Излучающая способность

Излучающая способность среды является функцией ее диэлектрической про­ницаемости и, следовательно, коэффициента преломления п. Максимальная излучающая способность равна 1. Она соответствует, так называемому, чер­ному телу — идеальному источнику электромагнитных излучений. Причиной такого названия является внешний вид объектов при нормальной комнат­ной температуре. Если тело является непрозрачным (γ =0) и ничего не отра­жает (ρ = 0), то согласно уравнению (3.134) оно представляет собой идеаль­ный источник и поглотитель электромагнитных излучений (поскольку α = ε). Однако следует отметить, что излучающая способность объекта, как пра­вило, зависит от длины волны излучений (рис. 3.44). Например, белый лис­ток бумаги в видимом диапазоне спектра обладает очень хорошей отражаю­щей способностью и почти не излучает видимого света. Однако в дальнем ИК диапазоне его отражающая способность значительно уменьшается, а из­лучающая способность наоборот возрастает до 0.92, что делаег белую бумагу хорошим источником ИК излучений. Полиэтилен, широко используемый для изготовления линз дальнего ИК диапазона, сильно поглощает (излучает) вол­ны очень узкого диапазона: в окрестностях длин волн, равных 3.5, 6.8 и 13 мкм, а в других областях спектра он является прозрачным (неизлучающим) материалом.

Для неполяризованного света дальнего ИК диапазона, направленного пер­пендикулярно поверхности, можно записать следующее выражение для коэффи­циента излучения:

Все неметаллические материалы являются очень хорошими источниками диффу­зионного теплового излучения, обладающими практически постоянной излучаю­щей способностью в пределах телесного угла ±70°, определяемой уравнением (3.139). За границами этого угла вплоть до 90° коэффициент излучения стремительно пада­ет. В окрестности 90° он равен практически 0. На рис. 3.45А показана типичная для неметаллических материалов диаграмма направленности излучений в воздухе. Сле­дует подчеркнуть, что все вышесказанное справедливо только для длин волн даль­него ИК диапазона спектра, и совсем несправедливо для волн видимого света.

Металлы ведут себя совсем по-другому. Их излучающая способность силь­но зависит от способа обработки поверхности. Как правило, хорошо отшлифо­ванные металлы плохо излучают в пределах телесного угла ±70°, а при больших углах их излучающая способность значительно возрастает (рис. 3.45Б). Это оз­начает, что даже очень хорошие зеркала плохо отражают при углах в окрестнос­ти 90° от нормали. В Приложении приведены типичные значения коэффициен­тов излучения некоторых материалов для температур в диапазоне О...ЮО°С.

В отличие от большинства твердых тел газы во многих случаях являются прозрачными для теплового излучения. Они поглощают и испускают излуче­ния только определенного узкого спектрального диапазона. Некоторые газы, такие как 0₂, N₂ и другие, состоящие из симметричных неполярных молеку­лярных структур, пропускают электромагнитные волны только при низких тем­пературах, тогда как С0₂, Н₂0 и углеводородные газы излучают и поглощают волны в более широком диапазоне. При попадании ИК света в слой газа его поглощающая способность падает по экспоненте, подчиняясь закону Ламбер­та-Бера:

где Ф₀ — падающий тепловой поток, Ф_х — поток на глубине х, а α _λ — спект­ральный коэффициент поглощения. Это отношение также называется моно­хроматическим коэффициентом пропускания (проницаемостью) γ _λ опреде­ленной длины волны λ. Если отражающая способность газа равна нулю, его коэффициент излучения определяется в виде:

Следует подчеркнуть, что поскольку газы поглощают излучения только в уз­ком спектральном диапазоне, коэффициенты излучения и пропускания соответ­ствуют конкретным длинам волн. Например, водяной пар имеет высокий коэф­фициент поглощения на длинах волн 1.4, 1.8 и 2.7 мкм и является практически прозрачным на длинах волн 1.6, 2.2 и 4 мкм.