5.1 Жылулық сәулеленудің негізгі заңдары

Жылулық сәулелену - дене атомдары мен молекулаларының жылулық қозғалысы энергиясын оптикалық сәулелену энергиясына түрлендіру нәтижесі. Сәулеленетін дененің температурасы сәулелену ағынының мәнін де және оның спектрлік құрамын да анықтайды.

Жылулық сәулеленудің негізгі заңдары абсолют қара денеге тұжырымдалған.

Абсолют қара дене - өзіне түскен сәулеленуді түсу бұрышына, спектрлік құрамына және полярлануына қарамастан, түгел жұтатын оптикалық сәулеленуді қабылдағыш. Абсолют қара дене түсініктемесінің басқа да анықтамасы бар: бұл қалған жағдайлар бірдей болғанда, басқа жылулық сәулеленгіштермен салыстырғанда ең үлкен сәулелену ағынын тудыратын қабілеті бар жылулық сәулеленгіш.

Кирхгофф заңы дененің сәулелерді шығару және жұту қабілеттерінің арасындағы байланысты айқындайды: температурасы бірдей денелердің сәулелену тығыздықтарының қатынасы олардың жұту коэффициенттерінің қатынасына тең:

Кирхгофф заңын басқаша жазузға болады:

(5.3)

мұндағы R_T - сол температурадағы абсолют кара дене сәулеленуінің тығыздығы, Вт/м².

Басқаша айтқанда, температурасы бірдей болатын барлық денелерге сәулелену тығыздығының жұту коэффициентіне қатынасы - сол температурадағы абсолют қара дене сәулеленуінің тығыздығына тең, тұрақты шама.

Стефан - Больцман заңы дененің сәулелену тығыздығымен оның температурасының арасындағы байланысты тағайындайды. Стефан мен Больцман абсолют қара дененің сәулелену тығыздығы тек оның температурасына тәуелді және абсолют температураның төртінші дәрежесіне пропорционал екендігін анықтайды:

, (5.4)

Мұндағы R_т - абсолют қара дененің сәулелену тығыздығы, Вт/м²; G=5,672·10^-8 Вт/м²·К, тұрақты шама; Т-абсолют температура, К.

Абсолют қара дененің жылулық сәулелену спектріндегі энергияның таралуы Планк заңымен айқындалады:

, (5.5.)

Мұндағы R_Т -абсолют қара дене сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы, Вт/м²·мкм; С₁=3,74·10⁸ Вт/м²·мкм, тұрақты; С₂=1,43·10⁴ мкм·град, тұрақты; е - натуральды логарифмнің негізі.

Виннің ығысу заңы: сәулеленетін дене температурасы оның сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы қисығының максимумы қысқа толқындар аймағына ығысады (5.1 сурет):

_max·Т= 2896 мкм·град (5.6.)

мұндағы _max - сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы кисығының максимумына сәйкес келетін толқын ұзындығы, мкм.

Стефан - Больцман заңы мен ығысу заңын пайдаланып, Вин абсолют кара дененің сәулелену ағыны спектрлік тығыздыгының максимал мәні дене температурасының бесінші дәрежесіне пропорционал өсетінін анықтады:

, (5.7)

мұндағы С₃ = 1,041·10^-11 Вт/м² мкм^-1·град^-5

5.1 сурет - Абсолют қара денені әр түрлі температураға дейін қыздырғандағы оның сәулеленуінің спектрлік тығыздығы

Жылулық сәулеленудің негізгі зандары мынадай қорытындылар жасауға мүмкіншілік береді:

1. Абсолют қара дененің сәулелену ағыны қызу температурасының төртінші дәрежесіне пропорционал.

2. Абсолют қара дененің сәулелену ағыны спектрлік тығыздығының максимумы қызу температурасының бесінші дәрежесіне пропорционал.

3. Абсолют қара дененің қызу температурасы жоғарылаған сайын оның сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы қисығының максимумы қысқа толқындар аймағына ығысады.

Көрінерлік сәуле көзі ретінде пайдаланылатын жылулық сәулеленгіштің сәулелену ағыны тиімді бергіштігінің (жарық П.Ә.К.-нің) қыздыру температурасына тәуелді ең маңызды көрсеткіштердің бірі болады (5.2 сурет):

, (5.8.)

5.2 сурет – Жарық П.Ә.К-нің абсолют қара дененің температурасына тәуелділігі

Сәулеленгіштің температурасы жоғарылағанда жарық П.Ә.К-і өседі. Бұл сәулелену ағынының спектрлік тығыздығы қисығының максимумының көрінерлік сәулелену аймағына ығысумен түсінікті болады. Абсолют қара дененің температурасы 6500 К шамасында болғанда жарық П.Ә.К-і (14,5%) ең жоғары мәніне жетеді. Сәулеленудің спектрлік тығыздығы қисығының максимумы спектрдің көрінерлік бөлігінде болады. Сәулеленгіштің температурасы мұнан әрі жоғарылағанда φ(λ) қисығының максимумы спектрдің қысқа толқынды бөлігіне ығысады. Жарық П.Ә.К-нің мәні төмендей бастайды.

5.1 кестеде кейбір жылулық сәулеленгіштердің жарық П.Ә.К-і мен жарық бергіштігінің максимал мәндері берілген.

5.1 кесте - Кейбір сәулеленгіштердің жарық П.Ә.К-і және жарық бергіштігі

Сәулелену сипаты немесе сәулеленгіш	Темпера- тура, К	Жарық бер-гіштік,лм/Вт	Жарық П.Ә.К.-і, %
Толқын ұзындығы Х=555нм біртекті сәулелену	-	680	100
Тең энергетикалық сәулелену	-	242	35,5
Толық сәулеленгіш	6500	99	14,5
Күн тас төбеде	-	94	13,8
Вольфрам балқығанда	3665	55	8,1
Көмір қылсымды шам	2135	3,54	0,52
Керосин шам	1850	0,27	0,04

Жарық - техникалық есептеуде пайдаланылатын денелер абсолют қара дененің қасиеттеріне толык ие бола алмайды. Дегенмен арнайы өтпелі шамаларды енгізу арқылы абсолют қара дененің жылулық сәулелену заңдарын нақтылы денелерге колдануға болады.