Фізичні основи термографії, закони теплового випромінювання

Теплове (температурне) випромінювання – це елект­ро­маг­нітне випромінювання тіл, що виникає за рахунок їх внутрішньої енергії (енергії теплового руху атомів та молекул). Теплове випромінювання властиве всім тілам, температура яких вища за абсолютний нуль.

Теплове випромінювання тіла людини переважає фізичні поля, що випромінюються ним і можуть бути заре­єстро­вані. Потужність теплового випромінювання з кожно­го квадратного сантиметра поверхні тіла становить при­близ­но 10^–2 Вт, а загальна потужність випромінювання тіла людини ~100 Вт.

Теплове випромінювання тіла людини має неперервний спектр, максимум якого залежить від температури тіла. Із збільшенням температури загальна енергія теплового ви­про­міню­вання зростає, а максимум зсувається в бік менших довжин хвиль. Ці фактори можуть бути використані в медицині, зокрема, в діагностиці. У здорової людини розпо­діл температури по різних точках поверхні тіла досить характеристичний. Але запальні процеси, пухлини здатні значно змінювати місцеву температуру. Таким чином, реєстра­ція випромінювання різних ділянок поверхні тіла і визна­чення їх температури може служити діагностичним методом. Такий метод зветься термографією. Теоретичну основу даного методу становлять закони теплового випро­мі­нювання. Введемо основні характеристики теплового випромінювання.

Потік випромінювання Ф – середня потужність випромінювання за проміжок часу, який значно перевищує період електромагнітних коливань. Потік Ф вимірюється у ватах (Вт).

Потік випромінювання з одиниці площі поверхні тіла називають енергетичною світністю тіла R_e:

.

Енергетична світність тіла, що віднесена до одиниці спектрального інтервалу, зветься спектральною густиною енергетичної світності r_l:

Коефіцієнтом поглинання a називають величину, що дорівнює відношенню потоку випромінювання, що погли­на­єть­ся тілом (Ф_погл), до потоку, що падає на тіло (Ф_пад):

Якщо величина a віднесена до одиничного спектраль­ного інтервалу, то говорять про монохроматичний коефі­ці­єнт поглинання

Тіло, для якого монохроматичний коефіцієнт поглинан­ня дорівнює одиниці у всьому спектральному інтервалі і при будь-якій температурі, називається абсолютно чорним, тобто

.

Моделлю абсолютно чорного тіла може бути порожни­на з дуже малим отвором (мал. 8.36). Промінь будь-якої довжини хвилі, що попав всередину такої порожнини, може вийти з неї тільки після багатократних відбивань. При кож­ному відбиванні від стінок порожнини частина енергії променю поглинається і лише мізерна доля енергії проме­нів, що попали в отвір, зможе вийти назад; тому коефіцієнт поглинання отвору виявиться близьким до одиниці.

Мал. 8.36.Модель абсо­лют­но чорного тіла.

В теорії теплового випромінювання вводять також по­нят­тя сірого тіла. Це тіло, коефі­цієнт поглинання якого менше за одиницю і не залежить від дов­жи­ни хвилі. Тіло людини можна вважати сірим в інфрачервоній частині спектра, оскільки його коефіцієнт поглинання у цьому спектраль­ному діапазоні a_l» 0.9.

На мал. 8.37 відображена залежність монохроматич­но­го кое­фі­цієнта поглинання довільного тіла від довжини хвилі при даній температурі. При зміні температури характер кри­вої a_l = f (l) може суттєво мінятись: довжини хвиль, що поглинаються при одній температурі, можуть пропускатися при іншій температурі і навпаки (див. нижній параграф).

Мал. 8.37. Залежність монохроматичного коефіцієнта поглинання від довжини хвилі.

Теплове випромінювання підпорядковується таким ос­нов­ним законам: закону Кірхгофа, який виконується для будь-якого тіла, та трьом законам, які виконуються лише для абсолютно чорного тіла – закону випромінювання План­ка, закону Стефана-Больцмана і закону зміщення Віна.

⇐ Предыдущая12345Следующая ⇒