Šviesos šaltiniai Nekoherentiniai šviesos šaltiniai. Šviesos šaltinių rūšys. Absoliučiai juodo kūno spinduliavimas. Kaitinimo lempos. Dujų išlydžio lempos. Šviestukų veikimo fizikiniai principai ir technologijos. Šviestukų rūšys. Juodų kūnų spinduliavimas Visi kūnai spinduliuoja ir sugeria. Jei niekas pakankamai ilgai nesikeičia, kūnas pasiekia būseną, kai per laiko vienetą ir išspinduliuoja, ir sugeria tiek pat energijos. O jei išvesime jį iš pusiausvyros jis EM spinduliais atiduos (pasiims) energiją į (iš) aplinką... Jei kūnas sugeria viską, ka jam duodame, jis vadinamas absoliučiai juodu kūnu. Gamtoje juodų kūnų nėra, bet... Kirchhoff o dėsnis Termodinaminės pusiausvyros sąlygomis kūno energinis šviesis lygus jo sugerčiai. Kas gerai sugeria (ergo, blogai atspindi), gerai ir spinduliuoja. Juodų kūnų spinduliavimas Gebėjimas spinduliuoti ir gebėjimas sugerti iš esmės tas pats dydis (simetrija) E E p ϕ V ϕ sug f i 1
Wien o dėsnis Keliant juodo kūno temperatūrą, bangos ilgio maksimumas slenkasi į trumpesnių bangų (didesnių dažnių) pusę. max T C, C 2896μm K Tai grynai eksperimentinių duomenų apibenrinimas. Stefano-Boltzmann o dėsnis Juodo kūno energinis šviesis proporcingas jo temperatūros ketvirtam laipsniui (iš termodinamikos). Joseph Stefan M σt 4 Ludwig Boltzmann Planck o dėsnis pats bendriausias Energinio šviesio spektrinis tankis juodam kūnui 2 8π 1 M (, T) 5 / kt e 1 Planck o dėsnis žodžiais Esant bet kokiai temperatūrai juodas kūnas spinduliuoja ties visais bangos ilgiais, tačiau toli nuo maksimumo intensyvumas labai mažas. Didinant temperatūra intensyvėja visų bangos ilgių spinduliavimas, o energijos kreivės maksimumas slenkasi į mėlynų bangų pusę. Wien o formulė Tinka esant mažoms temperatūroms (iki 3000 K). Gaunama Plancko formulėje išmetant vienetuką. 8π M (, T) e 2 / kt 5 Wilhelm Carl Werner Otto Fritz Franz Wien Juodo kūno spinduliavimas Suintegravę Plancko dėsnį pagal dažnį, gausime Stefan o-boltzmann o... Kad maksimumo dažnis didėjant temperatūrai slenkasi į mėlynų bangų pusę, gausime išdiferenciavę pagal dažnį... 2
Kūnai būna: Juodi Spinduliuoja pagal Plancko dėsnį. Neegzistuoja. Pilki Galioja Plancko dėsnis, tik ne viską sugeria ir išspinduliuoja (t.y. sugerties koef. nelygus vienetui) Selektyvūs Skiriasi sugertis įvarių bangos ilgių šviesai Spektrinis šiluminio spinduliavimo koeficientas (spectral emissivity) M (, T ) ε (, T ) M (, T ) Pasinaudojant šiuo koeficientu, galima sutapatinti tiriamą kūną su juodu kūnu. Jei jis konstanta (nepriklauso nuo dažnio), turime pilką kūną. Jei priklauso nuo dažnio turime selektyvų kūną. Jo integralinė atmaina: M ( T ) ε T M ( T ) Ekvivalentinės temperatūros Naudojamos apibūdinant realius šviesos šaltinius. Ekvivalentinė temperatūra tai tokia temperatūra, kuriai esant viena iš absoliučiai juodo kūno charakteristikų sutampa su mūsų tiriamo kūno charakteristika. Radiacinė temperatūra Temperatūra, kuriai esant absoliučiai juodo kūno energinis šviesis (integralas per visą spektrą) sutampa su mūsų nagrinėjamo kūno energiniu šviesiu. σt εσt 4 4 rad T Radiacinis pirometras Prietaisas labai karštų kūnų, pvz., išlydytų metalų temperatūroms matuoti: Ryškinė temperatūra Temperatūra, kuriai esant absoliučiai juodo kūno energinis ryškis tam tikroje siauroje spektro srityje mūsų nagrinėjamo kūno energiniu ryškiu. lęšis diafragma Juoda plokštelė su termopora Taikymo optika V 3
Dingstančio siūlelio pirometras Lyginame lempos siūlelį ir objekto foną pro filtrą, praleidžiantį 655 nm bangos ilgio šviesą. Keisdami srovę siekiame sutapatinti lempos siūlelį ir objektą. Srovė sukalibruojama kelvinais. Matavimus galima atlikti su keliais filtrais, tada tixliau. Spalvinė temperatūra Juodo kūno temperatūra, kuriai esant spektrinis energinio ryškio pasiskirstymas juodame kūne maksimaliai artimas tiriamo kūno spektriniam energinio ryškio pasiskirstymui. Realiai (inžinerijoje) tai reiškia, kad juodo kūno ir tiriamo kūno energiniai ryškiai ties dviem bangos ilgiais 655 nm ir 467 nm turi sutapti. Spalvinė temperatūra M (, T) M (, T) M (, T ) M (, T ) 1 2 1 color 2 color Įrašome ryškio spektrinį koeficientą: ε (, T) M (, T) ε (, T) M (, T) M (, T ) M (, T ) 1 1 2 2 1 color 2 color Ir galime surasti sąryšį tarp spalvinės ir termodinaminės temperatūros: Spalvinė temperatūra 2kTcolor e 1 ( 2kT 1, T) e 1 ε 1kT 1kTcolor ( 2, T) e 1 e 1 ε Žemoms temperatūroms galime pasinaudoti Wien o formule ir gauti sąryšį: [ εt ε T ] 1 1 k ln ( 1, ) ( 2, ) T T 1 1 color 2 1 Dažnai spalvinė temperatūra artimiausia termodinaminei Volframui, kurio T 2800K: Radiacinė T rad 2128K Ryškinė T ryšk 2515K Spalvinė T color 2874K Kai kurių šviesos šaltinių spalvinės temperatūros: 1700 K: Degtukas 1850K : Žvakė 2800 K: Kaitrinė lemputė 3350-3400K : Studijiniai prožektoriai 5000 K: Standartinė dienos šviesa (US) 5500 K: Vidutinė dienos šviesa, elektroninė blykstė 5770 K: Efektinė Saulės temperatūra 6420 K: Ksenono išlydžio lempa 6500 K: Standartinė dienos šviesa (Europa) 9300 K: TV Ekranas 28000-30000 K: žaibo išlydis 4
Fotografija, leidyba Spalvinė temperatūra dažnai naudojama kaip baltos šviesos balanso parametras, nors griežtai kalbant, tiksliai neatitinka. Kaitinamieji šviesos šaltiniai Etalonai (ertmės) Globarai Kaitrinės lempos Monitoriaus spalvinės temperatūros žinojimas leidžia specialioms programoms suderinti spalvas taip, kad tai, ką atspausdiname atrodytu taip pat ir ant popieriaus, ir monitoriuje. Kaitinamieji šviesos šaltiniai Etaloninis spinduolis Kūginis etalonas, kūgio kampas mažiau kaip 15. Jei vidaus medžiagos emisijos koeficientas yra apie 0.8 (pvz., anodizuotas aliuminis), nesunku gauti tokio etalono spinduliavimo koeficientą didesnį už 0.99. 2 2 D /4l ε 1 ρ 1 + D /4l 2 2 D β l Naudojamas galios matuokliams kalibruoti. Detektoriams, kuriuos užtenka sukalibruoti santykinai, galima naudoti ir kaitinimo lemputes (pridegusias). Jas aproksimuojama Planko pasiskirstymu ir turim santykinius jautrius ties ivairiais bangos ilgiais Etaloninis spinduolis Spąstų detektorius 5 atspindžiai Kalibruojamas kriogeniniu radiometru, kuris lygina elektrinę ir optinę galią, kurios reikia tam pačiam kūnui pašildyti. http://www.npl.co.uk/optical_radiation/instrumentation/ 5 atspindžiai nuo Si paviršiaus jau 0.997 sugertis (jei atspindžio koeficientas apie 0.3) http://www.npl.co.uk/optical_radiation/instrumentation/ 5
SiC spinduolis (globaras) Silicio karbido strypas, per kurį leidžiame srovę. Temperatūros iki 1650 C, todėl tinka IR šviesai generuoti. Varža keliant temperatūrą iš pradžių mažėja (iki 900 laipsnių), paskui ima augti. Kaitinimo lempos Labai paplitę VIS/IR šviesos šaltiniai dėl šių priežasčių: Jungiasi prie elektros energijos šaltinio be papildomų įrenginių Spinduliuoja tolydinį spektrą Gerai atidirbta gamybos technologija įvairioms galioms Pigios Gana patikimos Mažai šviesos (iki 13%) pakliūva į VIS diapazoną. Kaitinimo lempos: technologija Halogenai Siūlelis iš volframo su įvairiomis priemaišomis, nes tik volframas išlaiko formą prie tokių temperatūrų. Kolba iš tvirto, karščiui atsparaus stiklo, kuriam būdingas pastovus linijinis plėtimasis, augant temperatūrai. Elektrodai iš molibdeno arba platinito (46% nikelio / 54% geležies), nes jiems būdingas toks pat linijinis plėtimasis kaip ir stiklui. Kolboje arba vakuumas, arba inertinės dujos (Ar, Kr, Xe). Dėl jų slėgio mažiau garuoja siūlelis. Darbinė temperatūra: vakuume apie 2500 C, su inertinėmis dujomis iki 3000 C Paprastose lempose gyvenimas blogas todėl, kad W garuoja nuo siūlelio, sėda ant stiklo, lempa pajuosta ir galų gale perdega (nutrūksta siūlelis). Tai riboja siūlelio temperatūrą. Problema dalinai išspręsta halogeninėse lempose. Į kolbą įvedamas nedidelis kiekis (1%) halogeno dujų (I 2 arba Br 2 ). Jos prie temperatūrų nuo 300 ir daugiau reaguoja su volframu, sudarydamos WI 6 ir WBr 6. Šie junginiai yra garai, todėl laisvai difunduoja po kolbą. Tačiau pakliuvę ant siūlelio (kur T>1500 ) šie junginiai vėl skyla į halogeno dujas ir W atomą, kuris nusėda ant siūlelio. Taip siūlelis regenruojamas ir galima pakelti jo temperatūrą iki 3400 K! Ha W W Halogenų ypatumai Maža kolba Kodėl reikia? Kolba pagaminta iš amorfinio kvarco (FS) Kodėl reikia? Dujų slėgis kolboje kelios atmosferos Kodėl reikia? Kas yra CoolBlue lempos? 6