Помощничек
Главная | Обратная связь


Археология
Архитектура
Астрономия
Аудит
Биология
Ботаника
Бухгалтерский учёт
Войное дело
Генетика
География
Геология
Дизайн
Искусство
История
Кино
Кулинария
Культура
Литература
Математика
Медицина
Металлургия
Мифология
Музыка
Психология
Религия
Спорт
Строительство
Техника
Транспорт
Туризм
Усадьба
Физика
Фотография
Химия
Экология
Электричество
Электроника
Энергетика

Основные законы теплового излучения



ИСТОЧНИКИ И ПРИЕМНИКИ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Часть I

ИСТОЧНИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ

 

Содержание

I. Общие вопросы

II. Спектральные характеристики

III. Основные законы теплового излучения

IV. Некогерентные источники излучения:

1.Лампы накалывания

2. Глобары

3. Газоразрядные ИИ

4. Полупроводниковые ИИ

5. Естественные ИИ

V. Источники когерентного излучения:

1. Принцип работы лазера

2. Газовые лазеры

3. Твердотельные лазеры

4. Жидкостные лазеры

5. Полупроводниковые лазеры

6. Режимы работы лазеров

7. Применение лазеров.

 

1.Общие вопросы.

Волновая теория

Eo – амплитуда

ω – частота

φ - фаза

λмкм 10-8 10-5 10-3 10-1 1 103 105

Космические лучи J лучи рентген УФ видимое ИК радиоволны

υ Гц 1023 1021 1019 1017 1016 1015 1013 1011 109

 

Квантовая теория – порция энергии

 

Е=hυ =hс/λ

 

Основные энергетические и световые единицы.

 
 


энергетические световые

       
   
 
 


Поток Световой

излучения поток

Энергия Световая

Излучения энергия

 

Сила Сила

излучения света

 
 


Энергетическая Светимость

светимость

 

 

 
 


Энергетическая Яркость

яркость

 

 

       
   
 
 

 


Облученность Освещенность

 
 

 

 


А1 – площадь излучателя

А2 – площадь облучаемая

Кm= 680 лм/Вт ( при λ=0,555)

Vλ – относительная спектральная световая эффективность

Кд – сила света, излучаемая 1/60 см2 черного тела при температуре затвердевания платины (2047 К). Свеча=1,005 кд.

Лм – световой поток источника в 1 кд в телесном угле 1 ср.

Кривая видности человеческого глаза (относительная спектральная световая эффективность)

 

                             
 
 
   
0,4
       
0,8
     
0,5
 
 
 
 
   
 
       
 

 

 


Монохроматическому потоку dФe, λ соответствует световой поток dФv, λ.

 

Полный световой поток (интегральный)

 

 

Глаз

105 ÷10-6 лк

10-17 ÷10-5 Вт

 


Спектральные характеристики излучателей.

Полосовой (молек.- ксеноновая лампа)
Виды спектров

 
 


 

           
     
 
 
 

 

 


λ λ λ

Основные законы теплового излучения

Тело, полностью поглощающее весь падающий поток, независимо от направления, спектрального состава и поляризации, называется черным телочерное тело. εl.т= 1 (при любых l и т).

εl.т < 1 – серое тело (a =0 идеальное зерк.)

Излучение черных тел подчиняется ряду законов, которые с поправками на коэффициент теплового излучения применяются для серых.

а) Закон Кирхгофа.(1859г.)

Отношение лучеиспускательной способности тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел и является универсальной функцией только частоты и температуры εl.т.

Т.е. коэффициент излучения равен коэффициенту поглощения для противоположно-направленного излучения (при любой температуре и любой l)

Или: отношение спектральной плотности энергетической светимости к спектральному коэффициенту поглощения есть величина постоянная.

Для черного тела al,т=1

Поэтому для любого тела:

Модель черного тела

               
 
   
     
При a = 5 e = 0,7 эффективный коэффициент излучения ≥ 0,99
   
 
 
 

 

 


Рис. 3.

 

б) Закон Стефана-Больцмана (1879).

(полная энергетическая светимость)

s - постоянная Стефана –Больцмана (5,6×10-12вт/см2×град-4)

т.к. черное тело одновременно поглощает падающую энергию от окружающей среды:

Доказывается теоретически применением цикла Карно для черного излучения.

