[Править] о значении для электротехники

Правила Кирхгофа имеют прикладной характер и позволяют наряду и в сочетании с другими приёмами и способами(метод эквивалентного генератора,метод контурных токов,метод узловых напряжений,принцип суперпозиции, способ составления потенциальной диаграммы) решать задачи электротехники. Правила Кирхгофа нашли широкое применение благодаря простой формулировке уравнений и возможности их решения стандартными способами линейной алгебры (методом Крамера,методом Гауссаи др.).

Существует мнение, согласно которому «Законы Кирхгофа» следует именовать «Правилами Кирхгофа», ибо они не отражают фундаментальных сущностей природы (и не являются обобщением большого количества опытных данных), а могут быть выведены из других положений и предположений.^{[источник не указан 963 дня]}

[Править] Закон излучения

СТЕ́ФАНА — БО́ЛЬЦМАНА ЗАКО́Н излучения, устанавливает зависимость полной (по всем частотам излучения) испускательной способности абсолютно черного тела от абсолютной температуры T: u = T4 , где — постоянная Стефана — Больцмана. Открыт Й. Стефаном (1879), теоретически обоснован Л. Больцманом (1884).

 

 

Основные законы теплового излучения

1. Закон Стефана — Больцмана

2. Закон излучения Кирхгофа

3. Закон смещения Вина

 

Закон Кирхгафа: Для всех тел при данной температуре способность отношение испускаемой к поглощающей есть постоянная величина равной испускаемой способности абсолютно черного тела при тойже температуре.

Закон излучения Кирхгофа — физический закон, установленный немецким физиком Кирхгофом в 1859 году.

В современной формулировке закон звучит следующим образом:

Отношение излучательной способности любого тела к его поглощательной способности одинаково для всех тел при данной температуре для данной частоты и не зависит от их формы, химического состава и проч.

 

Закон Стефона –Больцмана: Энергетическая светимость черного тела пропорциональна четвертой степени его термодинамической температурыt

Закон Стефана — Больцмана— закон излученияабсолютно чёрного тела. Определяет зависимость мощности излучения абсолютно чёрного тела от его температуры.

Формулировка закона: Мощность излучения абсолютно чёрного тела прямо пропорциональна площади поверхности и четвёртой степени температуры тела:

P=SεσT⁴, где ε - степень черноты (для всех веществ ε < 1, для абсолютно черного тела ε = 1).

При помощи закона Планка для излучения, постоянную σ можно определить как

где—постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, c — скорость света.

Численное значение Дж·с⁻¹·м⁻²· К⁻⁴.

Закон Вина: Данный закон устанавливает зависимость длины волны (лямда)мах соотвественно мах функции сектора плотность энергетической светимости абсолютного темного тела

Закон: Объясняет почему при натяжении tнагретых тел в их секторе все сильные преобладает длиноволосые излучения.

Закон смещения Вина

Длина волны, при которой энергия излучения абсолютно чёрного тела максимальна, определяется законом смещения Вина:

где T — температура в кельвинах, а λ_max — длина волны с максимальной интенсивностью в метрах.

Так, если считать в первом приближении, что кожа человека близка по свойствам к абсолютно чёрному телу, то максимум спектра излучения при температуре 36 °C (309 К) лежит на длине волны 9400 нм (в инфракрасной области спектра).

Видимый цвет абсолютно чёрных тел с разной температурой представлен на диаграмме.

 

 

(формула Планка), закон распределения энергии в спектре равновесного излучения при определённой темп-ре Т. Был впервые выведен нем. физиком М. Планком (М. Planck) в 1900 на основе гипотезы о том, что энергия испускается дискр. порциями — квантами. П. з. и. даёт спектр. зависимость (зависимость от частоты v или длины волны l=c/v) объёмной плотности излучения r (энергии излучения в ед. объёма) и пропорциональную ей испускат. способность абсолютно чёрного тела u=1/4cr (энергии излучения, испускаемой ед. его поверхности за ед. времени). Функции rv, T и uv, T (или rl,T и ul,T) отнесённые к ед. интервала частот (или длин волн), явл. универсальными функциями от v (или l) и Т, не зависящими от природы в-ва, с к-рыми излучение находится в равновесии.

П. з. и. выражается ф-лой:

Вид ф-ции (2) для разных темп-р показан на рис., максимум ф-ции с ростом Т смещается в сторону малых l.

