Corps noir – Wikipedia

UN Corps noir (aussi: Projecteurs noirs , Planckscher Spotlight , Corps noir idéal ) est une source de rayonnement thermique idéalisée. L’idéalisation est qu’un tel corps absorbe complètement tout le rayonnement électromagnétique de toute longueur d’onde, tandis que les corps réels en lancent toujours une partie. Dans le même temps, il envoie un rayonnement électromagnétique en tant que rayonnement thermique, l’intensité et la distribution spectrale dont sont indépendants de la nature plus approfondie du corps et de sa surface et ne dépendent que de sa température.

Le rayonnement thermique du corps noir est plus fort dans chaque gamme de longueurs d’onde que celle de chaque corps réel de la même surface et de la même température. elle va Black -body Radiation ou en raison de la réalisation du corps noir à travers une cavité aussi Rayonnement de la cavité appelé. Dans la littérature de la fin du 19e et du début du XXe siècle, le nom est rayonnement noir trouver.

Le corps noir sert de base à des considérations théoriques et comme référence pour les examens pratiques du rayonnement électromagnétique. Le terme “corps noir” a été inventé par Gustav Robert Kirchhoff en 1860.

Distribution spectrale de l’intensité du rayonnement du corps noir

Performances de rayonnement et émissions de longueur d’onde des radiateurs noirs à certaines températures.

Un corps noir absorbe complètement le rayonnement électromagnétique, qui est également léger. Il ne laisse pas le rayonnement et ne reflète ni ne disperse rien. En plus de la température du point zéro absolu, le corps noir envoie un rayonnement thermique (ou un rayonnement thermique (ou Radiation thermique , Rayonnement noir ) rayonnement électromagnétique désigné. L’intensité et la distribution spectrale du rayonnement thermique ne dépendent que de la température du corps noir, son matériau et ses propriétés de surface n’ont aucune influence. La densité du faisceau du rayonnement exposé est la même dans toutes les directions (radiateur Lambert). Le rayonnement d’un corps noir sert de comparaison lors de la description d’autres sources de rayonnement.

Selon la loi de rayonnement de Kirchhoff, les actifs d’émission pour le rayonnement thermique sont proportionnels à sa capacité d’absorption pour chaque corps réel pour chaque longueur d’onde et dans toutes les directions. Étant donné que le corps noir a la plus grande capacité d’absorption possible à chaque longueur d’onde, cela s’applique également à ses actifs d’émission. Aucune longueur d’onde ni température, tout corps réel peut envoyer plus de rayonnement thermique qu’un corps noir.

L’intensité et la distribution de fréquence du rayonnement électromagnétique émis par un corps noir sont décrites par la loi de rayonnement Planck (selon Max Planck). Avec l’augmentation de la température, le maximum de distribution de fréquences se déplace vers des fréquences plus élevées, c’est-à-dire vers des longueurs d’onde plus courtes (la loi de décalage de Vienne). La loi Stefan Boltzmann décrit toute l’énergie émise qui est proportionnelle à la quatrième puissance de la température absolue du corps noir.

À une température de 300 K, un corps noir émet une performance de rayonnement d’environ 460 w / m². Pour la plage de longueurs d’onde qui correspond à cette température, l’œil n’est pas sensible et le corps noir semble sombre. À 5800 K (température de la surface du soleil), un corps noir émet une performance de rayonnement de 64 MW / m². À cette température, il y a une grande partie du rayonnement dans la zone spectrale visible, le corps semble brillant à l’œil. Certains services de faisceau à différentes températures sont spécifiés dans le tableau à droite.

Le rayonnement signifie la perte d’énergie et le refroidissement du corps. Dans un environnement réel, le rayonnement de l’environnement doit également être pris en compte, par exemple sur un corps lorsque le soleil brille.

La tentative de décrire théoriquement le rayonnement du corps noir a contribué de manière significative au développement de la physique quantique. De cette façon, le rayonnement du corps noir dans la zone UV (la catastrophe dite ultraviolette) diverge avec une description purement classique. Ce n’est qu’en 1900 que l’hypothèse de Max Planck que la question ne peut qu’absorber et soumettre l’énergie de rayonnement sous la forme de certains quantiques énergétiques a pu résoudre ce puzzle.

