропущенная или рассеянная за интервал времени , значительно превосходящий период колебаний световой волны, т. е.
Единицей измерения мощности (потока) излучения является 1 Вт = 1 Дж/с.
Угловая плотность потока излучения (сила излучения) – это поток излучения точечного источника, распространяющийся в данном направлении в малом телесном угле , т. е.
Сила излучения измеряется в Вт/ср.
Точечным источником называют источник излучения, поперечные размеры которого во много раз меньше по сравнению с расстоянием до объекта облучения.
Телесный угол – это область пространства, ограниченная конической поверхностью с центром в точке расположения источника, которая опирается на элемент сферической поверхности с произвольным радиусом , т. е. . Единицей измерения телесного угла является 1 стерадиан, так, что при = , = 1 ср. В частном случае для кругового конуса с половинным углом при вершине
Излучательность – это поток излучения, который испускается во всех направлениях (например, в полусферу) единичной излучающей площадкой протяженного источника излучения (не являющегося точечным); при ср эту величину называют полусферической излучательностью
Облученность – это поток излучения, падающий на единицу площади независимо от направления его распространения (иначе — поверхностная плотность падающего потока), т. е.
Энергетическая яркость — это отношение потока излучения , распространяющегося в заданном направлении в пределах телесного угла , к площади проекции элемента излучающей площади на плоскость, перпендикулярную направлению лучей, т. е.
1.3. Основные законы равновесного теплового излучения
Тепловое излучение является результатом превращения энергии микрочастиц вещества (электронов, ионов, атомов, молекул) в энергию их возбуждения и затем в энергию электромагнитного излучения. Из теплового излучения исключаются такие процессы излучения, которые обусловлены не температурой тела, а связаны с какими-либо его изменениями (ионизацией, поляризацией, химическими реакциями, фазовыми превращениями) либо сопровождаются неравновесными процессами излучения (люминесценцией, тормозным, рекомбинационным или вынужденным когерентным излучением), либо, наконец, перераспределением энергии излучения в пространстве (интерференцией волн).
Физическим носителем равновесного теплового излучения является абсолютно черное тело (АЧТ), модель которого, строго говоря, представляет собой вакуумированную замкнутую полость (часто в виде сферы), ограниченную непрозрачными изотермическими стенками, теплоизолированными от окружающей среды. При необходимости вывода излучения наружу полость снабжается отверстием малой площади ( — площадь внутренней поверхности полости), которое не нарушает равновесия в полости и позволяет считать, что отверстие АЧТ полностью поглощает все падающее внутрь него излучение независимо от направления его распространения, поляризации и спектрального состава, т.е. характеризуется полусферическим коэффициентом поглощения равным единице
При установлении в полости АЧТ состояния термодинамического равновесия (ТДР) совокупность любых находящихся внутри полости тел, элементов ее собственных стенок и объемной плотности энергии излучения является равновесной системой. В равновесной системе (полости) в соответствии с принципом детального равновесия излучение может оставаться макроскопически неизменным во времени, если каждому происходящему в полости элементарному микропроцессу соответствует обратно направленный микропроцесс той же вероятности. Состояние ТДР соответствует выполнению условий
которые утверждают неизменность объемной плотности мощности равновесного излучения во времени и в пространстве и отсутствие результирущего теплообмена в любой точке полости. Внутри полости акты излучения и поглощения статистически независимы, равновероятны и уравновешены.
Из формул (1.5) и принципа детального равновесия вытекает обязательность таких конкретных свойств поля равновесного излучения:
, которое свидетельствует о равновероятности элементарных актов излучения любого направления, т.е. о выполнении закона Ламберта, устанавливающего изотропность равновесного излучения;
, которое соответствует изотермичности объема и любых поверхностей в полости, включая и ее стенки.
Заметим, что успешность создания совершенной модели АЧТ зависит от степени соблюдения указанных условий.
