6.3. Теория термографии

Все тела, температура которых отлична от абсолютного нуля, являются источниками инфракрасного излучения (ИКИ). Характер его зависит от агрегатного состояния вещества. У разреженных газов спектры ИКИ, как правило, состоят из отдельных линий и полос, характерных для данного газа. При повышении давления и

температуры линии и полосы становятся нерезкими.

У твердых тел вследствие взаимодействия между молекулами спектры ИКИ становятся сплошными.

Согласно теории Бора излучение энергии связано с переходами атомов с более высоких уровней на более низкие. Эти переходы сопровождаются испусканием квантов, энергия которых

W_n - W_m = ħ C₀/, (6-1)

где ħ  6,625 10^-34 (Вт сек²) - постоянная Планка;

C₀ = 10⁸ м/сек - скорость света;

 - длина волны в метрах;

W_n, W_n - энергии, соответствующие уровням n и m.

ИКИ является частью оптического излучения и занимает в спектре электромагнитных волн диапазон длин волн от 0,76 мкм до 1000 мкм. Длины электромагнитных волн рентгеновского и ультрафиолетового излучения, видимого света, ИКИ и радиоволн в микрометрах (старое название - микроны) показаны на рис. 6.1.

Область ИКИ принято делить на четыре части:

- ближняя - с длинами волн от 0,76 до 3 мкм;

- средняя - от 3 до 6 мкм;

- дальняя - от 6 до 15 мкм и

- очень дальняя (ОД) - от 15 до 1000 мкм.

Сейчас из области ОД-волн выделяют область волн печей СВЧ с границами – от 100 мкм до 1 мм.

R - лучи УФ Фиолет. Синий Голубой Зеленый

0,4 0,45 0,48 0,5 0,56

Желт. Оранж. Кр. Бл. Ср. Дальн. ОД СВЧ Радио

0,56 0,59 0,62 0,76 3,0 6,0 15,0 100 1000 

ИКИ

Рис. 6.1.

Длины электромагнитных волн (в микрометрах)

Характеризуя излучение тепловых источников, выделяют три вида излучений - абсолютно черное тело (АЧТ), серые тела и селективные излучатели. АЧТ - идеализированное понятие. При данной температуре оно испускает и поглощает теоретически возможный максимум излучения.

У большинства твердых тел, особенно у полупровод-ников, диэлектриков и окислов металлов, распределение энергии излучения по спектру имеет такой же характер, как и у АЧТ. Такие тела называются серыми телами. Они характерны тем, что отношение их энергетической светимости к энергетической светимости АЧТ, имеющего такую же температуру, не зависит от длины волны  и называется коэффициентом теплового излучения .

Строго говоря, серых тел тоже не существует, но в большинстве случаев многие тела можно считать серыми, что позволяет использовать законы теплового излучения, выведенные для АЧТ. Это же допущение делают и для селективных излучателей.

Тепловое излучение нагретых тел характеризуется следующими физическими законами.

Энергетическая светимость АЧТ определяется по

закону Стефана-Больцмана, который гласит, что тепловой поток, излучаемый единицей поверхности в диапазоне длин волн от нуля до бесконечности М_е

М_е =  Т⁴, (6-2)

где  - постоянная Стефана-Больцмана;

Т - температура АЧТ в Кельвинах.

Поток излучения АЧТ площадью S

Ф_е = М_е S (6-3)

Для серых тел закон Стефана-Больцмана

М_е = _т  Т⁴, (6-4)

где _т - коэффициент теплового излучения (КТИ), безразмерная величина. КТИ характеризует долю суммарного по спектру излучения данного материала от излучения АЧТ той же температуры. Если излучение рассматривается не по всему спектру, а по какой-то узкой области, то вводят понятие спектрального КТИ _.

КТИ зависит от материала излучающей поверхности, ее температуры, состояния и степени окисления.