что такое ачт в физике

Модели АЧТ

Как связаны абсолютно чёрное тело и тепловизор?

Абсолютно чёрное тело — это объект, который поглощает всё направленное на него э/м излучение и ничего не отражает. Не стоит опираться на само название, чтобы определить цвет тела. Оно испускает широкий диапазон э/м волн. Из-за их различных параметров тело может оказаться не чёрного цвета, а золотистого, алого и других цветов. Название этому объекту в 1862 году дал Г. Кирхгоф.

Абсолютно чёрное тело используют при таких задачах, как калибровка и поверка пирометров, тепловизоров, ИК-камер, калибровка спектральных радиометров и спектрографических анализаторов.

Тепловое излучение тел является одним из источников информации о температуре этих тел и может быть использовано для его измерения. Раздел температурных измерений, который изучает методы и средства измерения температуры тел по их тепловому излучению, называется пирометрия. Приборы, измеряющие температуру бесконтактным методом по тепловому излучению, называются пирометрами и тепловизорами.

По принципу измерения пирометры бывают: монохроматические, полного излучения, частичного излучения и спектрального отношения. Градуировка монохроматических пирометров, а в некоторых случаях и пирометров спектрального отношения может проводиться по температурным лампам, а остальных типов пирометров и тепловизоров по моделям абсолютно черных тел (АЧТ), причем таких пирометров, выпускаемых в настоящее время, абсолютное большинство.

Поэтому применение моделей АЧТ для градуировки пирометров и тепловизоров является актуальным. По конфигурации полости модели АЧТ могут быть сферическими, цилиндрическими, коническими Температурный диапазон моделей АЧТ очень широк — от минус 50°С до плюс 2500°С. От температурного диапазона зависит размер выходного отверстия излучателя (определяется показателем визирования градуируемых пирометров), а также способ нагрева (или охлаждения) модели АЧТ.

Такие модели АЧТ выпускает компания «МЕТРОПИР» по заказам. Все эти модели снабжены высокоточными регуляторами температуры и различными устройствами для автоматизации измерений.

Источник

Основные законы излучения абсолютно черного тела (АЧТ)

Абсолютно черных тел в природе не существует. В качестве модели АЧТ используют отверстие в стенке непрозрачной полости с размерами много меньше самой полости. При равномерном нагреве всей поверхности полости данное отверстие по своим свойствам приближается к абсолютно черному телу, т.е. поглощает все падающее на него излучение и само при этом является идеальным излучателем – излучает максимально возможное количество энергии.

Расчет собственного излучения реальных тел основан на законах излучения АЧТ.

В 1900 году на основе квантовой теории немецкий физик Макс Планк вывел закон, устанавливающий зависимость спектральной интенсивности излучения абсолютно черного тела ( ) от длины волны ( ) и абсолютной температуры (Т) – . Этот закон носит имя Планка и имеет вид:

, (6.13)

где T – абсолютная температура абсолютно черного тела, К; С₁ и С₂ – коэффициенты, связанные с универсальными физическими константами следующими соотношениями: ; , в которых м/с – скорость света в вакууме; Дж·с – постоянная Планка; Дж/K – постоянная Больцмана.

График зависимости изображен на рис. 6.3. Анализ этого графика позволяет сделать следующие выводы:

— зависимость имеет экстремальный характер;

— с ростом температуры длина волны ,при которой наблюдается максимум спектральной плотности потока излучения АЧТ, уменьшается.

Рис. 6.3. Спектральная плотность потока излучения АЧТ

Длина волны, при которой наблюдается максимальное значение спектральной плотности потока собственного излучения и температура связаны обратно пропорциональной зависимостью:

. (6.14)

Этот закон является следствием закона Планка. Однако он был получен Вином ранее (в 1893 году) и поэтому носит его имя. Зная , по формуле (6.14) легко найти температуру излучателя.

Закон Стефана-Больцмана при условии термодинамического равновесия устанавливает связь плотности потока собственного излучения поверхности АЧТ (Е₀) с его абсолютной температурой (Т):

В расчетах на калькуляторе закон Стефана-Больцмана удобно применять в следующем виде:

, (6.16)

где = 5,67 Вт/(м 2 ×К 4 ) – коэффициент излучения абсолютно черного тела.

Закон Стефана-Больцмана был экспериментально установлен Стефаном в 1879 году, а теоретически обоснован Больцманом в 1884 и Планком в 1901 годах.

Излучение реальных тел. Закон Кирхгофа.

Излучение реальных тел отличается от излучения абсолютно черного тела, как по спектральному составу – виду функции , так и по величине (рис.6.4,а). При равных температурах реальные тела излучают тепловой энергии меньше, чем АЧТ. И при этом максимум спектральной плотности потока излучения у металлов смещен в сторону коротковолновой части спектра, а у диэлектриков – в сторону длинноволновой части спектра относительно максимума спектральной плотности потока излучения АЧТ.