К основным законам равновесного излучения относятся:
1. Закон Ламберта (закон косинуса) (1760 г.). Многолетний опыт показывает, что поверхность многих естественных и искусственных объектов или толстые слои дисперсных сред (такие как земная поверхность, песок, шероховатая поверхность графита, бумага, мел, облака, атмосфера и др.) характеризуются угловой зависимостью силы излучения, близкой к закону косинуса, т.е. где сила излучения в направлении нормали к поверхности.
Для таких объектов энергетическую яркость (см. формулу (1.4)) можно представить в виде
который показывает, что энергетическая яркость этих объектов, называемых ламбертовскими, при отклонении направления излучения от нормали к излучающей поверхности остается постоянной.
Объединяя формулы (1.1), (1.2) и (1.4), представим элементарный поток излучения ламбертовского источника в элемент телесного угла в направлении относительно нормали к поверхности выражением
Интегрируя последнее выражение по углу в пределах полупространства ( ), получим
и в соответствии с (1.3) запишем
Выражение (1.7) устанавливает зависимость между полусферической излучательностью и энергетической яркостью равнояркого (т.е. ламбертовского) источника излучения.
По аналогии с результатом (1.6) интегрированием в пределах телесных углов ср можно получить полезную в энергетических расчетах угловую зависимость излучательности ламбертовских источников в виде
Заметим, что закон Ламберта строго соблюдается только для АЧТ.
2. Закон Кирхгофа (~1860 г.). Закон Кирхгофа является результатом детального анализа излучательного энергообмена системы произвольно излучающих и поглощающих тел, расположенных в замкнутой непрозрачной изотермической полости, изолированной от внешней среды. Пусть в замкнутой полости находятся два непрозрачных тела в состоянии температурного равновесия, которые имеют излучательности и и коэффициенты поглощения и . Полагая, что тело 1 посылает в направлении тела 2 собственную мощность и отраженную мощность , а тело 2 в направлении тела 1 – соответственно мощности и , запишем их энергетический (тепловой) баланс уравнением = = = , из которого следует, что
т.е. тела, находящиеся в состоянии ТДР, испускают потоки излучения пропорциональные их коэффициентам поглощения. Положив, что одно из этих тел, например тело 1, является абсолютно черным, т. е. характеризуется излучательностью и =1, из (1.7) получим формулу
которая является другим, равноценным формуле (1.7), выражением закона Кирхгофа, показывающим, что отношение излучательности любого тела к его коэффициенту поглощения при данной температуре в равновесном состоянии не зависит от природы тела и равно универсальной функции – излучательности АЧТ при данной температуре. Преобразовав равенства (1.9), запишем их в виде уравнений
в которых отношения вида по определению являются коэффициентами излучения любого тела в равновесном состоянии. Из уравнений (1.9) видно, что в равновесном состоянии для любого тела при данной температуре справедливо тождество , которое является еще одним (равноценным с указанными ранее) выражением закона Кирхгофа 2 .
3. Закон Планка (1900 г.). Универсальная функция (см. 1.8), впервые постулированная Кирхгофом (1859 г.), была получена М. Планком (спустя более 40 лет) путем отказа от важнейшего в классической термодинамике принципа равного распределения энергии по степеням свободы и использования гипотезы квантования энергии излучения [1.3., С. 18] в виде
где ; ; , константы, выраженные через постоянную Планка, , постоянную Больцмана; — длина волны излучения.
При условии 1 универсальная функция Планка (1.10) переходит в известную формулу Вина
которая была получена (~1896 г.) на основе классической электродинамики и максвелловского распределения скоростей микрочастиц и с отклонением менее 1 % воспроизводит функцию Планка в коротковолновой области спектра излучения АЧТ. Из выражений (1.10) и (1.11) следует известный закон смещения Вина, определяющий положение максимума спектральной плотности излучательности АЧТ по шкале длин волн и имеющий вид
В другом предельном случае при соблюдении условия , раскладывая в формуле (1.10) третий множитель в ряд по степеням и ограничиваясь двумя первыми членами, получим и запишем (1.10) в виде
т.е. формулу Рэлея – Джинса, которая была получена экспериментально Рэлеем (1894 г.), теоретически обоснована Джинсом (1906 г.) и удовлетворительно совпадает с функцией Планка в длинноволновой области спектра.
