 |
X.1.1. Спектр электромагнитного излучения.
|
|
|
|
Спектр электромагнитного излучения условно разделен на несколько диапазонов с разными значениями длины волны, которые отличаются методами, используемыми для создания и обнаружения излучения. Фундаментального различия между излучением в разных диапазонах электромагнитного спектра нет. Они все подчиняются одним и тем же законам, и отличия между ними являются следствием только различия длины волны.
В термографии используется инфракрасный диапазон спектра. В коротковолновой его части (темно-красный цвет) пролегает граница с видимым спектром. В длинноволновой части он переходит в микроволновые радиоволны миллиметрового диапазона.
Инфракрасный диапазон часто подразделяется на четыре более коротких диапазона, границы которых также выбраны условно. Эти диапазоны определены следующим образом: ближний инфракрасный (0,75-3 mмкм), средний инфракрасный (3-6 mмкм), дальний инфракрасный (6-15 mмкм) и крайний инфракрасный (15-100 mмкм). Хотя значения длины волны даны в мкм (микрометрах), до сих пор в данном спектральном регионе часто применяются другие единицы измерения длины волн, например, нанометры (mм) и ангстремы (A).
Между собой они соотносятся так:
10 000 А - 1 000 nm = 1 m,. = 1 mm
Рисунок 3.1. Спектр электромагнитного излучения:
1 - Рентген, лучи; 2 - УФ; 3 - Видимый; 4 - ИК; 5 - Микроволны; 4 - Радиоволны
X.1.2. Излучение черного тела.
Черное тело определяется как объект, поглощающий все падающее на него излучение на любой длине волны. Кажущееся неверным употребление термина «черное» по отношение к объекту, испускающему излучение, объясняется законом Кирхгоффа (Густав Роберт Кирхгоф, 1824-1887 гг.), который гласит, что тело, способное поглощать все излучение на любой длине волны, в равной мере способно и испускать излучение.
|
|
|
Рисунок 3.2. Густав Роберт Кирхгофф (1824-1887 гг.)
Устройство источника в виде черного тела, в принципе, весьма простое. Характеристики излучения отверстия в изотермической (равномерно нагретой) полости, сделанной из непрозрачного поглощающего материала, представляют почти точно свойства черного тела. Практическим воплощением данного принципа создания абсолютного поглотителя излучения является светонепроницаемый ящик с отверстием в одной из сторон. Любое входящее через отверстие излучение рассеивается и поглощается вследствие многократных отражений, поэтому может выйти только бесконечно малая его часть. Степень черноты в отверстии почти равна черному телу и является почти идеальной для всех длин волн.
Если установить в такой изотермическую полость подходящий нагреватель, то тогда она становится так называемым "полостным излучателем". Равномерно нагретая изотермическая полость создает излучение черного тела, характеристики которого определяются исключительно температурой полости. Такие полостные излучатели обычно используются в лабораториях в качестве источников излучения для калибровки термографических инструментов, таких например, как ИК-камеры компании FLIR Systems.
Если температура излучения черного тела поднимается выше 525°С (977 °F), источник становится видимым, и для глаза он уже не кажется черным. Это начальная температура красного нагрева излучателя, который затем меняет цвет, становясь оранжевым или желтым по мере дальнейшего увеличения температуры. Так называемую «цветовую температуру» объекта можно определить как температуру, до которой надо нагреть черное тело, чтобы оно окрасилось в данный цвет.
Теперь рассмотрим три выражения, описывающих испускаемое черным телом излучение.
X.1.3.1. Закон Планка.
|
|
|
Рисунок 3.3 Макс Планк (1858-1947 гг.)
Макс Планк (1958-1947 гг.) смог описать распределение энергии в спектре излучения абсолютно черного тела с помощью следующей формулы:
 ,
| ||||
| где | 
| - | спектральная излучательная способность черного тела на длине волны  ;
| |
| с | - | скорость света = 3 х 108 м/с; | ||
| h | - | постоянная Планка = 6,6 х 1034 Дж-с; | ||
| k | - | Постоянная Больцмана = 1,4 х 10-23 Дж/К; | ||
| Т | - | абсолютная температура черного тела (°К); | ||
| - | длина волны (м). | ||
Коэффициент 10-6 используется потому, что на кривых спектральная излучательная способность выражена в Вт/2м. Если этот коэффициент опустить, то единицей измерения станет Вт/м2mм.
Формула Планка, построенная в виде графиков для разных температур, дает семейство кривых. Согласно любой из кривых Планка, спектральная излучательная способность равна нулю при = 0, затем быстро увеличивается до максимума на длине волны 
, после чего опять приближается к нулю для очень длинных волн. Чем выше температура, тем короче длина волны, при которой достигается максимум.
Рисунок 3.4. Кривые спектральной излучательной способности черного тела в соответствии с законом Планка, построенные для разных значений абсолютной температуры.
 ,
| ||||
| где |
| - | спектральная излучательная способность черного тела на длине волны ;
| |
|
|
|