Рис.6.4. Спектральное распределение энергии излучения (а)

и степени черноты (б) различных тел:

1 – АЧТ; 2 – металл; 3 – диэлектрик; 4 – серое тело

Для характеристики излучения реальных тел введено понятие спектральной степени черноты , которая характеризует соотношение между спектральной плотностью потоков собственного излучения реального тела и абсолютно черного тела :

. (6.16)

Коэффициент изменяется в пределах от 0 до 1 и для каждой длины волны λ характеризует долю, которую данного тела составляет от абсолютно черного тела при одной и той же температуре. Изменение спектральной степени черноты различных тел показано на рис. 6.4,б. Из формулы (6.16) следует, что спектральная степень черноты абсолютно черного тела равна единице.

Спектральная степень черноты реального непрозрачного тела зависит от длины волны, природы тела, состояния его поверхности и температуры.

Абсолютно черное тело поглощает все падающее на него излучение ( ) и одновременно является идеальным излучателем у которого . Данное обстоятельство наводит на мысль, что и у реальных тел между излучательной способностью и его поглощательной способностью существует однозначная связь. Эту связь установил немецкий физик Кирхгоф в 1859 году и поэтому ее называют законом Кирхгофа. По закону Кирхгофа отношение спектральной плотности потока собственного излучения (спектральной лучеиспускательной способности) любого тела к его спектральной поглощательной способности есть величина постоянная и равная спектральной плотности потока АЧТ, имеющего ту же температуру:

. (6.17)

Сравнивая выражения (6.16) и (6.17), несложно сделать вывод о том, что спектральная поглощательная способность равна спектральной степени черноты:

. (6.18)

Равенство (6.17) является следствием из закона Кирхгофа и строго справедливо при локальном термодинамическом равновесии между излучением и веществом, что на практике не выполняется. Однако допущение о локальном термодинамическом равновесии в расчетах радиационного теплообмена подтверждается результатами экспериментов.

Понятие серого тела

Плотность потока собственного излучения тела в узком элементарном спектральном диапазоне – спектральную плотность теплового потока можно рассчитать, применив формулу (6.16):

. (6.19)

Затем, экспериментально установив зависимость спектральной степени черноты от длины волны и температуры для данного материала, можно найти и лучеиспускательную способность реального тела:

. (6.20)

Такой подход к расчету собственного излучения реальных тел весьма сложен из-за необходимости экспериментального определения спектров излучения реальных тел, которые при данной температуре зависят не только от природы вещества, но и от его структуры и состояния поверхности. Поэтому в инженерных расчетах с целью их упрощения, как правило, излучение реальных тел моделируют излучением идеального серого тела. Излучение серого тела обладает всеми свойствами излучения абсолютно черного тела. При этом спектр излучения серого тела подобен спектру излучения АЧТ (штриховая линия на рис. 6.4,а), а его спектральная плотность потока излучения меньше спектральной плотности потока излучения АЧТ в одинаковое число раз. Т.е. спектральная степень черноты серого тела при данной температуре не зависит от длины волны: (штриховая линия на рис. 6.4,б). У серого тела лучеиспускательная способность будет равна:

. (6.21)

. (6.22)

Интегральная степень черноты серого тела или степень черноты зависит от природы тела, состояния его поверхности и температуры.

Закон Кирхгофа для серого тела принимает вид:

(6.23)

и формулируется следующим образом: «Отношение плотности потока собственного излучения (лучеиспускательной способности) серого тела к его поглощательной способности есть величина постоянная и равная плотности потока излучения АЧТ при условии равенства температур обоих тел».

Сравнивая выражения (6.22) и (6.23) можно сделать вывод о том, что степень черноты серого тела равна его поглощательной способности:

. (6.24)

Источник

Законы излучения АЧТ

Рис. 3

Сформулируем частные законы излучения АЧТ.

.

(8)

2. Закон смещения (Вина). Частота, на которую приходится максимум испускательной способности АЧТ, пропорциональна его абсолютной температуре:

,

(9)

где b — постоянная Вина.

Закон Вина устанавливает положение максимума кривой r*(n,T) с повышением температуры максимум смещается в область более высоких частот.

3. Высота максимума кривой r*(n,T). Она устанавливается следующим законом (иногда его называют вторым законом Вина): максимальная испускательная способность АЧТ пропорциональна кубу его абсолютной температуры:

(10)

Эти законы, однако, не дают возможности воспроизвести явный вид функции r*(n,T). Для нахождения вида этой функции Д. Релей и Д. Джине воспользовались классическим законом распределения энергии по степеням свободы (§ 9.3) и получили следующее выражение для испускательной способности АЧТ:

(11)

где c — скорость света; k — постоянная Больцмана.

Формула Релея – Джинса (11) хорошо согласуется с опытом в области малых частот, однако в области больших частот эта формула резко расходится с экспериментом (пунктирная линия на рис. 3). Такое несоответствие теории и эксперимента получило название ультрафиолетовой катастрофы.