UN Idéaux Le corps noir ne peut pas être réalisé. Aucun matériau n’est connu pour absorber complètement les ondes électromagnétiques quelle que soit la fréquence. Une surface déchirée a un degré d’absorption d’environ 0,96 dans la zone spectrale visible – mais pas dans d’autres longueurs d’onde. De nombreuses substances non métalliques ont un degré élevé d’absorption dans l’infrarouge moyen, mais peuvent apparaître dans le blanc visible (par exemple la couleur du mur).

En règle générale, seules les propriétés d’absorption et d’émission de la source de rayonnement sont intéressantes, mais pas leur forme. Au lieu d’une surface, l’ouverture d’un projecteur de cavité ou simplement un long trou de sac est utilisé. Cela signifie que les propriétés idéales d’un projecteur noir peuvent être mieux représentées, même si les surfaces intérieures ont un faible degré d’absorption. ^[2]

Rayonnement de la cavité [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Dans une cavité chaude avec des murs en matériau arbitraire et non transparent qui sont maintenus à une température constante, les murs se produisent du rayonnement thermique et il y a un équilibre de rayonnement. ^[2] Le rayonnement électromagnétique qui remplit la cavité est appelé rayonnement de cavité. La densité d’énergie et la distribution de fréquence du rayonnement de la cavité ne dépendent que de la température des parois et ont la même densité d’énergie et le même spectre que le rayonnement d’un corps noir. De plus, le rayonnement est homogène, isotrope, non polarisé et indépendant du volume de la cavité et donc complètement équivalent au rayonnement à corps noir.

Cavité [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Modèle d’un corps noir. Un très petit trou permet tout rayonnement dans un corps creux, mais uniquement le rayonnement thermique.

Si vous mettez une ouverture dans la paroi de la cavité, ce qui est suffisamment petit afin de ne pas perturber l’équilibre thermique sensiblement, le trou absorbe presque idéalement le rayonnement incident, et seul le rayonnement thermique se produit en raison de l’ouverture. Le rayonnement de l’ouverture a alors les propriétés d’un corps noir lorsque l’ouverture est petite par rapport au volume intérieur. Le degré de réflexion de la surface de la cavité interne peut être beaucoup plus grand que zéro. De l’extérieur vers la cavité, le rayonnement qui est engagé dans la cavité est alors souvent réfléchi dans les deux sens et est pour la plupart absorbé pour la plupart et diffusé uniquement à un petit repos par des réflexions. De telles ouvertures apparaissent pratiquement complètement noires. Pour soutenir l’absorption, les murs de cavité sont conçus en noir et rugueux si possible. En pratique, les projecteurs noirs sont des boules creuses avec un cylindre creux d’ouverture ou ouvert.

Les projecteurs noirs pour des températures élevées (par exemple jusqu’à 1800 K, c’est-à-dire environ 1500 ° C) sont constitués de matériaux en céramique à l’intérieur. Les corps d’absorption sous forme de cônes creux sont souvent utilisés pour la détermination thermique des performances de rayonnement des rayons laser. Les revêtements absorbants sont basés sur la longueur d’onde à mesurer.

Applications techniques et occurrence dans la nature [ Modifier | Modifier le texte source ]]