в) Закон смещения Вина (1894) Второй закон Вина

lmax×Т=2898 [мкм×К]

на практике:

г)Закон Планка (1900)

h – постоянная Планка

k – постоянная Больцмана

с – скорость света

Чаще не через v, а через l.

С1 = 2phc2

C2 = hc/k

k- постоянная Больцмана.

С1 = 3,74×10-16Вт×м2, С2 = 1,44×10-2м.К.

 

       
   
 
 

 


Рис. 4.

 

Закон Вина (смещения) можно получить, продифференцировав формулу Планка по l и приравняв ее к нулю. Закон Стефана-Больцмана может быть получен интегрированием формулы Планка по l от 0 до ∞.

Если в формулу Планка подставить lmax от Меч.т. (lmax) = С¢т5 - второй закон Вина.

Пользоваться формулой Планка для расчетов не очень удобно. Чаще пользуются приведенной формулой Планка (в относительных единицах)

x = l/lmax

y = Me,l/ Me,lmax

y

 

 

 
 

 


д) Тепловые излучения реальных тел.

У реальных тел al,т <1 (коэффициент излучения)

- Тела с селективным излучением (газы, металлы)

- Тела с серым излучением (графит, сажа, железо и др.)

eт - интегральный коэффициент излучения.

el,т – спектральный коэффициент излучения.

;

Закон Кирхгофа e = aт el,т = alт

Закон Стефана-Больцмана для реальных тел. Me = eт×s Т4

Эквивалентная температура - температура черного тела, при которой одна из характеристик его излучения совпадает с соответствующей характеристикой излучения реального тела при той же Т.

- радиационная (энергетическая ) температура (Тм) это температура черного тела, при которой суммарная энергетическая яркость совпадает с яркостью исследуемого тела.

(из закона Стефана-Больцмана) Тм всегда < Т

- Яркостная температураL):

Температура черного тела, при которой яркость в пределах узкого участка спектра равна яркости исследуемого тела. Обычно определяемой вблизи

l = 0,655

ТL также < Т

- цветовая (Тс)

температуру черного тела, при которой в видимой области спектра относительное распределение спектральной плотности энергетической светимости черного тела и реального тела при данной Т максимально близки.

Тс может быть и меньше и больше Т.

Для большинства излучений Тс ближе к Т чем к ТL и Тм.

Обычно определяют Тс по l1 = 0,655 и l2 = 0,467

 

IV. Некогерентные источники излучения.

1.Лампы накаливания.

Лодыгин. 1872 – лампа накалывания угольной нитью. Эдисон. 1879 вольфрамовая нить. Яблочков. 1876 – дуговая лампа.

Источники видимого света и в ближней ИК- -области. Спектр – сплошной. Простота включения. Характеристики определяются температурой тела накала. Больше греют чем светят.

ИК – 70-80%, видимое - 7-15%

Нить накала – вольфрам с присадками.

Бывают вакуумные и газонаполненные. Заполнение инертным газом, позволяет поднять температуру нити до 3000 К.

Вольфрамовая нить постепенно испаряется и осаждается на колбе. Потемнение и перегорание. Галогенные лампы: вводится небольшое количество галогена (йод или бром). При температуре 300-1000°С пары галогена соединяются с испарившимся вольфрамом, образуя галогениды. При температуре > 1400°С галогениды распадаются вблизи нити накала и вольфрам оседает на нить. Возвратный цикл. Удлиняется срок службы и можно поднять температуру накала до 3400 К. Колбы из кварца или тугоплавкого стекла.

Преимущества: малая стоимость, простота включения, большой срок службы.

Недостатки: малая световая отдача, большая инерционность нити накала.

 

2. Глобары. (силиты).

Стержни из проводящих малоокисляемых материалов. Карбид кремния (карборунд), графит, токопроводящие керамики, силиты. Температура стержня - 1000°С. С защитным слоем до 2000°С (окись тория). Используются: для аттестации ПИ в ближних ИК областях, как нагреватели (камины, шашлычницы и т.п.)

При включении стержня его сопротивление сначала падает при нагреве (до температуры - 400-300°С), затем снова повышается. Чтобы концы не перегревались, их делают либо толще, вводят в стержень примеси железа. (понижение R). Концы должны иметь температуру - 200-300°С.