4. Закон Стефана-Больцмана (экспериментально установлен Стефаном (1879 г.) и теоретически обоснован Больцманом (1884 г.)) определяет зависимость интегральной полусферической излучательности АЧТ от его температуры, т. е. является интегралом функции Планка по длине волны (или другому спектральному аргументу), который выражается формулой
называется постоянной Стефана-Больцмана. Формула (1.13) показывает, что интегральная полусферическая излучательность АЧТ пропорциональна четвертой степени абсолютной температуры T тела.
Завершая рассмотрение законов равновесного теплового излучения, напомним, что в конце 19 века формула Релея-Джинса (1.12) привела физиков к представлению о так называемом кризисе классической физики (иначе – «ультрафиолетовой катастрофе» и даже о тепловой смерти Вселенной).
Наглядным основанием для таких выводов можно признать кривую 1 на рис. 1.1, рассчитанную по формуле (1.12) и стремящуюся к бесконечно большим значениям спектральной плотности излучательности АЧТ в коротковолновой (высокочастотной ( )) области спектра. Анализ отношения в формуле (1.12) показывает, что она измеряется в единицах и представляет собой число степеней свободы (колебаний), приходящихся на единицу объема в единицу времени. Поскольку в классической физике средняя энергия, приходящаяся при данной температуре на одну степень свободы есть постоянная величина , то естественно, что при постоянной температуре излучателя и уменьшении длины волны (или увеличении частоты колебаний) спектральная плотность излучательности должна была стремиться к бесконечности.
Обратившись к функции Планка (1.10), используем формулы , определяющие постоянные и и, заменив на , запишем функцию Планка в виде
из которой следует, что первый множитель (в круглых скобках), как и в формуле Релея-Джинса (1.12), является числом степеней свободы в единице объема за единицу времени, а множитель (в квадратных скобках) представляет собой среднюю энергию, которая приходится на одну степень свободы и изменяется в зависимости от длины волны или частоты излучения. Сравнение формул Релея-Джинса (1.12) и Планка в виде (1.10′), показывает, что результаты рассмотрения проблемы равновесного излучения Джинсом (на основе классической термодинамики) и Планком (на основе квантовой гипотезы) не отличаются числом степеней свободы на единицу объема, но принципиально различаются средней энергией, приходящейся на одну степень свободы.
Таким образом, использование квантовой гипотезы Планка позволило не только избежать «ультрафиолетовой катастрофы», но и получить расчетный спектр излучения АЧТ, точно совпадающий с экспериментом.
Идея квантования энергии, введенная М. Планком в решение проблемы равновесного излучения, как оказалось со временем, далеко вышла за рамки этой задачи, но скоро приобрела фундаментальное значение в физике, знаменуя собой начало новой — квантовой физики.
Характеристики теплового излучения.
Излучаемая телом энергия —
, измеряется в джоулях. Мощность излучения или поток излучения 
— определяетсяэнергией излучаемой телом в единицу времени, измеряется в ваттах. [Ф]=Дж/с=Вт. Интегральная излучательность 
— физическая величина, равнаяэнергии, излучаемой в единицу времени с единичной площади нагретого тела [RT]=Вт/м 2 . В этом определении имеется в виду полная или интегральная энергия, излученная нагретым телом на всех длинах волн. 
— спектральная плотность излучательности это энергия, излучаемая телом с единичной площади, в единицу времени в единичном интервале длин волн вблизи данной длины волны 
. 
— зависит от 
,
и от природывещества тела. Зная 
можно найти 
: 
.
2. Поглощательная и отражательная способности тел.