Из П. з. и. вытекают др. законы равновесного излучения. Интегрирование по v (или l), от 0 до ? даёт значения полной объёмной плотности излучения по всем частотам — Стефана — Больцмана закон излучения:

и полной испускат. способности чёрного тела:

В области больших частот энергия фотона много больше тепловой энергии (hv->kT) и П. з. и. переходит в Вина закон излучения; rv,T= (8phv3/c3)exp(-hv/kT), в области малых частот (kT->hv) — в Рэлея — Джинса закон излучения: rv,T=(8pv2/c3)kT, к-рые, т. о., представляют собой предельные случаи П. з. и.

П. з. и. находится в согласии с эксперим. данными. С его помощью оказалось возможным вычислить значения h и k. На его основе с помощью пирометров можно определять темп-ру нагретых тел (напр., поверхности звёзд). При T>2000 К единств. надёжное определение темп-ры основано на законах излучения чёрного тела и Кирхгофа законе излучения. П. 3. и. используют при расчётах источников света.

П. з. и. был получен теоретически А. Эйнштейном в 1916 путём рассмотрения квант. переходов для атомов, находящихся в равновесии с излучением. Он явл. частным случаем распределения Бозе — Эйнштейна для ч-ц с нулевой массой — фотонов (см. БОЗЕ — ЭЙНШТЕЙНА СТАТИСТИКА).

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры, или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900-14000 нанометров или 0,9-14 µм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет нам видеть различия в температуре. Когда смотрим через тепловизор, то тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Как результат, продвижение использования термографии может быть приписано военным и службам безопасности.

Создание термограмм на основе тепловых изображений нашло много применений. Например, пожарные используют их для обнаружения дыма, поиска людей и установления очагов возгорания. С тепловыми изображениями техники, обслуживающие линии электропередачи, обнаруживают перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии, требующие устранения потенциальной опасности. Когда нарушена теплоизоляция, строители могут видеть утечку тепла и предотвратить осложнения при охлаждении или обогреве системами кондиционирования воздуха. Тепловизоры, делающие снимки, также устанавливаются в некоторых автомобилях класса «люкс» для помощи водителю, например, в некоторых моделях «Кадиллак» с 2000 года. Некоторая физиологическая деятельность организма, требующая более пристального внимания у людей и теплокровных животных, также может быть наблюдаема при помощи тепловых изображений.^[1]

Внешний вид и работа современных тепловизоров часто похожи на работу видеокамеры. Возможность человеком видеть в инфракрасном диапазоне — настолько полезная функция, что способность делать запись таких изображений часто является второстепенной функцией. Поэтому модуль для записи не всегда встроен.

Вместо ПЗС датчиков большинство тепловизоров используют блок фокусных плоскостей КМОП. Наиболее часто используются типы блоков фокусных плоскостей из антимонида индия (InSb), арсенида галлия и индия, теллурид ртути и кадмия. Новейшие технологии позволяют использовать недорогие неохлаждаемые микроболометрические датчики. Их разрешение более низкое, чем у оптических камер, — в основном 160×120 или 320×240 пикселей до 640×512 у наиболее дорогостоящих моделей. Тепловизоры более дорогостоящие, чем их аналоги для видимой части спектра и на модели высокого класса часто накладываются экспортные ограничения. Старые болометры и более чувствительные модели, такие, как с использованием антимонида индия, требуют криогенное охлаждение, обычно охладитель с циклом Стирлинга в миниатюре или охлаждение жидким азотом.

Отличие инфракрасной съёмки от термографии

Инфракрасная съёмка излучения соответствует температуре между 250 °C и 500 °C, в то время как диапазон термографии примерно от −50 °C до более, чем 2000 °C. Так, для инфракрасной съёмки для показа чего-либо температура объекта должна быть свыше 250 °C или объект должен отражать инфракрасное излучение, исходящее от чего-то горячего. Очки ночного видения обычно только усиливают небольшое количество света, которое создаётся, например, звёздным светом или луной, и через них невозможно увидеть тепло или работать в полной темноте.^{[источник не указан 891 день]}

