Контрольная работа: Джерела і приймачі оптичного випромінювання

1. Теплове випромінювання

Однією з форм енергії є оптичне випромінювання, виникнення якого пов'язане із зміною енергетичних станів електронів в атомі, а також з коливальним або обертальним рушенням молекул, що входять до складу випромінюючого тіла. Оптичне випромінювання включає теплове (температурне) і люмінесцентне випромінювання.

Під тепловим випромінюванням розуміють випромінювання, яке виникає внаслідок теплового збудження атомів і молекул. Воно випускається всіма тілами при температурах, відмінних від абсолютного нуля, і характеризується температурою тіла. Теплове випромінювання твердих і рідких тіл має безперервний спектр. Люмінесцентне випромінювання виникає при збудженні атомів і молекул речовини за рахунок будь-якого вигляду енергії, крім теплової, наприклад, енергії хімічних реакцій, електричного струму і т.д. Теплове і люмінесцентне випромінювання є некогерентний і розповсюджуються в просторі у різних напрямах. Одночасно з випущенням випромінювання кожне тіло поглинає падаюче на нього випромінювання, внаслідок чого встановлюється рівноважна температура. Спектральні випромінювальні властивості тіл характеризуються спектральною щільністю енергетичної світності, а поглинальні властивості – спектральним коефіцієнтом поглинання, який показує, яка частина падаючого на поверхню тіла монохроматичного потоку випромінювання при певній температурі і довжині хвилі поглинається. Тіло, що повністю поглинає весь падаючий потік незалежно від напряму падіння, спектрального складу і поляризації випромінювання, називають чорним тілом. Випромінювання цього джерела підкоряється законам, якізастосовуються також для розрахунку випромінювання реальних тіл з використанням поправочних коефіцієнтів.

Кількісний зв'язок між процесами випущення і поглинання енергії випромінювання для будь-якого тіла встановлює закон Кирхгофа. Згідно з цим законом для певної довжини хвилі при даній температурі відношення спектральної щільності енергетичної світності до спектрального коефіцієнта поглинання є величина постійна для будь-яких тіл незалежно від їх природи і форми:

.

Оскільки для чорного тіла , то із закону Кірхгофа випливає, що спектральна щільність

,

тобто чим вище коефіцієнт поглинання тіла, тим кращим випромінювачем воно є.

Розподіл енергії в спектрі випромінювання чорного тіла описується законом Планка:

, (1)

де - постійна, рівна ; - постійна, рівна ; - основа натурального логарифма.

Криві розподіли спектральної щільності енергетичної світності, розраховані по формулі Планка, представлені на рис. 1. Для цих кривих довжина хвилі в мікрометрах, відповідна найбільшій спектральній щільності

; (2)

. (3)

Закон Стефана Больцмана описує залежність між енергетичною світністю чорного тіла і його температурою:

,

де . Оскільки випромінювання чорного тіла підкоряється закону Ламберта, то

.

Для обчислення спектральної щільності енергетичної світности формулу (1) записують з використанням відносних величин і :

, (4)

де ; .

Формулу (4) називають рівнянням єдиної ізотермічної кривої, яка може бути представлена у вигляді єдиного графіка або таблиці значень . Користуючись цими даними, можна визначити для будь-якої довжини хвилі і температури. Для обчислення за формулами (2), (3) розраховують і . Знаючи , з таблиці або графіка знаходять , а потім визначають .

У природі чорних тіл не існує. Реальні випромінювачі, у яких , звичайно розділяють на тіла з селективним (виборчим) випромінюванням і тіла з сірим випромінюванням. Для характеристики наближення випромінювання реального тіла при даній температурі до випромінювання чорного тіла при тій же температурі вводиться інтегральний і спектральний коефіцієнти випромінювання:

; , (5)

де , , , - відповідно енергетична світність і спектральна щільність енергетичної світності реального і чорного тіл.

Значення і для різних випромінювачів визначаються експериментально.

2. Теплові і газоразрядні джерела випромінювання. Світлодіоди

З фізичної точки зору будь-яке тіло, що здатне випромінювати енергію навкруги, можна назвати джерелом випромінювання. Всі існуючі джерела випромінювання можна розділити на дві групи: штучні і природні, які в свою чергу класифікуються або за фізичною природою випромінювання, або за призначенням.

До природнихджерел випромінювання відносяться Сонце, Місяць, планети, зірки, поверхня Землі, хмари, атмосфера. Природні джерела, випромінювання яких не можна регулювати, як правило, використовуються в системах пасивного типу або для наукових досліджень. Крім того, їх випромінювання є фоном, що створює перешкоди при роботі оптико-електронних приладів.

--> ЧИТАТЬ ПОЛНОСТЬЮ <--