• Les projecteurs noirs sont utilisés comme source de rayonnement ou rayonnement normalement pour les examens physiques (principalement des projecteurs de cavité) et dans des interféromètres (projecteurs en céramique pour l’infrarouge moyen).
• Les compteurs de puissance laser utilisent souvent des absorbeurs de cavité pour la détermination thermique ou calorimétrique des performances du faisceau laser: un tel absorbeur augmente la précision de mesure et éviter le rayonnement de cordes dangereux. Ils sont donc également utilisés comme “piège à rayonnement”.
• Les températures avec des pyromètres dirigés par de petites fenêtres d’observation peuvent être déterminées dans les poêles à carburant – l’espace du four forme un projecteur noir (projecteur de la cavité). La surface des corps peut être fournie avec un pyromètre avec un trou de sac pour la mesure de la température indépendante des émissions, dans laquelle le pyromètre “ressemble”.
• De nombreux matériaux non métalliques ont un niveau élevé d’émission dans la plage de 0,85 à 0,95 pour les longueurs d’onde supérieures à environ 3 à 5 μm. Si le comportement de rayonnement doit être déterminé à basse température (à température ambiante, le maximum de rayonnement thermique est de 10 μm et donc dans la plage de longueur d’onde pertinente), vous pouvez vous approximer en tant que corps gris, avec des affirmations de plus faible précision, même en tant que corps noirs.
• La suie est une bonne approche d’un corps noir dans une certaine gamme de longueurs d’onde. Selon la cohérence, il atteint un degré d’absorption ou d’émission d’environ 0,96 et son degré d’émission est presque indépendant de la longueur d’onde.
• La peau humaine dans la plage de longueurs d’onde entre 2 et 14 μm a un degré d’émission relativement constant entre environ 0,97 et 0,98, ^[3] À la température corporelle (émission maximale de 9,4 μm), il brille presque comme un projecteur noir et absorbe l’ensemble du rayonnement thermique à ondes longues frappantes de l’environnement (les propriétés d’absorption dans la plage spectrale visible sont significativement différentes). La mesure de la fièvre pyrométrique dans l’oreille (mesure de la longueur d’onde dans l’infrarouge moyen) trouve presque un projecteur de cavité noire.
• Le rayonnement de fond cosmique est en très bonne approximation d’un rayonnement à corps noir avec une température de 2,725 ± 0,002 Kelvin.
• En astronomie, les étoiles sont souvent approximées par les corps noirs, à partir de cela, ils déterminent leur température de surface efficace.

Propriétés universelles [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Vous regardez une cavité évacuée avec des murs faits de tout matériau transparent qui est à une température constante

être retenu. Les murs émettent un rayonnement thermique et un état d’équilibre thermique s’ajustera après suffisamment de temps.

La densité d’énergie dans la cavité ne dépend pas de la nature des murs. Pour prouver, connectez deux cavités, dont les murs ont des propriétés de rayonnement différentes, mais les mêmes températures, à travers une ouverture les unes avec les autres. Un filtre de couleur dans l’ouverture ne feuille que le rayonnement de la fréquence

arriver. L’ouverture est échangée entre les cavités. Serait la densité d’énergie spectrale à la fréquence

Dans une cavité plus élevée, plus de rayonnement s’écouleraient dans la cavité à faible énergie que vice versa et la densité d’énergie et donc la température augmenterait dans la deuxième cavité. Ce développement spontané d’une différence de température contredit le deuxième taux principal de thermodynamique. Par conséquent, la densité d’énergie spectrale doit être identique à toutes les fréquences et donc à toute la densité d’énergie dans les deux cavités.

De même, il peut être démontré que le rayonnement dans la cavité dans la cavité doit être homogène, isotrope, non polarisé et indépendant du volume de la cavité.

La densité d’énergie spectrale

Dans la cavité, une fonction universelle, qui ne dépend que de la fréquence et de la température:

${displayStyle u_ {no} (non, t) = u_ {no} ^ {0} (non, t)}$

.

Tout comme universel doit être dû au facteur de conversion constant

Aussi la densité spectrale du rayonnement de la cavité:

${displayStyle l_ {no} (no, t) = l_ {no} ^ {0} (no, t) = {frac {c} {4pi}} u_ {no} ^ {0} (no, t)}$

.

Équivalence du rayonnement de la cavité et du rayonnement du corps noir [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Un corps inséré dans la cavité ne change pas les propriétés du rayonnement de la cavité, car celles-ci sont indépendantes des propriétés de rayonnement de la surface nouvellement ajoutée et du volume de cavité réduit. La densité de rayonnement spectral que le corps est exposée est égale à la densité de rayonnement spectral du champ de rayonnement dans lequel il est situé. Le corps absorbe complètement le rayonnement dessus. Pour que l’équilibre thermique de la densité d’énergie, de l’homogénéité et de l’isotropie du rayonnement de la cavité soit préservé, le corps doit émettre autant d’énergie à chaque fréquence et dans chaque espace qu’il absorbe du rayonnement de la cavité. La densité spectrale du faisceau du corps noir doit donc être indépendante de la direction et avec la densité du faisceau spectral du rayonnement de la cavité.

