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 температура (ТL):
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.
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.