Солнечное излучение и его основные характеристики.

Вопрос

Электрический диполь — система двух равных по модулю разноименных точечных зарядов (), расстояние между которыми значительно меньше расстояния до рассматриваемых точек поля.
Плечо диполя — вектор , направленный по оси диполя (прямой, проходящей через оба заряда) от отрицательного заряда к положительному и равный расстоянию между зарядами.
Электрический момент диполя (дипольный момент):
.
Напряженность поля диполя в произвольной точке (согласно принципу суперпозиции):

где и — напряженности полей, создаваемых соответственно положительным и отрицательным зарядами.
Напряженность поля диполя на продолжении оси диполя в точке А:
.
Напряженность поля диполя на перпендикуляре, восставленном к оси из его середины в точке B:
.

Солнечное излучение и его основные характеристики.

Освещенность (усредненная мощность солнечного излучения, измеренная в верхней атмосфере Земли перпендикулярно солнечным лучам): 1366 Вт на квадратный метр (или 1361, в соответствии с НАСА).

«Стандартное солнце» (пиковая мощность излучения, которая достигает поверхности Земли на уровне моря в районе экватора в безоблачный полдень): 1000 Вт/м2, или 1 кВт/м2.

Это значение обычно используется в характеристиках фотоэлектрических систем. Здесь и далее все цифры приведены для поверхностей, оптимально расположенных относительно солнца (перпендикулярно лучам) в соответствии с широтой. Для горизонтальных поверхностей вы получите меньше солнечного света: чем дальше от экватора, тем ниже плотность солнечной энергии.

Инсоляция (среднее количество часов «стандартного солнца» на протяжении суток): от 4–5 солнечных часов на северо-востоке США до 5–7 часов на юго-западе. Инсоляция часто указывается в кВт·ч, численно вытекая из значения «стандартного солнца» в 1 кВт.

Общее количество излучаемой энергии солнечного света в день на м2 на уровне моря: (энергия за день) = 1 кВт·ч × (инсоляция в часах). Учитывая среднюю инсоляцию в США, равную 5 солнечным часам, это значение обычно равно 5 кВт·ч/м2.

Солнечная мощность, усредненная за весь день: Wattsaverag = (энергия за день)/24. Для инсоляции в 5 кВт·ч мощность, усредненная за весь день – 5000 Вт/24 = 208 Вт/м2. Обратите внимание, что только небольшая часть этой энергии может быть преобразована в электричество из-за не очень высокой эффективности фотоэлектрических систем.

7.​ Поглощение электромагнитного излучения веществом.

Излучение и поглощение электромагнитных волн веществом
Существует два вида излучения:
1 – тепловое, возникающее вследствие теплового возбуждения атомов или молекул и испускаемое всеми телами при высоких температурах, выше абсолютного нуля;
2 – люминесцентное, возникающее вследствие возбуждения электронов или молекул либо при облучении светом (фотолюминесценция), либо под воздействием электрического поля (электролюминесценция), либо в результате химических реакций (хемолюминесценция).

Рассмотрим процессы излучения и поглощения электромагнитных волн веществом.

Согласно законам квантовой механики, энергия электрона, свя­занного в атоме, а следовательно, и энергия атома в целом, не произ­вольна. Она может иметь лишь определенный дискрет­ный ряд значений E₀,E₁, …, E_n..., называемый уровнями энер­гии. Этот набор разрешенных значений энергии представляет энер­гетический спектр атома. Самый нижний уровень энергии E ₀ (рис. 2.1), при котором энергия атома – наименьшая, является основным уровнем. Остальные уровни E ₁, E ₂, …, E _n..., соответствуют более высокой энергии атома и называются возбужден­ными.

При переходе атомного электрона с одного уровня энергиинадругой атом может излучать или поглощать электромагнитные волны, частоты которых определяются соотношением:

, (2.1)

где h – постоянная планка,

h = 6,6262 ^.10^-34 Дж^.с;

E _m – конечный уровень,

E _n – начальный уровень.

