Категории
Энергетика
Тепловое излучение и поглощение электромагнитных волн веществом. Тепловое равновесие тел. Абсолютно черное тело. просмотров - 543
Поляризационные приборы и их применение.
Поляризационные приборы (иначе поляризаторы) превращают естественный свет в линейно-поляризованный. Все они работают по принципу отделения обыкновенного луча от необыкновенного. Примером поляризатора может служить пластинка турмалина. Турмалин представляет собой двоякопреломляющий кристалл, в котором один из лучей (обыкновенный) поглощается значительно сильнее, чем другой. По этой причине из пластинки турмалина оба луча, поляризованных во взаимно перпендикулярных плоскостях, выходят с различной интенсивностью, и прошедший через нее свет оказывается частично поляризованным. В случае если взять достаточно толстую (около 1 мм) пластинку турмалина, то в случае видимого света обыкновенный луч практически целиком поглощается и вышедший свет будет плоскополяризованным. Турмалин является не только поляризатором, но и светофильтром, практически пропускающим зелено-желтую область видимого спектра.
Сегодня широкое применение получили поляроиды. Для изготовления поляроида между двумя пластинами стекла или оргстекла заклеивается пленка из дихроичного вещества, практически полностью отражающая обыкновенный луч; вся эта система закрепляется в оправе. Установлено, что такая пленка толщиной порядка 0,1 мм поглощает один из лучей, к примеру, современные поляроиды пропускают фиолетовую, а также красную области спектра поляризованными лишь частично.
Одним из недостатков поляроидов являются их недостаточная прозрачность, они дают окрашенный свет и, кроме того, они хорошо работают только в относительно узком спектральном диапазоне. Поляроиды применяются для защиты от ослепляющего действия солнечных лучей. Также с помощью поляроида можно проанализировать характер поляризации света и определить направление колебаний электрического вектора напряженности.
Глава 21. Взаимодействие электромагнитных волн с веществом
Поглощением света принято называть явление уменьшения энергии световой волны при ее распространении в веществе, происходящее вследствие преобразования энергии волны во внутреннюю энергию вещества или в энергию вторичного излучения, имеющего другой спектральный состав. Поглощение света можно вызвать нагревание вещества, фотохимические реакции и другие процессы в веществе.
Поглощение света описывается законом Бугера, согласно которому, интенсивность I плоской волны монохроматического света уменьшается по мере прохождения через поглощающую среду по экспоненциальному закону:
,
где I0 - интенсивность света на входе в поглощающий слой, l - толщина слоя, א - постоянная, зависящая от химической природы и состояния поглощающей среды и называемая коэффициентом поглощения среды. Зависимость показателя поглощения среды от длины волны характеризует спектр поглощения света в данной среде.
Спектр поглощения получается, если на пути лучей, падающих на призму, поместить какое - либо вещество. Это вещество не пропустит определенные лучи (поглотит их), и на экране на сплошной спектральной полоске появятся линии или полосы - спектр поглощения.
По виду различают спектры сплошные, линейчатые и полосатые. Сплошной спектр - это непрерывная радужная полоска. Такой спектр получается в результате свечения твердых или жидких тел (к примеру, в электрической лампочке – накаленная металлическая нить).
Линейчатый спектр - это совокупность определенных спектральных линий (на черном фоне). Линейчатые спектры испускаются светящимися атомами. Полосатые спектры испускают целые светящиеся молекулы, он представляет собой отдельные спектральные полосы, один край которых резкий, а другой размытый.
Все тела в той или иной степени излучают электромагнитные волны. К примеру, сильно нагретые тела светятся, а при обычных температурах являются источниками только невидимого инфракрасного излучения.
Электромагнитное излучение, испускаемое веществом и возникающее за счет его внутренней энергии, принято называть тепловым излучением. Оно зависит только от температуры и оптических свойств излучающего тела. В случае если расход энергии тела на тепловое излучение не восполняется за счет подвода к телу теплоты, то его температура постепенно понижается, а тепловое излучение уменьшается.
Теплообменом излучения (радиационным теплообменом) принято называть самопроизвольный процесс передачи энергии форме теплоты от более нагретого тела к менее нагретому, осуществляющийся путем теплового излучения и поглощения электромагнитных волн этими телами.
Тепловое излучение - единственное, ĸᴏᴛᴏᴩᴏᴇ может находиться в термодинамическом равновесии с веществом. При равновесии расход энергии тела на тепловое излучение компенсируется за счет поглощения телом такого же количества энергии падающего на него излучения. Равновесное излучение устанавливается в адиабатически замкнутой системе (т. е. такой, которая не обменивается теплотой с внешней средой) и все тела которой находятся при одной и той же температуре.
Количественной характеристикой теплового излучения является излучательная (испускательная) способность rν, которая определяет энергию электромагнитных волн, излучаемых за единицу времени с единицы площади поверхности тела в узком интервале частот от ν до ν+dν:
Помимо излучательной способности тела вводят понятие интегральной излучательной способности (или энергетическая светимость), которая определяет энергию излучения за единицу времени с единицы площади во всем спектре излучения:
Поглощательной способностью тела принято называть безразмерная величина aν, показывающая, какая доля энергии электромагнитных волн с частотами от ν до ν + dν, падающих на поверхность тела, поглощается им:
.
Значение aν зависит от частоты, температуры, химического состава тела и состояния его поверхности.
![]() |
Серым телом принято называть тело, поглощательная способность которого меньше единицы и не зависит от частоты (длины волны) света͵ направления его распространения и поляризации.
Законы теплового излучения
1. Закон Кирхгофа: отношение испускательной способности тела к его поглощательной способности не зависит от природы тела и равно испускательной способности абсолютно черного тела r* при тех же значениях температуры и частоты:
2. Закон Стефана—Больцмана: энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температуры:
,
где σ = 5,67 · 10-8 Вт/м2 К4 — постоянная Стефана— Больцмана.
3. Закон смещения Вина: длина волны λm, соответствующая максимальному значению спектральной плотности энергетической светимости черного тела, обратно пропорциональна его термодинамической температуре:
где b = 2,9 · 103 м · К — постоянная Вина.