Пусть на тело из вне падает поток излучения 
. Часть его пройдет, часть поглотится, часть отразится. Если толщина тела большая, то прошедшийпоток равен нулю. Тогда 
. 
— отраженный поток,
— поглощенный поток. Очевидно, что 
, где
— отражательная способность тела;
— поглощательная способность тела. 
— спектральная отражательная способность тела, показывает какая часть энергии, падающей в единицу времени на единицу площади в интервале 
вблизи некоторой длины волны
, отражается телом. 
— спектральная поглощательная способность тела, показывает какая часть падающей в единицу времени на единицу площади в интервале 
вблизи некоторой длины волны
, поглощается телом. 
, 
,
,
— величины безразмерные. В зависимости от значений величин ρλTи
все вещества делятся на четыре группы.
;
; для всех длин волн это абсолютно белое тело (поглощения нет, все излучение отражается).
;
; для всех длин волн это абсолютно черное тело (все падающее излучение поглощается).
; 
; одинаково для всех длин волн, тело серое.
; 
; зависят от длин волн, в этом случае тело цветное. Например: для всех цветов кроме синего
; 
; для синего цвета
; 
. Часть синего цвета отражается. Этим и объясняется цвет тела. Реально абсолютно черных и белых тел нет. Сажа, черный бархат, платиновая чернь имеют
в видимой области спектра, в инфракрасной области
заметно меньше единицы.
Моделью абсолютно черного тела может служить почти замкнутая полость. Луч света, вошедший в отверстие, испытывает многократное отражение. Поглощается в итоге почти вся энергия. Открытые окна домов со стороны улицы кажутся черными, хотя в комнатах много света из-за отражения света от стен.
3. 3Аконы теплового излучения.
Между излучательной и поглощательной способностями тел имеется определенная связь. Пусть внутри замкнутой оболочки, температура которой поддерживается постоянной, имеется несколько тел. Тела обмениваются энергией путем поглощения и испускания электромагнитных волн. В итоге все тела примут температуру оболочки. Но тело обладающее большей излучательной способностью будет больше излучать, чем тело с меньшей излучательной способностью, но поскольку температура тел не меняется, оно должно и больше поглощать. То есть, чем больше излучательная способность тела, тем больше и его поглощательная способность. Кирхгоф показал, что отношение спектральной излучательности 
к спектральной поглощательной способности
для данных
и
одинаково для всех тел и ровно спектральной плотности излучательности абсолютно черного тела
:
 , |
(1) |
Где 
– поглощательная способность абсолютно черного тела. Выражение (1) представляет закон Кирхгофа для теплого излучения. Из (1) видно, чем больше 
, тем больше 
, поэтому абсолютно черное тело, должно излучать больше, чем другие тела.
 Рис. 1. |
Разлагая излучение абсолютно черного тела в спектр и измеряя интенсивность излучения в разных участках спектра можно найти зависимость спектральной плотности излучательности абсолютно черного тела 
от длины волны при разных температурах (рис. 1). Площадь, охватываемая кривой равна интегральной излучательности абсолютно черного тела 
при соответствующих температурах. Стефан и Больцман, анализируя экспериментальные данные, пришли к выводу: интегральная излучательность абсолютно черного тела возрастает пропорционально четвертой степени абсолютной температуры тела:
 |
(2) |
где 
— постоянная Стефана – Больцмана равная
. Выражение (2) получило название закона Стефана-Больцмана. Немецкий физик Вин установил соотношение между 
, соответствующей максимальной излучательности 
абсолютно черного тела и его температурой:
 , |
(3) |
где 
. Выражение (3) отражает математически закон смещения Вина. Из анализа кривых на рисунке 1 следует, что максимальная спектральная излучательность 
пропорциональна пятой степени температуры:
 , |
(4) |
где 
— спектральная константа равная
. Всем перечисленным законам теплового излучения, полученным экспериментальным путем, классическая физика не смогла дать теоретического обоснования. В 1901г. Немецкий физик Планк получил правильное выражение для спектральной плотности излучательности абсолютного черного тела 
, предположив при этом, что энергия электромагнитного излучения меняется определенными пропорциями (квантами), величина которых равна:
 |
(5) |
где 
– постояннаяПланка, равная 
Дж∙с;
– частота излучения.
 |
(6) |
где 
— скорость света,
— постоянная Больцмана. Из формулы Планка (6) получаются все законы теплового излучения, как следствия. Интегрируя выражение (6) по 
, получим закон Стефана – Больцмана:
 |
Выражение 
и совпадает с постоянной Стефана – Больцмана в формуле (2). Приравняв нулю производную по
от выражения (6), получим закон смещения Вина:
    . |
Измерения теплового излучения
Все физические тела, температура которых больше абсолютного нуля, испускают тепловые лучи. Тепловое излучение – электромагнитное излучение, испускаемое веществом за счет его внутренней энергии.
Интенсивность теплового излучения резко убывает с уменьшением температуры тел. Большинство твердых и жидких тел имеют сплошной спектр излучения, т.е. излучают волны всех длинλ.
Видимое человеком излучение (свет): λ = 0,40—0,75 мкм.
Инфракрасный (невидимый свет): λ = 0,75—400 мкм. Далее радиоволновой диапазон.
Средства измерения, определяющие температуру тел по их тепловому излучению, называют пирометрами излучения. Пирометры используются для измерения температуры в диапазоне 300—6000 о С. Для измерения температур больше 3000 о С пирометры являются практически единственными СИ, т.к. они бесконтактны. Теоретически верхний предел измерения пирометров неограничен. В пирометрах используется в основном видимый свет и инфракрасный диапазон.
Измерение температуры тел по их тепловому излучению основывается на закономерностях, полученных для абсолютно черного тела. Если на внешнюю поверхность тела падает поток лучистой энергии Ф, то он частично поглощается Фп, отражается Фот и пропускается Фпр. Соотношение между этими потоками зависит от свойств тела и, в частности, от состояния его поверхности (степени шероховатости, цвета, температуры). Если тело поглощает весь падающий на него лучистый поток, то коэффициент поглощения его и такое тело называют абсолютно черным.
Реальные тела не являются абсолютно черными, и лишь некоторые из них по оптическим свойствам близки к ним, например, нефтяная сажа, платиновая чернь, черный бархат в области видимого света имеютα, мало отличающийся от 1.
Внешняя поверхность тел не только поглощает, но и испускает собственное излучение, зависящее от температуры.
В соответствии с законом Кирхгофа излучательная способность тел пропорциональна их коэффициентам поглощения. Так как коэффициент поглощения абсолютно черного тела αабс.ч.т.=1, то оно обладает максимальной излучательной способностью.
В пирометрии излучения в качестве величин, характеризующих тепловое излучение тел, применяют энергетическую светимость (излучательность) и энергетическую яркость (лучистость). При этом следует различать полную и спектральную светимость и яркость.
Под полной энергетической светимостью понимают полную (интегральную) поверхностную плотность излучаемой мощности.
Энергетической яркостью тела в данном направлении называется мощность излучения в единичный телесный угол с единицы площади проекции поверхности тела на плоскость, перпендикулярную данному направлению. Энергетическая яркость является основной величиной, непосредственно воспринимаемой человеческим глазом, а также всеми пирометрами, основанными на измерении температуры по тепловому излучению.
Все реальные тела по степени поглощения ими лучистой энергии отличаются от черного тела и имеют коэффициент поглощения меньше единицы. Излучательная способность реальных тел также отличается от лучеиспускательной способности черного тела и может быть охарактеризована коэффициентом излучения полнымε и спектральнымελ.
Реальные тела при одинаковой температуре имеют различную излучательную способность, оценку которой производят по отношению к излучательной способности абсолютно черного тела (значок * относится к абсолютно черному телу)
гдеελ –коэффициент спектрального излучения (степень черноты монохроматического излучения);
ε– коэффициент полного излучения (степень черноты полного излучения);
Еλ, Еλ * — спектральная энергетическая светимость;
Вλ, Вλ * — спектральная энергетическая яркость (воспринимается глазом);
Е, Е * — полная энергетическая светимость.