Чем больше разность энергий состояний, между которыми происходит переход, тем больше частота электромагнитной волны, испускаемой или поглощаемой при таком квантовом переходе. Разность энергии между уровнями внешних, валентных электронов атома соответствует энергии излу­чения видимого света; разность энергий между уровнями внутренних электронов больше, она соответствует рентгеновскому излучению.

Спектр поглощения или излучения вещества, т. е. набор частот электромагнитных волн, излучаемых или поглощаемых его атомами, тесно связан с энергетическим спектром атомов. Именно дискретностью энергетического спектра объясняется линейчатый харак­тер спектров поглощения или излучения электромагнитных волн атомами.

Излучение и поглощение электромагнитной энергии атомом происходит отдельными порциями энергии — квантами, или фотонами, величина которых равна hv. При поглощении фотона hv_пт энергия атома увеличивается — он переходит «вверх» — с нижнего уровня E _п на верхний уровень E _т ( E _т > E _п) при излучении фотона атом совершает обратный переход вниз (рис. 2.1). Формула (2.1) выражает закон сохранения энергии при элементарных актах излучения или поглощения фотонов атомами: энергия излученного или поглощенного фотона в точности равна разности энергии между уровнями атома.

Дискретность энергетического спектра свойственна не только атомам. Она присуща вообще любой системе взаимодействующих друг с другом микрочастиц — молекуле, иону, твердому телу.

Молекула имеет гораздо большее число уровней энергии, чем атом, что отражает сложность ее строения. Одни из них также связаны с движением электронов. Разности энергий между этими уровнями, как и в атоме, велики, они соответствуют видимому и ультрафиолетовому свету и рентгеновскому излучению. Другие уровни молекулы обусловлены колебаниями составляющих ее атомов около положений равновесия. Разности энергий между этими уров­нями меньше, они соответствуют инфракрасному излучению. И, на­конец, есть уровни, связанные с вращением молекулы как целого. Разности энергий между вращательными уровнями еще меньше, они соответствуют радиоволнам. Таким образом, частота квантового перехода для молекулы определиться:

.

Так как изменения E _эл сопровождаются изменением E _кол и E _вр, то образуются элекронно – колебательно – вращательные спектры, лежащие в видимой и ультрафиолетовой областях (в соответствии с ) и состоящие из колебательных полос (различные ), распадающихся на отдельные вращательные линии, соответствующие E_вр. При получаются колебательно-вращательные спектры, лежащие в инфракрасной области и так же состоящие из полос с вращательной структурой. При получаются чисто вращательные спектры, лежащие в инфракрасной области и СВЧ диапазоне.

В твердом теле электронный и колебательный спектры гораздо богаче, чем у изолированных атомов или молекул. Это обусловлено огромным числом атомов и молекул, объединенных в кристаллической решетке, и их взаимным влиянием.

Поскольку внутренняя энергия атомов и молекул может прини­мать лишь дискретный ряд значений, то энергия электромагнитного поля в веществе также изменяется скачками, квантами. Рассмотрим, каким образом происходит обмен энергией между веществом и электромагнитным излучением. При этом для описания электромагнитного излучения будем пользоваться как волновыми, так и квантовыми (фотонными) представлениями. Например, энергия электромагнитного излучения длины волны l, пропорциональная его интенсивности, определяется в волновой трактовке квадратом амплитуды волны Е ² (Е— напряженность электрического поля волны), а при квантовом рассмотрении — числом фотонов п.

8​. Теоретическая модель абсолютно черного тела.

Абсолютно чёрных тел в природе не существует (кроме чёрных дыр), поэтому в физике для экспериментов используется модель. Она представляет собой замкнутую полость с небольшим отверстием. Свет, попадающий внутрь сквозь это отверстие, после многократных отражений будет полностью поглощён, и отверстие снаружи будет выглядеть совершенно чёрным. Но при нагревании этой полости у неё появится собственное видимое излучение. Поскольку излучение, испущенное внутренними стенками полости, прежде, чем выйдет (ведь отверстие очень мало), в подавляющей доле случаев претерпит огромное количество новых поглощений и излучений, то можно с уверенностью сказать, что излучение внутри полости находится в термодинамическом равновесии со стенками. (На самом деле, отверстие для этой модели вообще не важно, оно нужно только чтобы подчеркнуть принципиальную наблюдаемость излучения, находящегося внутри; отверстие можно, например, совсем закрыть, и быстро приоткрыть только тогда, когда равновесие уже установилось и проводится измерение).