[править] Пассивная и активная термография

Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают инфракрасное излучение. Следовательно, отличный способ для измерения тепловых изменений состоит в том, чтобы использовать устройство инфракрасного видения, обычно блок фокусных плоскостей тепловизора позволяет обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 μм) и длинных (от 8 до 15 μм) волнах инфракрасной полосы частот, обозначаемых как MWIR и LWIR и соответствующим двум инфракрасным окнам с высоким коэффициентом пропускания. Неправильно выбранный диапазон температур, исследуемый на поверхности объекта, указывает на потенциальную проблему.^[2]

В пассивной термографии особый интерес представляет повышение или понижение природного температурного уровня по сравнению с температурой окружения. У пассивной термографии много применений, таких, как наблюдение людей на сцене или в медицине. В активной термографии иначе — там источник энергии должен создавать температурный контраст между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, когда исследуемые части находятся в температурном равновесии с окружающей средой. Современные тепловизоры позволяют с помощью специального программного обеспечения определять температуру в каждой точке термограммы.

[править] Преимущества термографии

• Может показывать визуальное изображение, что помогает в сравнении температур на большой площади

• Даёт возможность захвата движущихся целей в реальном времени

• Позволяет находить аварийные элементы до их выхода из строя

• Измерение в областях, где другие методы невозможны или опасны

• Неразрушающий контроль

• Облегчает поиск дефектов в колоннах или других металлических частях

[править] Ограничение и недостатки термографии

• Качественные камеры дороги и их легко повредить

• Большинство камер имеют погрешность ±2 % или меньшую точность

• Обучение и содержание в штате специалиста по инфракрасному сканированию требует затрат времени и средств

• Возможность измерения только температуры поверхностей

[править] Применение

• Мониторинг условий

• Медицинская визуализация

• Ночное видение

• Исследование

• Управление процессом

• Неразрушающий контроль

• Наблюдения в области обеспечения безопасности, правоохранной деятельности и защите

• Химическая визуализация

Тепловые инфракрасные камеры преобразуют энергию инфракрасных волн в видимый свет на видеоэкране. Все объекты с температурой выше 0 кельвинов излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому инфракрасные камеры могут пассивно видеть все объекты независимо от наличия окружающего освещения. Тем не менее, большинство тепловых камер видят только объекты, теплее −50 °C.

Спектр и уровень теплового излучения сильно зависит от температуры поверхности объекта. Это даёт возможность тепловой камере видеть температуру объектов. Тем не менее, другие факторы также влияют на излучение, регистрация которого ограничивается точностью техники. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но также и от отражающей способности объекта. Так, излучение, первоначально испускаемое окружающей средой, отражается объектом и к нему присоединяется излучение самого объекта, а регистрироваться приборами будет только общая величина.

Инфракрасная термография, тепловое изображение или тепловое видео — это научный способ получения термограммы — изображения в инфракрасных лучах, показывающего картину распределения температурных полей. Термографические камеры, или тепловизоры обнаруживают излучение в инфракрасном диапазоне электромагнитного спектра (примерно 900-14000 нанометров или 0,9-14 µм) и на основе этого излучения создают изображения, позволяющие определить перегретые или переохлаждённые места. Так как инфракрасное излучение испускается всеми объектами, имеющими температуру, согласно формуле Планка для излучения чёрного тела, термография позволяет «видеть» окружающую среду с или без видимого света. Величина излучения, испускаемого объектом, увеличивается с повышением его температуры, поэтому термография позволяет нам видеть различия в температуре. Когда смотрим через тепловизор, то тёплые объекты видны лучше, чем охлаждённые до температуры окружающей среды; люди и теплокровные животные легче заметны в окружающей среде, как днём, так и ночью. Как результат, продвижение использования термографии может быть приписано военным и службам безопасности.

Создание термограмм на основе тепловых изображений нашло много применений. Например, пожарные используют их для обнаружения дыма, поиска людей и установления очагов возгорания. С тепловыми изображениями техники, обслуживающие линии электропередачи, обнаруживают перегрев в местах соединений и части, находящиеся в аварийном состоянии, требующие устранения потенциальной опасности. Когда нарушена теплоизоляция, строители могут видеть утечку тепла и предотвратить осложнения при охлаждении или обогреве системами кондиционирования воздуха. Тепловизоры, делающие снимки, также устанавливаются в некоторых автомобилях класса «люкс» для помощи водителю, например, в некоторых моделях «Кадиллак» с 2000 года. Некоторая физиологическая деятельность организма, требующая более пристального внимания у людей и теплокровных животных, также может быть наблюдаема при помощи тепловых изображений.^[1]

Внешний вид и работа современных тепловизоров часто похожи на работу видеокамеры. Возможность человеком видеть в инфракрасном диапазоне — настолько полезная функция, что способность делать запись таких изображений часто является второстепенной функцией. Поэтому модуль для записи не всегда встроен.