Loi sur les radiations de Kirchhoffsche [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Si le corps amené dans la cavité (par exemple un gaz absorbant) n’absorbe pas l’ensemble du rayonnement d’impact, il doit également émettre moins de rayonnement afin de remplacer le rayonnement absorbé. Il est propriétaire du degré d’absorption spectrale dirigée

, c’est-à-dire qu’il absorbe à la température

Et la fréquence

Du rayonnement, qui est de celui-ci à travers l’angle polaire

Et l’angle d’azimut

La direction décrite vient, la fraction

. Afin de préserver l’équilibre thermique à chaque fréquence et dans chaque angle d’espace, le corps doit émettre autant d’énergie qu’il absorbe du rayonnement de la cavité. Donc sa densité spectrale du faisceau est

$gens$

.

Ceci est la loi de rayonnement Kirchhoff: tout corps de température

À chaque fréquence et dans chaque élément d’angle de la pièce, rayonne autant de performances de rayonnement qu’elle absorbe du rayonnement d’un corps noir. Les performances de rayonnement à la fréquence

Ainsi, plus le degré d’absorption est élevé à cette fréquence. Le plus grand degré d’absorption possible

A un corps noir, qui émet donc également les plus grandes performances de rayonnement thermique possibles.

Étant donné que l’émission d’un corps ne peut jamais être supérieure à celle d’un corps noir, ce qui suit s’applique:

${displayStyle l_ {no} ^ {k} (no, t) = varepsilon _ {no} ^ {prime}, l_ {no} ^ {0} (non, t)}$

,

par lequel

Le degré d’émission spectrale dirigée du corps est (

). La comparaison avec l’équation précédente montre:

${DisplayStyle Varsilon _ {no} ^ {prime} = a_ {no} ^ {prime}}$

.

“Un bon absorbeur est également un bon émetteur.”

Influence des matériaux du mur [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Dans la cavité, il y a un équilibre de rayonnement avec le spectre d’un projecteur noir.

A le mur z. Par exemple, un degré d’émission de 0,7, il absorbe 70% du rayonnement difficile de l’équilibre thermique et reflète le reste. Après un défaut, la densité spectrale du faisceau dans la cavité est inférieure à celle qui correspond au rayonnement de la cavité dans l’équilibre, la proportion de 70% absorbée par elle est également inférieure à 70% avec le rayonnement de la cavité idéale. Cependant, en raison de sa température, le mur émet toujours 70% des performances de rayonnement qu’un corps noir émettre. Étant donné que la paroi émet plus de rayonnement qu’absorbé, la densité d’énergie dans la cavité augmente jusqu’à ce qu’elle atteigne la valeur requise par la loi de rayonnement de Planck. Ainsi, la cavité de l’équilibre contient autant de rayonnements même sur les murs qu’il contiendrait comme des murs dans les corps noirs.

Dans l’équilibre thermique, le rayonnement émis thermiquement par les murs a toujours les propriétés spectrales du matériau de la paroi (par exemple, une émission particulièrement forte dans certaines longueurs d’onde caractéristiques, une faible émission dans d’autres). Cependant, le rayonnement de la paroi dans son ensemble est la somme de l’émission thermique et la partie réfléchie du rayonnement sur le mur. Dans les longueurs d’onde, dans lesquelles la paroi elle-même émet bien, il absorbe une grande proportion du rayonnement attrayant et reflète peu; Dans les longueurs d’onde, dans lesquelles le mur lui-même émet peu, il reflète une grande proportion du rayonnement d’apparence pour compenser. De cette façon, les caractéristiques spectrales du matériau de la paroi sont compensées et le rayonnement émis par les émissions et la réflexion a un spectre de Planck quel que soit le matériau de la paroi.