9.​ Закон Планка. Формула Планка для частот и длин волн.

Интенсивность излучения абсолютно чёрного тела в зависимости от температуры и частоты определяется законом Планка:

где — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале частот в перпендикулярном направлении на единицу телесного угла. Размерность в СИ: Дж·с⁻¹·м⁻²·Гц⁻¹·ср⁻¹.

Эквивалентно,

где — мощность излучения на единицу площади излучающей поверхности в единичном интервале длин волн в перпендикулярном направлении на единицу телесного угла (размерность в СИ: Дж·с⁻¹·м⁻²·м⁻¹·ср⁻¹).

Полная (т.е. испускаемая во всех направлениях) спектральная мощность излучения с единицы поверхности абсолютно чёрного тела описывается этими же формулами с точностью до коэффициента π: ε(ν, T) = π I (ν, T), ε(λ, T) = π u (λ, T)

10.​ Законы Рэлея-Джинса и Вина как предельные случаи закона Планка.

Формула Планка точно согласуется с экспериментальными данными во всём интервале частот от 0 до . При малых частотах (больших длинах волн), когда можно разложить экспоненту по . В результате получим, что , тогда (1) и (2) переходят в формулу Рэлея—Джинса.

и

 

Для перехода к закону Вина, необходимо продифференцировать выражение (5) по и приравнять нулю (поиск экстремума):

.

Значение , при котором функция достигает максимума, обращает в нуль выражение, стоящее в фигурных скобках. Обозначим , получится уравнение:

.

Решение такого уравнения даёт x=4.965. Следовательно , отсюда немедленно получается:

.

Численная подстановка констант даёт значение для b=0,0028999 К·м, совпадающее с экспериментом, а также удобную приближенную формулу мкм·К. Так, солнечная поверхность имеет максимум интенсивности в зеленой области (0,5 мкм), что соответствует температуре около 6000 К.

Закон Кирхгофа

Закон излучения Кирхгофа — физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы и химической природы.

Известно, что при падении электромагнитного излучения на некоторое тело часть его отражается, часть поглощается и часть может пропускаться. Доля поглощаемого излучения на данной частоте называется поглощательной способностью тела . С другой стороны, каждое нагретое тело излучает энергию по некоторому закону , именуемым излучательной способностью тела.

Величины и могут сильно меняться при переходе от одного тела к другому, однако согласно закону излучения Кирхгофа отношение испускательной и поглощательной способностей не зависит от природы тела и является универсальной функцией частоты (длины волны) и температуры:

По определению, абсолютно чёрное тело поглощает всё падающее на него излучение, то есть для него . Поэтому функция совпадает с излучательной способностью абсолютно чёрного тела, описываемой законом Стефана — Больцмана, вследствие чего излучательная способность любого тела может быть найдена исходя лишь из его поглощательной способности.

Реальные тела имеют поглощательную способность меньше единицы, а значит, и меньшую чем у абсолютно чёрного тела излучательную способность. Тела, поглощательная способность которых не зависит от частоты, называются серыми. Их спектр имеет такой же вид, как и у абсолютно чёрного тела. В общем же случае поглощательная способность тел зависит от частоты и температуры, и их спектр может существенно отличаться от спектра абсолютно чёрного тела. Изучение излучательной способности разных поверхностей впервые было проведено шотландским ученым Лесли при помощи его же изобретения — куба Лесли.

 

http://www.miigaik.ru/f.miigaik.ru/metodicheskaja_l/20111114194553-5730.pdf

 

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: