Как известно, оптическим излучением называют электромагнитные колебания в диапазоне длин волн от 1 нм до 1 мм. С этим диапазоном граничат с коротковолновой стороны рентгеновское излучение, а с длинноволновой стороны - радиоволны.

На рис. 82 показано положение оптического излучения в общем спектре электромагнитных колебаний, который представлен гамма-излучением, рентгеновским, ультрафиолетовым, видимым и инфракрасным излучениями и радиоволнами. Видимый участок оптического излучения характеризуется длинами волн

Следует отметить, что границы между отдельными участками являются условными. Например, ультрафиолетовое излучение перекрывается рентгеновским, а инфракрасное - радиоволнами.

Спектр излучения, или, как его иногда называют, спектральный состав излучения, представляет собой распределение мощности излучения по длинам волн или частотам колебаний. Излучение, характеризуемое одной длиной волны, является монохроматическим. Спектр излучения такого вида называют линейчатым (рис. 83, а). Излучение, представляющее собой непрерывную совокупность монохроматических излучений, имеет сплошной спектр (рис. 83, б). Диапазон длин волн для сплошного спектра можно рассматривать в пределах от нуля до бесконечности. Источ. никами сплошного спектра обычно являются нагретые твердые тела и жидкости, линейчатого - раскаленные газы или пары, также лазеры.

Идеального монохроматического излучения в природе не существует, поэтому на практике под монохроматическим излучением подразумевают излучение, которое включает в себя такой узкий интервал длин волн, который можно характеризовать одной длиной волны.

Для видимого диапазона оптического излучения немецкий физик Фраунгофер (1787-1826), исследуя излучение Солнца, измерил длины волн, соответствующие определенным линиям в солнечном спектре. Эти линии воспроизводятся спектрами некоторых химических элементов, заполняющих в виде газов или паров колбы ламп с дуговым, тлеющим или высокочастотным разрядом.

Для длин волн линий Фраунгофера фиксируются показатели преломления оптических сред. В табл. 4 приведены обозначения спектральных линий, соответствующие им длины волн и область

Рис. 82. Спектр электромагнитных колебаний

Рис. 83. Виды спектров: а - линейчатый; б - сплошной

спектра (цвет), а также тот химический элемент, линейчатое излучение которого имеет данную спектральную линию.

Энергию оптического излучения как и всякую другую, измеряют в джоулях

Среднюю мощность оптического излучения за время значительно большее периода световых колебаний, называют потоком излучения и оценивают в ваттах

Если в пределах узкого спектрального участка поток излучения равен то отношение

является спектральной плотностью потока излучения.

Таблица 4 (см. скан) Спектральные лаааа Фраунгофера

На рис. 84 показана зависимость от длины волны спектральной плотности потока излучения в сплошном спектре, которую называют спектральной характеристикой потока излучения. Из этой зависимости следует, что поток представляется площадью элементарного участка

Как мы уже знаем, волна характеризуется переносом энергии. Следовательно, электромагнитные волны тоже несут с собой энергию. Рассмотрим некоторую поверхность площадью S. Положим, что через нее электромагнитные волны переносят энергию.

На следующем рисунке представлена такая поверхность.

Плотность потока электромагнитного излучения

Линиями обозначены направления распространения электромагнитных волн. Линии, перпендикулярные поверхности, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах, называются лучами. А эти поверхности называются волновыми поверхностями.

Плотность потока электромагнитного излучения – это отношение электромагнитной энергии ∆W, проходящей через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, за время ∆t, к произведению S на ∆t.

I = ∆W/(S*∆t)

Единицей измерения плотности магнитного потока в систему СИ являются ватты на квадратный метр (Вт/м^2). Выразим плотность потока через скорость его распространения и плотность электромагнитной энергии.

Возьмем поверхность S, перпендикулярную лучам. Построим на ней цилиндр с основанием c*∆t.

Здесь c – скорость распространения электромагнитной волны. Объем цилиндра вычисляется по формуле:

∆V = S*c*∆t.

Энергия электромагнитного поля сосредоточенного внутри цилиндра будет вычисляться по следующей формуле:

Здесь ω - плотность электромагнитной энергии. Эта энергия за время ∆t пройдет через правое основание цилиндра. Получаем следующую формулу:

I = (ω*c*S*∆t)/(S*∆t) = ω*c.

Энергия по мере удаления от источника будет уменьшаться. Будет верна следующая закономерность, зависимости плотности тока от расстояния до источника. Плотность потока излучения направленного от точечного источника будет убывать обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

I = ∆W/(S*∆t) = (∆W/(4*pi∆t))*(1/R^2).

Электромагнитные волны излучаются при ускоренном движении заряженных частиц. При этом напряженность электрического поля и вектор магнитной индукции электромагнитной волны будут прямо пропорциональны ускорению частиц.