Вместо ПЗС датчиков большинство тепловизоров используют блок фокусных плоскостей КМОП. Наиболее часто используются типы блоков фокусных плоскостей из антимонида индия (InSb), арсенида галлия и индия, теллурид ртути и кадмия. Новейшие технологии позволяют использовать недорогие неохлаждаемые микроболометрические датчики. Их разрешение более низкое, чем у оптических камер, — в основном 160×120 или 320×240 пикселей до 640×512 у наиболее дорогостоящих моделей. Тепловизоры более дорогостоящие, чем их аналоги для видимой части спектра и на модели высокого класса часто накладываются экспортные ограничения. Старые болометры и более чувствительные модели, такие, как с использованием антимонида индия, требуют криогенное охлаждение, обычно охладитель с циклом Стирлинга в миниатюре или охлаждение жидким азотом.

Отличие инфракрасной съёмки от термографии

Инфракрасная съёмка излучения соответствует температуре между 250 °C и 500 °C, в то время как диапазон термографии примерно от −50 °C до более, чем 2000 °C. Так, для инфракрасной съёмки для показа чего-либо температура объекта должна быть свыше 250 °C или объект должен отражать инфракрасное излучение, исходящее от чего-то горячего. Очки ночного видения обычно только усиливают небольшое количество света, которое создаётся, например, звёздным светом или луной, и через них невозможно увидеть тепло или работать в полной темноте.^{[источник не указан 891 день]}

[править] Пассивная и активная термография

Все объекты с температурой выше абсолютного нуля испускают инфракрасное излучение. Следовательно, отличный способ для измерения тепловых изменений состоит в том, чтобы использовать устройство инфракрасного видения, обычно блок фокусных плоскостей тепловизора позволяет обнаруживать излучение в средних (от 3 до 5 μм) и длинных (от 8 до 15 μм) волнах инфракрасной полосы частот, обозначаемых как MWIR и LWIR и соответствующим двум инфракрасным окнам с высоким коэффициентом пропускания. Неправильно выбранный диапазон температур, исследуемый на поверхности объекта, указывает на потенциальную проблему.^[2]

В пассивной термографии особый интерес представляет повышение или понижение природного температурного уровня по сравнению с температурой окружения. У пассивной термографии много применений, таких, как наблюдение людей на сцене или в медицине. В активной термографии иначе — там источник энергии должен создавать температурный контраст между интересующим объектом и фоном. Активный подход необходим во многих случаях, когда исследуемые части находятся в температурном равновесии с окружающей средой. Современные тепловизоры позволяют с помощью специального программного обеспечения определять температуру в каждой точке термограммы.

[править] Преимущества термографии

• Может показывать визуальное изображение, что помогает в сравнении температур на большой площади

• Даёт возможность захвата движущихся целей в реальном времени

• Позволяет находить аварийные элементы до их выхода из строя

• Измерение в областях, где другие методы невозможны или опасны

• Неразрушающий контроль

• Облегчает поиск дефектов в колоннах или других металлических частях

[править] Ограничение и недостатки термографии

• Качественные камеры дороги и их легко повредить

• Большинство камер имеют погрешность ±2 % или меньшую точность

• Обучение и содержание в штате специалиста по инфракрасному сканированию требует затрат времени и средств

• Возможность измерения только температуры поверхностей

[править] Применение

• Мониторинг условий

• Медицинская визуализация

• Ночное видение

• Исследование

• Управление процессом

• Неразрушающий контроль

• Наблюдения в области обеспечения безопасности, правоохранной деятельности и защите

• Химическая визуализация

Тепловые инфракрасные камеры преобразуют энергию инфракрасных волн в видимый свет на видеоэкране. Все объекты с температурой выше 0 кельвинов излучают тепловую инфракрасную энергию, поэтому инфракрасные камеры могут пассивно видеть все объекты независимо от наличия окружающего освещения. Тем не менее, большинство тепловых камер видят только объекты, теплее −50 °C.

