Záření černého tělesa se týká elektromagnetického záření emitovaného předmětem, který absorbuje veškeré dopadající záření, aniž by je odrážel nebo propouštěl. Rozložení energie v záření černého tělesa hraje zásadní roli v pochopení různých fyzikálních jevů, jako je přenos tepla a chování fotonů. V tomto příspěvku na blogu prozkoumáme, jak měřit distribuci energie v záření černého tělesa, faktory, které ji ovlivňují, a její aplikace v různých kontextech.
Distribuce energie v záření černého tělesa
Vysvětlení distribuce energie v záření černého tělesa
Distribuce energie v záření černého tělesa sleduje určité vzorce, které jsou charakterizovány teplotou objektu vyzařujícího záření. Podle Planckova zákona je spektrální hustota energie (nebo intenzita) záření černého tělesa dána rovnicí:
kde 
je spektrální hustota energie při dané frekvenci 
a teplotě 
, 
je Planckova konstanta, 
je rychlost světla a 
je Boltzmannova konstanta.
Tato rovnice ukazuje, že distribuce energie je závislá na frekvenci, teplotě a fyzikálních konstantách. To také ukazuje, že jak se frekvence zvyšuje, hustota energie exponenciálně klesá.
Faktory ovlivňující distribuci energie v záření černého tělesa
Rozložení energie v záření černého tělesa je ovlivněno několika faktory. Jedním z klíčových faktorů je teplota. Jak se teplota zvyšuje, distribuce se posouvá směrem k vyšším frekvencím, což má za následek vyšší hustotu energie na těchto frekvencích. Toto chování popisuje Wienův posunový zákon, který říká, že špičková vlnová délka distribuce energie je nepřímo úměrná teplotě.
Dalším důležitým faktorem je emisivita objektu. Emisivita se týká účinnosti, se kterou objekt vyzařuje záření ve srovnání s dokonalým černým tělesem. Objekty s vysokou emisivitou mají tendenci mít rovnoměrnější rozložení energie, velmi podobné černému tělesu. Na druhé straně objekty s nízkou emisivitou mají distribuci energie, která se odchyluje od ideální křivky černého tělesa.
Jak měřit distribuci energie v záření černého tělesa
Nástroje a techniky pro měření distribuce energie
Měření distribuce energie v záření černého tělesa vyžaduje specializované nástroje a techniky. Jednou z běžně používaných technik je spektroskopie, která zahrnuje analýzu intenzity záření na různých vlnových délkách. Spektrometry, spektrofotometry nebo dokonce jednoduché difrakční mřížky lze použít k rozdělení záření na jeho jednotlivé vlnové délky a měření jejich intenzit.
Proces měření distribuce energie krok za krokem
Chcete-li změřit rozložení energie v záření černého tělesa, postupujte takto:
Vyberte vhodný přístroj pro spektroskopii, jako je spektrometr nebo spektrofotometr.
Nastavte přístroj podle pokynů výrobce a v případě potřeby jej zkalibrujte.
Vyberte zdroj záření černého tělesa se známou teplotou. Může to být dutina černého tělesa nebo specializovaný zářič černého tělesa.
Umístěte zdroj záření do blízkosti přístroje a ujistěte se, že zde nejsou žádné zdroje rušení.
Nasměrujte záření emitované zdrojem směrem k detektoru přístroje.
Zachyťte záření na detektoru a zaznamenejte jeho intenzity na různých vlnových délkách.
Vyneste zaznamenané intenzity jako funkci vlnové délky nebo frekvence, abyste získali křivku distribuce energie.
Zpracované příklady měření distribuce energie
Pojďme si vypracovat několik příkladů pro ilustraci procesu měření distribuce energie v záření černého tělesa.
Příklad 1: Experimentátor měří distribuci energie záření černého tělesa při teplotě 5000 K pomocí spektrofotometru. Zaznamenané intenzity na různých vlnových délkách jsou následující:
| Vlnová délka (nm) | Intenzita |
|---|---|
| 400 | 2.5 |
| 500 | 3.7 |
| 600 | 3.1 |
| 700 | 2.8 |
| 800 | 1.9 |
Vynesením zaznamenaných intenzit jako funkce vlnové délky můžeme vizualizovat distribuci energie záření černého tělesa při 5000 K.
Příklad 2: Zvažte scénář, kdy se výzkumník snaží změřit distribuci energie záření černého tělesa emitovaného nebeským objektem. Používají spektrometr k záznamu intenzit na různých frekvencích.
| Frekvence (Hz) | Intenzita |
|---|---|
| 1 × 10^14 | 5.2 |
| 2 × 10^14 | 4.9 |
| 3 × 10^14 | 4.3 |
| 4 × 10^14 | 3.8 |
| 5 × 10^14 | 3.2 |
Vynesením těchto zaznamenaných intenzit jako funkce frekvence lze určit křivku rozložení energie záření černého tělesa emitovaného nebeským objektem.
Měření záření v různých kontextech
Jak měřit záření v lidském těle
Měření radiace v lidském těle je zásadní pro posouzení potenciálních zdravotních rizik spojených s expozicí různým zdrojům záření, jako jsou lékařské snímky nebo radioaktivní materiály. K měření záření v lidském těle se používají různé techniky, včetně dozimetrů a zobrazovacích technik, jako je rentgenové nebo gama záření. Tyto techniky umožňují kvantifikaci a vizualizaci energetické distribuce záření v těle.
Měření záření z elektrického vedení
Elektrické vedení může vyzařovat elektromagnetické záření a měření tohoto záření je klíčové pro zajištění veřejné bezpečnosti a dodržování předpisů. K měření distribuce energie záření vyzařovaného elektrickým vedením se používají přístroje jako měřiče elektromagnetického pole (EMF). Tato měření pomáhají určit úroveň expozice a v případě potřeby umožňují vhodné strategie zmírnění.
Pochopením a měřením energetické distribuce záření v různých kontextech můžeme získat cenné poznatky o chování a dopadu různých typů záření.
Numerické úlohy o tom, jak měřit distribuci energie v záření černého tělesa
1 problém:
Černé těleso o teplotě 500 K vyzařuje záření v určitém rozsahu vlnových délek. Rozložení energie tohoto záření černého tělesa lze měřit pomocí Planckova zákona:
kde:
- 
) je rozložení energie záření černého tělesa na vlnové délce 
a teplotě
- je Planckova konstanta 
)
- je rychlost světla 
)
- 
je Boltzmannova konstanta 
)
Vypočítejte rozložení energie záření černého tělesa při vlnové délce 500 nm (v metrech) a teplotě 500 K.
Řešení:
Zadáno:
Dosazením hodnot do vzorce Planckova zákona dostaneme:
Zjednodušení rovnice:
Nyní můžeme vypočítat hodnotu ).
2 problém:
Černé těleso má teplotu 1000 K. Vypočítejte špičkovou vlnovou délku, při které je intenzita záření černého tělesa maximální.
Řešení:
Zadáno:
Maximální vlnová délka 
), při které je intenzita záření černého tělesa maximální, lze vypočítat pomocí Wienova zákona o posunutí:
Dosazením hodnoty teploty do rovnice dostaneme:
Nyní můžeme vypočítat hodnotu 
.
3 problém:
Rozložení energie záření černého tělesa při určité teplotě je dáno rovnicí:
kde:
- ) je rozložení energie záření černého tělesa na vlnové délce a teplotě
- 
a 
jsou konstanty
Pokud je distribuce energie na určité vlnové délce 
je známo, že je = 2 , text{W/m}^2) a teplota je 
, vypočítat hodnoty konstant a .
Řešení:
Zadáno:
= 2 , text{W/m}^2)
Dosazením uvedených hodnot do rovnice rozdělení energie dostaneme:
Pro zjednodušení rovnice máme:
Nyní můžeme řešit hodnoty konstant a .
Také čtení:
- Jak zlepšit využití gravitační energie ve výtazích na svahu
- Jak využít energii záření pro odsolování vody
- Příklad gravitační energie na mechanickou energii
- Jak využít tepelnou energii v průmyslových procesech
- Jak zlepšit mechanickou přeměnu energie v analogových hodinkách
- Poměr rotační a translační kinetické energie koule
- Je mechanická energie zachována při elastické srážce
- Jak maximalizovat extrakci kinetické energie z říčních proudů pro malé vodní generátory
- Je to energie statické elektřiny
- Jak odhadnout energii v railgunu
Základní tým TechieScience pro malé a střední podniky je skupina zkušených odborníků z různých vědeckých a technických oborů včetně fyziky, chemie, technologie, elektroniky a elektrotechniky, automobilového průmyslu a strojního inženýrství. Náš tým spolupracuje na vytváření vysoce kvalitních, dobře prozkoumaných článků o široké škále vědeckých a technologických témat pro web TechieScience.com.
Všechny naše senior SME mají více než 7 let zkušeností v příslušných oborech. Jsou to buď profesionálové z pracovního průmyslu, nebo jsou spojeni s různými univerzitami. Odkazovat Naši autoři Stránka, kde se dozvíte o našich základních malých a středních podnicích.
Ahoj kolego čtenáři,
Jsme malý tým v Techiescience, tvrdě pracujeme mezi velkými hráči. Pokud se vám líbí, co vidíte, sdílejte náš obsah na sociálních sítích. Vaše podpora znamená velký rozdíl. Děkuji!