Если рассматривать гармонические колебания, то ускорение будет прямо пропорционально квадрату циклической частоты. Полная плотность энергии электромагнитного поля будет равняться сумме плотности энергии электрического поля и энергии магнитного поля.

Согласно формуле I = ω*c, плотность потока пропорциональна полной плотности энергии электромагнитного поля.

Учитывая всё вышесказанное, имеем.

>> Плотность потока электромагнитного излучения

§ 50 ПЛОТНОСТЬ ПОТОКА ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Содержание урока конспект урока опорный каркас презентация урока акселеративные методы интерактивные технологии Практика задачи и упражнения самопроверка практикумы, тренинги, кейсы, квесты домашние задания дискуссионные вопросы риторические вопросы от учеников Иллюстрации аудио-, видеоклипы и мультимедиа фотографии, картинки графики, таблицы, схемы юмор, анекдоты, приколы, комиксы притчи, поговорки, кроссворды, цитаты Дополнения рефераты статьи фишки для любознательных шпаргалки учебники основные и дополнительные словарь терминов прочие Совершенствование учебников и уроков исправление ошибок в учебнике обновление фрагмента в учебнике элементы новаторства на уроке замена устаревших знаний новыми Только для учителей идеальные уроки календарный план на год методические рекомендации программы обсуждения Интегрированные уроки

Излучаемые электромагнитные волны несут с собой энергию.

Рассмотрим поверхность площадью S, через которую электромагнитные волны переносят энергию. На рисунке 7.5 изображена такая площадка.

Прямые линии указывают направления распространения электромагнитных волн. Это лучи - линии, перпендикулярные поверхностям, во всех точках которых колебания происходят в одинаковых фазах. Такие поверхности называются волновыми поверхностями (см. § 46). I называют отношение электромагнитной энергии ΔW, проходящей за время Δt через перпендикулярную лучам поверхность площадью S, к произведению площади S на время Δt:

Фактически это мощность электромагнитного излучения (энергия в единицу времени), проходящего через единицу площади поверхности. Плотность потока излучения в СИ выражают в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2). Иногда эту величину называют интенсивностью волны.

Выразим I через плотность электромагнитной энергии и скорость ее распространения с . Выберем поверхность площадью S, перпендикулярную лучам, и построим на ней как на основании цилиндр с образующей cΔt (рис. 7.6). Объем цилиндра ΔV = ScΔt. Энергия электромагнитного поля внутри цилиндра равна произведению плотности энергии на объем: ΔW = wcΔtS. Вся эта энергия за время Δt пройдет через правое основание цилиндра. Поэтому из формулы (7.1) получаем

т. е. равна произведению плотности электромагнитной энергии на скорость ее распространения.

Найдем зависимость плотности потока излучения от расстояния до источника. Для этого надо ввести еще одно новое понятие.

Точечный источник излучения. Источники излучения электромагнитных волн могут быть весьма разнообразными. Простейшим является точечный источник .

Источник излучения считается точечным, если его размеры много меньше расстояния, на котором оценивается его действие. Кроме того, предполагается, что такой источник посылает электромагнитные волны по всем направлениям с одинаковой интенсивностью. Точечный источник - такая же идеализация реальных источников, как и другие модели, принятые в физике: материальная точка, идеальный газ и т. д.

Звезды излучают свет, т. е. электромагнитные волны. Так как расстояния до звезд в огромное число раз превышают их размеры, то именно звезды представляют собой лучшее реальное воплощение точечных источников.

Энергия, которую переносят электромагнитные волны, с течением времени распределяется по все большей и большей поверхности. Поэтому энергия, передаваемая через поверхность единичной площадки за единицу времени, т. е. плотность потока излучения, уменьшается по мере удаления от источника.

Поместим точечный источник в центр сферы радиусом R. Площадь поверхности сферы S = 4πR 2 . Если считать, что источник по всем направлениям за время Δt излучает суммарную энергию ΔW, то

Плотность потока излучения от точечного источника убывает обратно пропорционально квадрату расстояния до источника.

Зависимость плотности потока излучения от частоты. Излучение электромагнитных волн происходит при ускоренном движении заряженных частиц (см. § 48). Напряженность электрического поля Е и магнитная индукция В электромагнитной волны пропорциональны ускорению а излучающих частиц. Ускорение при гармонических колебаниях пропорционально квадрату частоты. Поэтому напряженность электрического поля и магнитная индукция также пропорциональны квадрату частоты:

Е ∼ а ∼ ω 2 , В ∼ а ∼ ω 2 . (7.4)

Плотность энергии электрического поля пропорциональна квадрату напряженности поля. Энергия магнитного поля, как это можно показать, пропорциональна квадрату магнитной индукции. Полная плотность энергии электромагнитного поля равна сумме плотностей энергий электрического и магнитного полей. С учетом формулы (7.2) плотность потока излучения

I ∼ w ∼ (Е 2 + В 2). (7.5)

Так как согласно выражениям (7.4) Е ∼ ω 2 и В ∼ ω 2 , то

I ∼ ω 4 . (7.6)

Плотность потока излучения пропорциональна четвертой степени частоты.