ελ является функцией длины волныλ и температуры Т. Тело, у которогоελ не зависит от температуры и λ, называют серым.
Зависимость между спектральной энергетической светимостью абсолютно черного тела Еλ * , его температурой Т и длиной волныλустанавливается законом Планка (см. рисунок 1.17)
Для выбранной λ с увеличением температуры резко возрастает Еλ * или Вλ * , так как
Указанный факт устанавливает возможность измерения температуры тела по его спектральной яркости с высокой чувствительностью.
Из графика (рисунок 1.17) видно, чтоλmaxуменьшается с увеличением температуры. По мере уменьшения температуры черного тела максимум распределения энергии его излучения смещается в сторону длинноволновой области спектра.
Рисунок 1.17 – Семейство кривых Еλ * , построенных по закону Планка
Это и явилось основанием использовать для измерения яркостной температуры тел инфракрасную область спектра.
Для реальных тел, имеющих каждый свой ελ
Если реальные тела имеют одну и ту же температуру, то из-за разностиελизмеренные значения Вλбудут различаться, что не позволяет иметь единую шкалу прибора, отградуированную в значениях истинной температуры различных объектов. В связи с этим шкалу пирометра приходится градуировать по излучению абсолютно черного тела.
Так как излучательная способность реальных тел меньше, чем черных, то показания пирометра будут соответствовать не действительной температуре реального тела, а дают условную температуру, в данном случае так называемую яркостную температуру.
Яркостной температурой реального тела называют такую температуру абсолютно черного тела, при которой его спектральная яркость В * (λ, Тя)равна спектральной яркости реального тела В(λ, Т)при его действительной температуре Т.
Используя (1.31), (1.32), (1.33), получим
Видно, что яркостная температура всегда меньше действительной температуры, так как ελ < 1.
Приборы, предназначенные для измерения яркостной температуры в видимой части спектра, обычно называют оптическими и фотоэлектрическими пирометрами.
Как видно из рисунка 1.17, с повышением температуры максимум кривой распределения энергии излучения по спектру смещается в сторону коротких волн. Длина волныλmax, соответствующая максимуму кривой распределения энергии в спектре излучения черного тела, связана с абсолютной температурой Т соотношением
где b – постоянная, равная 2896 мкм К.
Соотношение (1.35) носит название закона смещения Вина. Пунктирная линия (см. рисунок 1.17), проходящая через максимумы всех кривых, соответствует закону смещения Вина.
В видимой части спектра смещениеλmaxи, следовательно, перераспределение энергии, вызываемое изменением температуры тела, приводит к изменению его цвета. Это послужило основанием существующие методы измерения температур тел, основанные на изменении с температурой распределения энергии внутри данного участка спектра излучения, назвать цветовыми методами. Условная температура тела, измеренная этими методами, называется цветовой температурой.
Наибольшее распространение из существующих получил метод измерения цветовой температуры в видимой части спектра по отношению энергетических яркостей в двух спектральных интервалах.
Цветовой температурой (Тц) называется такая температура абсолютно черного тела, при которой отношение его спектральных энергетических яркостей при длинах волнλ1 иλ2равно отношению спектральных яркостей реального тела при тех же длинах волн и его действительной температуры Т.
Известно, что . Учитывая (1.31), (1.32), (1.33), получим
Практически серыми считают реальные тела: керамика, оксиды металлов, огнеупорные материалы, гранит и др. Преимущества цветового метода для них очевидны, так как яркостная температура всегда, в отличие от цветовой, ниже действительной.
Приборы, предназначенные для измерения цветовой температуры по отношению спектральных энергетических яркостей, принято называть пирометрами спектрального отношения или цветовыми пирометрами.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: