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 при­близня а загальна потужність випромінювання тіла людини

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 називається термографією. Теоре­тичну основу цього 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

Енергетична світність тіла, що віднесена до одиниці спектрального інтервалу, називається спектральною гус­тиною енергетичної світності

Величина спектральної густини енергетичної світності залежить від довжини хвилі. Залежність називається спектром випромінювання тіла. Зрозуміло, що енерге­тична світність по всьому спектру визначається через такий інтеграл:

(6.22)

саме тому називають ще й інтегральною енергетичною світністю.

Введемо характеристики поглинаючої здатності тіла.

Коефіцієнтом поглинання називають величину, що дорівнює відношенню потоку випромінювання, що погли­нається тілом до потоку, що падає на тіло

Якщо величина а 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 (рис. 6.36). 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 частка енергії проме­нів, що попали в отвір, зможе вийти назад; тому коефіцієнт поглинання отвору виявиться близьким до одиниці.

У теорії теплового випромінювання вводять також по­няття сірого тіла. Це тіло, коефі­цієнт поглинання якого менший 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 ­

Рис. 6.36. Модель абсолютного чорного тіла.

На рис. 6.37 відображена за­лежність монохроматичного коефіцієнта поглинання до­вільного тіла від довжини хвилі при даній температурі. При зміні температури характер кривої може суттєво мінятись: довжини хвиль, що поглинаються при одній температурі, можуть пропускатися при іншій температурі, і навпаки.

Рис. 6.37. 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.

Дата добавления: 2015-05-24