Абсолютно чорне тіло

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.

Абсолю́тно чо́рне ті́ло — фізична абстракція, що вживається у термодинаміці; тіло, яке цілком поглинає проміння (всіх довжин хвиль), що падає на нього. Не зважаючи на назву, абсолютно чорне тіло може випускати теплове випромінювання. Спектр випромінювання абсолютно чорного тіла визначається тільки його температурою. Практичною моделлю чорного тіла може бути порожнина з невеликим отвором і зачорненими стінками, оскільки світло, що потрапляє крізь отвір в порожнину, зазнає багатократних віддзеркалень і сильно поглинається. Глибокий чорний колір деяких матеріалів (деревного вугілля, чорного оксамиту) і зіниці людського ока пояснюється тим же механізмом.

Термін абсолютно чорне тіло введений Густавом Кірхгофом у 1862.

Інтенсивність випромінювання абсолютно чорного тіла залежно від температури й частоти визначається законом Планка:

де I(ν)dν — потужність випромінювання на одиницю площі поверхні випромінювання на одиницю тілесного кута у діапазоні частот відν до ν + dν

Зміст 1 Закон Стефана-Больцмана 2 Закон зсуву Віна 3 Виготовлення тіла 4 Використання в фізиці 5 Дихотомія "чорне тіло -хвильовод" 6 Чорне тіло, як "трансформатор 3Д-простору" 7 Література

[ред.] Закон Стефана-Больцмана

Загальна енергія теплового випромінювання визначається законом Стефана—Больцмана:

,

де j — потужність на одиницю площі поверхні випромінювання, а

 Вт/(м²·К⁴) — стала Стефана—Больцмана.

[ред.] Закон зсуву Віна

Довжина хвилі, при якій енергія випромінювання максимальна, визначається законом зсуву Віна:

де T — температура в кельвінах, а λ_max — довжина хвилі з максимальною інтенсивністю у метрах.

Видимий колір абсолютно чорних тіл з різною температурою представлений на діаграмі праворуч.

[ред.] Виготовлення тіла

Штучно можна виготовити практично А. ч. т., вичорнивши внутрішню поверхню нагрітого до певної температури непрозорого тіла з порожниною і малим отвором (мал.). Всякий промінь, проходячи крізь отвір А у порожнину С, назад практично не виходить, бо зазнає багаторазового відбиття і поглинання. Отже, отвір А поглинає проміння так, як абсолютно чорне тіло.

Слід відзначити, що геометричні розміри А.ч.т. накладають природні обмеження на довжину електромагнітної хвилі, що може розповсюджуватися в ньому. Дійсно, якщо довжина хвилі більша за розміри чорного тіла, то вона в ньому просто не зможе відображатися від стінок. Цей факт особливо важливий в космології, при моделюванні Всесвіту, у вигляді А.ч.т. на ранніх етапах розвитку, особливо при розгляді реліктового випромінювання.

[ред.] Використання в фізиці

Поняттям А.ч.т. широко користуються в астрофізиці. Випромінювання Сонця близьке до випромінювання А.ч.т. з температурою 6000К. Весь Всесвіт пронизаний т.з. реліктовим випромінюванням, близьким до випромінювання А.ч.т. з температурою 3К. Порівняння повного випромінювання зірок з випромінюванням А.ч.т., дозволяє наближено оцінити ефективну температуру зірки. Відхилення випромінювання зорі від випромінювання А.ч.т. часто буває досить помітним. У глибині Сонця та зірок, нагрітих до десятків мільйонів градусів, випромінювання з високою точністю відповідає випромінюванню А.ч.т.

Для практичної реалізації моделі А.ч.т. необхідно забезпечити можливість рівномірного нагрівання стінок порожнини та вихід випромінювання назовні через малий отвір. Одним із перших експериментальних взірців чорного тіла був прилад виготовлений Люммером та Прінгсгеймом. Він являв собою металічну посудину з подвійними стінками (подібна до термостата). Простір між стінками використовувався в якості „температурної бані” для підтримування певної та рівномірної температури. Це досягалося шляхом пропускання пару киплячої води або для низьких температур – шляхом наповнення льодом, твердою вуглекислотою, рідким повітрям і т.і. Для дослідження випромінювання при високих температурах використовувалося чорне тіло іншої конструкції. Циліндр із платинової жесті, через який пропускається електричний струм, служить для рівномірного нагрівання внутрішнього фарфорового циліндра. Температура всередині цилінра вимірюється термопарою, а діафрагми запобігають від охолодження проникаючим повітрям. За допомогою подібних простих приладів- моделей чорного тіла, були експериментально досліджені закони випромінювання, точно визначені його константи та вивчено спектральний розподіл яскравості.

[ред.] Дихотомія "чорне тіло -хвильовод"

Ця стаття не містить посилань на джерела. Ви можете допомогти поліпшити цю статтю, додавши посилання на надійні джерела. Матеріал без джерел може бути підданний сумніву та вилучений.

Очевидно, що концепції "хвильовода" та "чорного тіла" є всього лише ідеальні абстракції, придатні для теоретичного моделювання. На практиці реальні хвильводи та чорні тела лише наближаються своїми характеристиками до ідеальних. Основна відміна між хвильоводом та чорним тілом полягає в тому, що їх внутрішню поверхню роблять максимально провідною у випадку хвильвода для забезпечення ідеального відображення від стінок, а у випадку чорного тіла - максимально шорсткою, для забезпечення максимального поглинання стінками. Спільна риса і хвильвода, і чорного тіла полягає в тому, що за теоремою Пойтінга, електромагнітна енергія в обох випадках зосереджена в об'ємі цих тіл, а на поверхні можливі лише процеси поглинання. Через це, хвильвий опір не залежить від властивостей та форми цих об'єктів, а лише від властивостей внутрішнього діалектрика, який заповнює ці об'єкти.

[ред.] Чорне тіло, як "трансформатор 3Д-простору"

Дані цього розділу чи статті є сумнівними.

І "хвильовод", і "чорне тіло" є типовими представниками об'єктів, що трансформують 3Д- простір сам на себе, шляхом ізоляції стінками (рівень цієї ізоляції не має значення). Таким чином, за допомогою хвильоводів можна вивчати передачу електромагнітних хвиль в 3Д- просторі, а за допомогою чорних тіл - поглинання електромагнітних хвиль.

[ред.] Література

• Бессонов Л.А.Теоретические основы электротехники: Электромагнитное поле. Учебник для студентов вузов.- 7-е изд., перераб. И доп.- М.:высшая школа, 1978.-321с.
• Шпольский Э.В. Атомная физика, т.1-й: Введение в атомную физику. Учебное пособие.-7-е изд. Исправл.-М.: Наука,1984.-552с.
• Аллен К.У. Астро- физические величины.- перераб. И доп. Издание, М.:Мир,1977.-446с.
• Физика космоса. Маленькая энциклопедия.- Изд. Второе, перераб. И дополненное, М.: Советская энциклопедия»,1986.-783с.