Таким образом, в рамках классической физики не удалось объяснить закономерности теплового излучения АЧТ. Причина этого состоит в принципиальной неприменимости законов классической физики к элементарным процессам, обусловливающим тепловое излучение.

4. Формула Планка. В 1900 г. М. Планк высказал гипотезу, что процесс испускания и поглощения света происходит не непрерывно, а определенными порциями (квантами), энергия которых определяется формулой

(12)

С помощью таких квантовых представлений о природе излучения Планк нашел функцию распределения энергии излучения АЧТ по частотаv (см. прил. 6):

(13)

которая очень точно воспроизводит экспериментальную кривую r*(n,T).

С помощью формулы Планка (29.13) можно объяснить все закономерности излучения АЧТ, установленные ранее. В частности, в области низких частот, когда hn/kT

Различают яркостные, цветовые и радиационные пирометры.

В простейшем визуальном яркостном пирометре с исчезающей нитью объектив фокусирует изображение исследуемого тела на плоскость, в которой расположена нить (ленточка) специальной лампы накаливания. Через окуляр и красный фильтр нить рассматривают на фоне изображения тела и, изменяя ток накала нити, добиваются, чтобы яркости нити и тела были одинаковы (нить становится неразличимой на фоне тела). Шкалу прибора, регистрирующего ток накала, градуируют обычно в градусах Цельсия или Кельвина, и в момент выравнивания яркостей нити и тела прибор показывает так называемую яркостную температуру тела Tя.

Для измерения температуры тел, которые в оптическом диапазоне являются серыми, применяют цветовые пирометры. Этими пирометрами измеряют яркость тела в двух областях спектра — синей и красной (например, lc = 0,48 мкм и lкр= 0,60 мкм). Шкала прибора градуирована в °С и показывает цветовую температуру Tц.

Наиболее чувствительны радиационные пирометры, регистрирующие суммарное излучение тела. Действиеих основано на законах Стефана –Больцмана и Кирхгофа. Объектив радиационного пирометра фокусирует наблюдаемое излучение на приемник, сигнал от которого регистрируется прибором, калиброванным по излучению АЧТ и показывающим радиационную температуру Tр. В качестве приемника используют либо термостолбик (батарею последовательно соединенных термопар), либо болометр, действие которого основано на уменьшении сопротивления полупроводников при их нагреве.

Измеряемые с помощью пирометров температуры (яркостная Tя, цветовая Tц, или радиационная Tр) пересчитываются на основании законов теплового излучения в истинную. Например, истинная T и радиационная Tр температуры связаны соотношением

где a_T — поглощательная способность тела.

Методами пирометрии измеряют температуру в печах и других нагревательных установках, температуру расплавленных металлов, нагретых газов, племени, плазмы. Их широко используют в автоматизированных системах контроля и управления температурными режимами разнообразных технологических процессов.

Источник

Абсолютно-черные тела

Абсолютно черные тела это модули, которые работают как идеальный излучатель теплового излучения в спектральном диапазоне от видимого спектрального диапазона до микроволновых. Мы предлагаем Вам высокотехнологичные черные тела, оптимизированные для узкого его применения. Эти черные тела можно разделить по типу использования на следующие группы:

Абсолютно черные тела DAP являются идеальным решением для калибровки коэффициента неравномерности тепловизоров. По работе абсолютно черное тело эквивалентно двум стандартным черным телам, но предлагается по стоимости лишь немного выше обычного черного тела TCB. В то же время абсолютно черные тела достигают сверхвысокую точность дифференциальной температуры между двумя излучателями черного тела DAP.

Абсолютно черные тела MAB это черные тела с высокой излучательной способностью, работающие в THz и коротко волновом СВЧ диапазоне, распространенном на международном рынке. Черные тела были разработаны после проведения длительных экспериментов. Конструкция этих черных тел основана на использовании специального поглощающего покрытия, оптимизированное для диапазона ТГц / короткого СВЧ-диапазона, большой термически однородной пластины эмиттера и сверхточной электроники контроля.

Абсолютно черные тела HTB это черные тела, позволяющие генерировать высокую температуру, которые позволяют регулировать температуру в диапазоне от +100°C до +1200°C. Размеры эмиттера черного тела в зависимости от модификации варьируются от 20 мм до 50 мм.

Абсолютно черные тела UHT это высоко температурные черные тела рабочей температурой в диапазоне до 1500°C. Благодаря специальной конструкции абсолютно черное тело UHT обеспечивает высокую излучательную способность в исключительно широком спектральном диапазоне от около 1 мкм до 3000 мкм. Эта позволяет использовать черное тело UHT в качестве стандартного источника излучения как в ИК-диапазоне, так и в диапазоне ТГц. Черное тело также характеризуется относительно большой апертурой 38 мм.

Источник