При увеличении частоты колебаний заряженных частиц в 2 раза излучаемая энергия возрастает в 16 раз! В антеннах радиостанций поэтому возбуждают колебания больших частот: от десятков тысяч до десятков миллионов герц.

Электромагнитные волны переносят энергию. Плотность потока излучения (интенсивность волны) равна произведению плотности энергии на скорость ее распространения. Интенсивность волны пропорциональна четвертой степени частоты и убывает обратно пропорционально квадрату расстояния от источника.

Вопросы к параграфу

1. Какую величину называют плотностью потока электромагнитного излучения?

2. Какой источник излучения называется точечным?

3. Почему переменный ток в осветительной сети практически не излучает электромагнитных волн?

Cтраница 1

Полный поток излучения характеризует данный источник; этот поток нельзя увеличить никакими оптическими системами. При этом сила света / (6, ф) возрастает по одним направлениям и уменьшается по другим.  

Поскольку полный поток излучения лазера с модулированной добротностью значительно превышает поток, допустимый для плоскостного фотоэлемента, следует тем или иным способом линейно ослабить пучок, чтобы существенно уменьшился поток, падающий на приемник. Как мы уже упомянули, обычные способы оптического ослабления не пригодны. Поэтому для ослабления пучок рассеивается на диффузной мишени , так что плотность потока уменьшается за счет отражения энергии в полусферу радиусом R. Хотя блок спресованной окиси магния представляет собой одну из лучших рассеивающих мишеней, имеющихся в настоящее время, такая мишень не полностью ламбертова. Более того, диффузность окиси магния зависит от длины волны, особенно в инфракрасной области , как показано на фиг.  

Методы полных потоков излучения не могут наглядно вскрывать всю физическую картину протекания лучистого переноса теплоты но зато позволяют получить расчетные данные без громоздких вычислений.  

По этой причине полный поток излучения с поверхности нагретой аэрозольной частицы заметно меньше, чем поток с поверхности массивной частицы того же материала. При этом спектр излучения малой аэрозольной частицы смещен в коротковолновую область по сравнению со спектром излучения массивной частицы.  

Типичные значения освещенности.| Обзор фотометрических характеристик и определений.| Световая отдача абсолютно черного тела.

Оптические фильтры помогают оптимизировать спектральные характеристики и полный поток излучения источника, попадающий на оптический преобразователь, например линзу, а также реакцию чувствительного элемента.  

Мы изучали пропускание различными сортами млечного сока полного потока излучения инфракрасной лампы Мазда 250 впг для сушки.  

Интегральный метод является методом, синтезирующим представления методов многократных отражений и полных потоков излучения. В основу его кладутся интегральные уравнения, которые составляются применительно к отдельным видам излучения Интегральные уравнения, описывают процессы переноса излучением с произвольным распределением оптических свойств излучающей системы тел и промежуточной среды, непрерывно зависящих от координат точки. Они имеют общий и строгий характер, дают возможность составить полное представление о сущности явлений лучистого переноса и проводить их исследование в сложных геометрических системах. Однако решения интегральных уравнений связаны со значительными трудностями.  

Интегральный метод является методом, синтезирующим представления методов многократных отражений и полных потоков излучения. В его основу кладутся интегральные уравнения, которые составляются применительно к отдельным виДам излучения. Интегральные уравнения описывают процессы переноса излучением с произвольным распределением оптических свойств излучающей системы тел и промежуточной среды, непрерывно зависящих от координат точки. Они имеют общий и строгий характер, дают возможность составить полное представление о сущности явлений лучистого переноса и проводить их исследование в сложных геометрических системах. Однако решения интегральных уравнений связаны со значительными трудностями. Поэтому прибегают к их упрощению.  

В сводной таблице приняты следующие ббозна-чения: FT - измерения для полного потока излучения ламп; IR - измерения только для инфракрасной части этого потока.  

Источник излучения характеризуется энергетической светимостью (излучательностью) R3, т.е. полным потоком излучения с единицы поверхности источника.  

Применение радиационных пирометров для измерений температуры реальных тел целесообразно в тех случаях, когда полный поток излучения объекта R мало отличается от 0 при той же температуре.  

Одномерное аэротермохимическое явление имеет место, если векторы среднемассовои скорости, массовых сил и полного потока излучения направлены вдоль одной из трех взаимноортогональных координатный осей, а все термодинамические параметры потока остаются постоянными на поверхностях, ортогональных этой оси.  

По существу, уверенно определяются только спектральный индекс а (см. рис. 53) и полный поток излучения, от которого не так просто перейти к спектральной интенсивности, ибо размеры объекта и расстояния до него оцениваются с известной неопределенностью.