Спектр и уровень теплового излучения сильно зависит от температуры поверхности объекта. Это даёт возможность тепловой камере видеть температуру объектов. Тем не менее, другие факторы также влияют на излучение, регистрация которого ограничивается точностью техники. Например, излучение зависит не только от температуры объекта, но также и от отражающей способности объекта. Так, излучение, первоначально испускаемое окружающей средой, отражается объектом и к нему присоединяется излучение самого объекта, а регистрироваться приборами будет только общая величина.

Особыми физическими приборами, называемыми актинометрами, можно измерить количество солнечной энергии, получаемой на земной поверхности на единицу площади в единицу времени. Прежде чем лучи Солнца достигнут поверхности Земли и попадут в актинометр, они должны пройти всю толщу нашей атмосферы, вследствие чего часть энергии будет поглощена атмосферой. Величина этого поглощения весьма колеблется в зависимости от состояния атмосферы, так что получаемое на земной поверхности количество солнечной энергии в разное время весьма различно.

 

Солнечной постоянной называется количество энергии, получаемое одним квадратным сантиметром площади, выставленной на границе земной атмосферы перпендикулярно к лучам Солнца, в одну минуту в малых калориях. Из большого ряда актинометрических наблюдений многих геофизических обсерваторий для солнечной постоянной было получено следующее значение:

А = 1,94 кал/см2 • мин.

Зная количество энергии, получаемое 1 кв. см, легко рассчитать общее количество энергии, получаемое леей Землёй. Для этого, очевидно, мы должны помножить солнечную постоянную на площадь круга радиусом в 637 100 000 см. В результате вычислений получим:

Ек = 1,94 πr2= 1,94 • 3,1415 • (6,371 • 108)2 = 2,473 • 1018 кал/мин,

где Ек означает количество энергии, получаемое Землёй в калориях в одну минуту. Переведём эту величину в мощность, выраженную в лошадиных силах. Для этого мы должны Ек выразить сначала в килограмм-калориях (т. е. разделить на 1000), затем в килограммометрах, т. е. помножить на 427 — механический эквивалент тепла, и затем в лошадиных силах в секунду, т. е. разделить на 75 и на 60.

Ел.с. = (Ек • 427) / (1000 • 75 • 60) = 2,35 • 1014 л.с.

Но, очевидно, Земля получает лишь ничтожную долю той энергии, которую излучает Солнце в мировое пространство. Солнце излучает в мировое пространство энергии во столько раз больше, во сколько раз поверхность шара радиусом R = 149 450 000 км больше площади круга радиусом г =6371 км, т. е.

в α = 4 • (R / r )2 раз

Если вычислить это отношение, мы получим число 2 200 000 000. Следовательно, Земля получает только 1 / 2.2•109 той энергии, которую излучает Солнце. Для того чтобы получить всю энергию Е, излучаемую Солнцем в секунду, надо помножить Ел. с. на 2,2 • 109, и тогда получим: Е = 5,17 • 1023 л. с

Солнце излучает каждую секунду энергию, эквивалентную 517 000 триллионам лошадиных сил. Эту колоссальную энергию Солнце излучает в течение не менее трёх миллиардов лет (время существования Земли). Как ни велико это излучение Солнца, имеются звёзды, которые излучают ещё больше энергии. Звезда 8 Золотой Рыбы в южном полушарии (невидимая простым глазом) излучает энергии в миллион раз больше. Важнейшим и трудным вопросом является вопрос о том, каким образом могут пополняться эти расточительные траты энергии. Источником энергии не могут служить ни явления горения, ни энергия, получаемая от падения метеоритов, ни энергия, получаемая от сжатия звезд, ни радиоактивная энергия — все эти источники являются слишком ничтожными для пополнения этих расходов в течение долгого времени. Только энергия, выделяющаяся при образовании сложных элементов, так называемых ядерных реакциях внутри атома, может объяснить это излучение звёзд в течение многих миллиардов лет. В частности, энергия Солнца образуется вследствие реакции перехода водорода в гелий, это так называемый углеродный цикл, при котором углерод является катализатором. Приведенное выше излучение Солнца Е= 5,17 • 1023 л. с. относится ко всей громадной поверхности Солнца. И…-