Température de couleur [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Température de couleur selon la loi de rayonnement Planck

La température de couleur est une valeur de comparaison qui décrit la courbe d’intensité d’un corps noir au maximum selon la loi de rayonnement de Planck et la loi sur le décalage de Vienne. Cette intensité maximale se déplace vers des longueurs d’onde plus courtes avec une température croissante.

Les lampes avec une température du bois de brillance d’environ 2700 à 2800 K, comme la lampe à incandescence classique, ou de 3100 à 3200 K, comme les lampes halogènes, sont dans l’infrarouge proche avec le maximum de rayonnement. La proportion spectrale dans la zone visible donne une impression jaunâtre. L’impression de couleur du rayonnement d’un projecteur thermique ainsi qu’un projecteur noir peuvent être utilisées pour déterminer la température.

À environ 5500 Kelvin, le maximum d’intensité est au milieu de la zone visible et correspond approximativement au soleil brillant dans le ciel clair. Si la température se poursuit, l’intensité maximale est dans l’ultraviolet et atteint la zone du rayonnement des rayons x aux températures qui augmentent encore.

Avec l’augmentation de la température, l’intensité de rayonnement maximale d’un corps noir se déplace vers des longueurs d’onde plus courtes, l’impression de couleur passe du rouge au bleuâtre et au blanc. La couleur d’une source de lumière (chaleur) peut être spécifiée comme la température d’un projecteur noir comparable. Cela vous donne la température de couleur de la source lumineuse. Cela s’applique également en conséquence à d’autres auto-radiateurs. Il est nécessaire que leurs propriétés ne diffèrent pas trop d’un projecteur gris.

À des températures élevées, la zone visible est une approximation de Rayleigh et de jeans. La densité spectrale du faisceau, il s’agit des performances par zone et unité d’angle d’espace et l’intervalle de fréquence, est proportionnelle au carré de la fréquence.

Une augmentation de la température via une certaine zone n’affecte plus la distribution relative des rayonnements dans le visible, l’impression couleur reste “blanche”. Dans le panneau de couleur CIE-standard, la “courbe du corps noir” se termine en un point qui est situé dans une couleur à étage violet très insaturé. Ce point correspond à la température de couleur “infinie”.

Température efficace [ Modifier | Modifier le texte source ]]

La température effective du soleil est de 5777 K.

La température d’un corps noir devrait avoir selon la loi de Stefan-Boltzmann pour émettre les mêmes performances de rayonnement par unité de surface qu’un projecteur prédéterminé est une température efficace de ce projecteur. Il s’écarte de la température réelle, moins les projecteurs correspondent à un corps noir. Le concept de température efficace n’a donc du sens que pour les tiges, dont les propriétés de rayonnement ne sont pas trop différentes de celles d’un corps noir, c’est-à-dire dans le cas des étoiles, brillants. Le terme température de couleur est utilisé pour les lampes fluorescentes, les lumières du nord et d’autres sources lumineuses avec spectre de ligne prononcée.

Émissions [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Le rayonnement des projecteurs noirs ne dépend que de sa température – à chaque fréquence et à la température en question, la plus grande performance de rayonnement thermique physiquement possible est donnée. Les projecteurs noirs conviennent donc comme référence de rayonnement. Le rapport de toute surface et l’intensité de rayonnement libérée thermiquement par un corps noir est le degré d’émission de la surface. Le degré d’émissions est toujours compris entre 0 et 1 et dépend généralement des longueurs d’onde – à moins qu’il ne soit un projecteur gris. Le corps noir lui-même a toujours le degré d’émission 1 et peut donc être utilisé pour calibrer les pyromètres.

Un vrai corps a généralement différents degrés d’émission sur différentes fréquences et peut-être même dans différents rayonnements. Pour une caractérisation complète, le degré d’émission doit être spécifié en fonction de la fréquence et de l’angle de rayonnement.

Un projecteur de Lambert est un corps avec un degré d’émission indépendant de la direction, il brille complètement diffus . Un corps gris est un corps dont le degré d’émission est le même pour toutes les fréquences. Pour les deux cas, il existe des simplifications pour les calculs de rayonnement, de sorte que les corps réels – autant que possible – sont approximativement considérés comme des projecteurs diffus et des corps gris.