Излучатель Нернста (штифт Нернста) стержень, спрессованный из двуокиси циркония (ZrO2) и окиси иттрия (Y2O2) и спеченный при высокой температуре. В холодном состоянии – изолятор. При разогреве до 1100 К начинает проводить ток. При Т = 1700 К – 2 максимума: l1 = 1,5мкм, l2 = 5,5мкм. При Т = 2000 К 2-ой максимум исчезает. e - достигает - 0,5.

 


3. Газоразрядные ИИ.

Электрический разряд в атмосфере инертных газов, паров металлов и их смесей.

 
 

 


Рис.6.

 

1. – тихий

2. – тлеющий Ua - 50÷400B

3. – аномальный тлеющий

4. - дуговой

При низких давлениях и температуре спектр линейчатый.

 

а) Люминесцентные лампы

 

 
 

 


Рис.7

 

1 Па = 0,1 мм вод.ст. = 7,5×10-3 мм рт.ст. Дуговой разряд в парах ртути заполняется аргоном + несколько мг ртути. Давление нескольких сот ПА (неск. мм рт.ст.)

Излучение УФ: l1 = 0,25 l2 = 0,18 мкм

Порошкообразный люминофор – вольфраматы, силикаты, фосфаты кальция, цинка и др. металлы. В пускателе – биметалл.

Пускатель (стартер): реле тлеющего разряда – загорается и замыкает контакты биметалла из-за нагрева. Остывает, снова загорается. Когда лампа загорится, напряжение на ней падает и реле гаснет.


       
 
   
 

 


Спектр смешанный

           
   
   
 
 
 

 

 


Рис. 8.

 

Р = 3¸80 Вт, светоотдача – 80 лм/Вт, яркость до 7000 кд/м2, срок службы до 12000ч.

Очень чувствительны к температуре и влажности.

Бактерицидные лампы без люминофора, из увиолевого стекла.

 

 

 
 


U

 

 
 

 

 


t

 

Рис. 9.

Излучает 100 Гц. Включают по 2 лампы со сдвигом по фазе.

 

 

б.) Ртутные лампы высокого (1 Па – 10-2мм рт.ст. – 1000 Па) и сверхвысокого

(1 – 10 Мпа) давления

Они заполняются аргоном с ртутью. В лампе есть поджигающий электрод (вблизи от одного из основных). Вначале возникает разряд в аргоне между поджигающим и основным электродами (вольфрамовыми катодами). В момент зажигания - лампа низкого давления. В процессе разогрева катодов и испарения ртути давление повышается. При давлениях - 3¸107 Па – спектр сплошной со слабо выраженными полосами. Дуговой разряд имеет форму шнура. Изготовляются из цилиндрической трубки тугоплавкого стекла. Катоды из вольфрама. Есть в виде толстостенного шара из кварца (с малым расстоянием между катодами).

Время разогрева 2¸5 мин.

Яркость до 2×107 кд/м2, световая отдача до 60 лм/Вт

Используются в качестве яркого источника излучения или УФ.

Типы: СВДШ – спектр полосовой (УФ и видимое)

ДРТ – излучение УФ.

 

Для повышения светоотдачи используются метало - галогенные лампы. Помимо ксенона, аргона и ртути вводится: йодиды ртути, натрия, лития, индия и йода. В зоне разряда (до 6000 К) йодиды распадаются на металлы и йод. У стенок (где Т – 1000 К) йод с металлами соединяется снова в йодиды. Активное участие принимают свободные атомы металлов и йода. Устанавливается галогенный цикл. Светоотдача при этом до 90 лм/Вт.

 

в) Газовые лампы высокого и сверхвысокого давления.

Используется дуговой разряд в тяжелых инертных газах (аргон, криптон, ксенон). Давление 1¸50 атм. Давление меняется мало. Разгораются быстро. Спектр очень близок к солнечному. Ксеноновые лампы чаще питают постоянным током. Рабочее положение вертикальное. Анод массивный и сверху.

Шаровые ксеноновые лампы с естественным охлаждением – ДКСШ, с водяным – ДКСР.

Колбы из кварца. Лампы большой мощности только два электрода с малым расстоянием.




©2015 studopedya.ru Все права принадлежат авторам размещенных материалов.