Selon la loi de rayonnement de Kirchhoff, le degré d’émission spectrale est également le degré d’absorption spectrale dirigée pour chaque corps. Pour les autres intégrés sur les instructions et les fréquences, l’égalité ne s’applique que sous des exigences supplémentaires.

Imprimé colorant [ Modifier | Modifier le texte source ]]

Le terme corps “noir” peut rendre erroné que tout le noir en général en regardant Les matériaux ont également un degré élevé d’absorption ou d’émission dans la plage de longueur d’onde infrarouge. Cependant, le “noir” dans le “corps noir” fait référence à l’ensemble du spectre électromagnétique comme un terme généralisé, et non à une impression noire dans la zone de la lumière visible par l’homme. Plus précisément, cela signifie:

• Chaque corps noir (froid) apparaît en fait noir car il absorbe tous les rayonnements même dans la plage de longueurs d’onde visible.
• Tous les objets noirs ne sont pas aussi un corps noir au sens du terme technique physique, car il pourrait être bien absorbé dans la plage de longueurs d’onde visible, mais pourrait être mal absorbé par l’infrarouge. Les matériaux qui ont cette propriété sont utilisés, par exemple, pour enrober les collectionneurs solaires. De nombreux textiles noirs semblent également brillants dans l’infrarouge proche.
• Un objet non noir pourrait néanmoins absorber et émettre un rayonnement dans la gamme de longueurs d’onde infrarouge, par exemple une couleur blanche ou un verre de fenêtre. Les deux substances ont un degré élevé d’émission dans l’infrarouge moyen.

Exemples:

• La neige et la glace ont un haut niveau de réflexion dans la zone de la lumière visible (400–750 nm), mais ils semblent presque noirs dans l’infrarouge proche et distant ^[4] .
• Une surface métalliquement poli peut apparaître presque noire par un film transparent collé dans la zone infrarouge ^[5]

• Max Planck: Sur la loi de la distribution d’énergie dans le spectre normal . Dans: Annales de physique . Groupe 309 , Non. 3 , 1901, ISSN 0003-3804 , S. 553–563 , est ce que je: 10.1002 / etp.19013090310 (PDF gratuit disponible sur l’éditeur).
• Dieter Hoffmann: Corps noir en laboratoire. Travail préliminaire expérimental pour l’hypothèse quantique de Planck. Dans: Feuilles physiques. 56 nr. 12, 2000, p. 43. ( onlineLibrary.wey.com , Pdf)

1. ↑ Peter Stephan, Stephan Kabelac, Matthias Kind, Dieter Mewes, Karlheinz Schaber, Thomas Wetzel (éd.): VDI chauffant Las . 12. Édition. Springer-Verlag, Berlin 2019, ISBN 978-3-662-52988-1, partie K1 Radiation thermique des surfaces techniques, Tab. 1 Sujet – Charisme spécifique du corps noir .
2. ↑ ^{un b} Peter Atkins, Ronald Friedman: Mécanique quantique moléculaire . 5e édition. Oxford University Press, Oxford 2011, ISBN 978-0-19-954142-3, S. 1–2 .
3. ↑ B. F. Jones: Une réévaluation de l’utilisation de l’analyse des images thermiques infrarouges en médecine . Dans: Transactions IEEE sur l’imagerie médicale . Groupe 17 , Non. 6 , Décembre 1998, S. 1019–1027 , est ce que je: 10,1109 / 42.746635 .
4. ↑ Propriétés optiques de la glace et de la neige. Agence spatiale européenne (ESA), 2014, consulté le 21 décembre 2021 .
5. ↑ Joachim Heintze, Peter Bock (éd.): Manuel sur la physique expérimentale Volume 2: Mécanique du continuum et thermodynamique . Springer-Verlag, Berlin / Heidelberg 2016, ISBN 978-3-662-45767-2, Chapitre 7.1 Propriétés du rayonnement thermique.